一種VAF-500型大型臥式真空退火爐的設計

董冰峰

（北京華海中誼節能科技股份有限公司 北京 102699）

真空熱處理技術具有無氧化、無脫碳、脫氣、脫脂、表面質量好、變形微小、熱處理零件綜合力學性能優異、無污染無公害等一系列突出優點。真空爐生產中存在爐內板材在加熱過程中加熱速度明顯滯后于爐膛升溫速度的現象，而且溫度越低滯后越明顯、裝料越厚滯后越明顯［1-2］。對此，本設計為解決這種大型幅面的鋯及鋯合金板材的真空退火提供了一種真空熱處理設備。

1 設備關鍵參數要求

設備主要技術指標包括有效加熱區的尺寸、裝爐量、最高溫度、工作溫度、爐溫均勻度、極限真空度、溫控等、方面，設計的相關參數如表1所示。

表1 設備主要技術指標

工藝指標要求包括待退火板材尺寸、退火后板材要求、退火加熱方式、退火冷卻方式、空爐冷卻速率、帶料冷卻速率、壓強等方面，具體要求詳見表2。

表2 設備工藝指標

2 設備結構

本設備由爐體、后檢修門、加熱室、前爐蓋及運行機構、真空系統、氣動系統、水冷系統、充氣系統、外循環冷卻系統、電氣控制系統和工件輸送車等組成。真空爐主體由爐殼、鎖緊圈、加熱室、冷電極、熱電偶裝置、氣缸組件及壓力表規管等組成。

2.1 爐殼設計

爐殼采用雙層水冷夾層結構，爐殼外壁為優質碳素鋼板；內壁采用SUS304L 不銹鋼，且內壁鏡面拋光。內壁外壁間通冷卻水。前、后爐門與爐體法蘭采用鎖緊圈承壓結構，由氣缸自動鎖緊爐門，能使回充氣體壓力達到2bar。

爐殼厚度計算：根據壓力容器國家標準GB 150-88真空容器按承受外壓設計，設計壓力取1.25 倍的最大內外壓力差。對于帶有夾套的真空容器，設計壓力為上述真空容器的設計壓力再加上夾套內的設計壓力，設計溫度為150℃，圓筒厚度計算公式［3］：

式中：P 為設計壓力（MPa）；Di為圓筒的內直徑（mm）；［σ］t為設計溫度下圓筒材料的許用應力（MPa）；Φ為焊縫系數。

此爐的設計壓力為：（0.3+0.1）×1.25=0.5MPa（0.3MPa為夾套內水壓，0.1MPa為真空容器的內外壓差）。

圓筒內壁的內直徑為Φ2400mm；［σ］t查國家標準碳鋼材質的許用應力為50MPa；Φ查國家標準為0.9；因此，計算厚度為δ=13.4mm；腐蝕裕量不銹鋼取C2=1mm；故內壁厚度為C=δ+C2=14.4mm；實際內壁厚度取14mm。

外壁計算：外壁內外壓差為0.2MPa，設計壓力為0.2×1.25=0.25MPa。

外壁內直徑Φ2500mm；按計算公式厚度δ=6.9mm；腐蝕裕量碳鋼取2mm，故內壁厚度為C=δ+C2=7mm，考慮大尺寸變形問題及爐體開孔數量等，實際外壁厚度為10mm。

2.2 加熱室設計

加熱室設計成圓筒形結構。隔熱屏由框架及兩層0Cr25Ni20 耐熱鋼+三層1Cr18Ni9Ti 不銹鋼薄板+一層304不銹鋼護板組成。加熱元件為模塊化設計的多圈鉬帶，均勻布置成圓筒形，可單獨拆卸，損壞時更換方便。加熱元件通過12 個水冷電極與爐外接線連接。加熱室前后蓋均布置有加熱元件，各通過3 個水冷電極與外部連接。

設備為五區控溫，每區獨立調整。

爐體上加熱元件總共18圈，6圈為一個加熱區，角形接法，前后蓋各為一個加熱區，采用星形接法。

加熱功率的計算及確定：

P = KFE(T/1000)G［4］

式中：P為電爐額定功率；K、E、G為系數（用于金屬屏時：K=0.91；E=0.76；G=2.53）；F為有效工作空間外表面積（d㎡）；T 為額定溫度（K）。有效區尺寸3500mm×1300mm×800mm；最 高 溫 度950℃；F=3640d ㎡；T=因為滿載加熱，且裝載量比較大，因此實際調壓器功率為1.1P；N=427×1.1≈470kW；實際取值500kW。

加熱元件采用鉬加熱帶，均勻布置。加熱帶具有凹型肋槽結構，保證了高溫狀態下加熱帶的強度并延長了使用壽命；加熱元件為模塊化設計，可單獨拆卸，損壞時更換方便。采用99 瓷進行絕緣處理。料臺由耐熱鋼支撐、耐熱鋼爐床組成，料臺滿足最大載荷及相應料盤的承要求，且在高溫下不變形，以保證產品質量。采用的托料裝置為三排爐床，不含軸承或輥輪，避免了長期使用的故障率。背部絕緣不需要在加熱帶打孔，支撐件和瓷件位于加熱帶的背面，瓷件使用壽命更長，加熱帶免打孔避免了電阻變化和局部過熱，使用壽命更長。

2.3 外循環風冷系統

外循環風冷系統由外循環鼓風機，臥式組裝式銅翅片換熱器，進出風管路，進、排風氣動隔熱閥、金屬波紋管及磁流體密封電機等組成。加熱時，隔熱擋板閥關閉，將爐體與外循環冷卻系統隔開，以保證熱量不會流失。風冷時，進、排風隔熱擋板閥打開，啟動外循環風機，冷卻氣體進入爐內并經由隔熱屏錯層氣流孔從180°方向均勻進入加熱室內，再由加熱室上部180°分布的風孔排出，加熱室。之后氣體再導入爐子頂部的兩根出風管，通過熱交換器降低溫度后返回鼓風機進氣口，從而完成一個循環，達到快速冷卻的目的。換熱器采用帶翅片的銅管，翅片與銅管為一體化結構，兩端為組裝式密封結構，損失時便于拆卸并更換。

鼓風機通過磁流體密封裝置和電機連接，電機在大氣中，便于保真空，利于維修。電機配有變頻器。磁流體密封裝置為一種先進的真空密封裝置［5-8］，近年來，逐步在一些對真空密封有高要求的設備上采用，而采用磁流體密封裝置和大功率電機連接使用，在真空爐上還不多見。采用錯層式風冷系統，可保證技術要求的冷速前提下，氣流較緩，減小對氧化鋁粉末的影響。

3 結語

（1）成功設計了一種解決大幅面鋯板真空退火處理的真空退火爐。

（2）采用背部絕緣的加熱帶支架結構，由不需要在加熱帶上進行打孔，能顯著增強加熱帶的使用壽命。

（3）采用磁流體密封裝置結構的風冷系統能最大限度地保證系統的真空度，并且便于維修。