星期六, 十二月 23, 2006

真空炉内对流加热技术的开发

在真空炉内加热工件时,主要靠发热体和工件之间的辐射传热,所以加热速度慢。在<800℃以下的温度加热时,工作升温滞后的的缺点更加显著,如 φ105mm轴在真空炉内加热至700℃需要120min,实施对流加热仅需80min。而且真空加热15min后轴表面和心部温差为280℃,对流加热 15min后该温差在80℃以内[15]。当负载为散件,并实施密集装炉时,如切削工具1200支(200kg),真空(1×103Pa)加热至590℃需196min,实施对流加热仅需48min,加热过程中表面和心部工具的最大温差,前者为311℃,后者为57℃。 实际生产中,有些高合金钢真空加热速度过慢会导致混晶现象发生。如φ30mm的W6Mo5Cr4V2钢,在加热速度≤5℃/min时有混晶现象发 生。φ20mm的加Co高速钢,在加热速度≤20℃/min时也有混晶现象发生,即使该材料追加退火工序后,在≤5℃/min加热的情况下仍有混晶现象发 生。 为缩短加热时间,改善加热质量,提高加热效率,开发真空炉内的对流加热技术很有必要。具备对流加热技术的真空炉,除原有功能外,还可附加回火功能,带来了一炉多用和灵活生产的好处。 真空炉内对流加热工艺技术系指工件入炉后,排气至规定的真空度,再充入压力为200kPa的惰性气体,把工作从室温加热至 600℃或800℃以下的某温度,如图6所示。该技术的难点之一是炉胆要有良好的密封性以保证高温正压的热气流在均匀加热工件的同时又不至于跑到真空炉的 增冷壁上。换句话说用正压惰性气体加热会带来加热温度不均匀和炉胆热损失大增的缺点如表3所示。为保证正压惰性气体加热的均匀性,则势必要采取用搅拌风扇 强制搅拌,增强气体流动性和循环强度,这就带来了该技术的第二个难点,即该搅拌风扇的材质问题。该强制搅拌风扇不能采用金属结构,因为这会在随后的高温 (>1000℃)加热时带来变形和使用寿命问题。国际上这种风扇采用高强度的复合碳纤维制成,既轻便,又有足够的高温强度和耐高温气体冲刷的性能,保证了 一定的使用寿命。
图6 真空炉内对流加热时温度和压力的关系表3 真空炉内压力和热损失及温度均匀性之间的关系
压力/Pa
热损失/kW
温度均匀性/℃
压力/Pa
热损失/kW
温度均匀性/℃
10-6
7
±6.5
3×105
36
±22.5
1×105
22
±13.0
5×105
63
±45.0 至今,真空炉内对流加热炉胆的结构有两种,一种是单循环风扇,如图7。该结构的中的发热体4是由高强度复合碳纤维制成的一端封闭的管材,管壁上开 有多个小孔。对流加热时,正压热气流从分布于炉胆圆周的管状发热体管壁上众多小孔喷向工件,经同轴开关阀1吸入风扇,再被扇叶加压,压入发热体管中形成循 环。另一种是双循环风扇结构,如图8。加热风扇1在冷却阶段可退出加热室,只在加热阶段进入加热室,完成800℃前的对流加热后即行退出热室。这种结构的 优点是保证风扇的使用寿命,缺点是结构复杂。该结构发展的趋势是加热风扇位移至冷却风扇成垂直的方向,扇叶由碳纤维制成,风扇完成对流加热后不再退出加热 室。
图7 真空炉内对流加热炉胆结构示意图 图8 真空炉内对流加热结构示意图 1?同轴开关阀2?密封绝热门3?冷却器 1?加热循环风扇2?炉胆3?喷嘴4? 4?发热体(兼气体喷嘴) 4?发热体5?冷却器6?冷却循环风扇 7?喷嘴塞

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