小型热处理加热炉.doc

微型热处理加热炉（河北科技师范学院）摘要:在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。热处理是机械工业的一项重要基础技术，通常像轴、轴承、齿轮、连杆等重要的机械零件和工模具都是要经过热处理的，而且，只要选材合适，热处理得当，就能使机械零件和工模具的使用寿命成倍、甚至十几倍的提高，实现“搞好热处理，零件一顶几”的目标，收到事半功倍的效果。热处理对于充分发挥金属材料的性能潜力，提高产品的内在质量，节约材料，减少能耗，延长产品的使用寿命，提高经济效益都具有十分重要的意义。关键字：热处理，加热炉。我国热处理加工工艺的现状和发展。建国以来，我国的热处理技术有了很大的发展，现有热处理生产厂点一万余家，职工15万人，专业科技人员约1000余人，热处理加热设备11万台，年生产能力660万吨钢件，年产值约50亿元，全员劳动生产率约3万元/人*年。目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺、新技术研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理生产工艺水平和热处理设备方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理生产工艺和热处理设备落后、工件氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。为促进我国热处理技术的发展，我们应全面了解热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”，力争到 2000年时达到工业发达国家八十年代中期的水平。1加炉的种类一、加热温度：高温炉、中温炉、低温炉。二、加热方式：真空炉、燃气炉、电炉、感应淬火机床等。三、装炉方式：网带炉、台车炉、箱式炉、多用炉、井式炉、连续推杆炉等。还可以按照功能分：渗碳炉、氮化炉等。热处理炉分为退火炉、淬火炉、回火炉、正火炉、调质炉，主要用于大型碳钢、合金钢零件的退火；表面淬火件回火；焊件消除应力退火、时效等热处理工艺。加热方式有电加热、燃油、燃气、燃煤、热风循环。 退火炉是一种新型换热设备。退火炉是节能型周期式作业炉,超节能结构，采用纤维结构，节电60%。牵引式热处理炉：广泛应用于冷轧带钢的镀锡、镀锌和硅钢、不锈钢的展开连续热处理，近年来还用于深冲钢带的退火。牵引式炉大致分卧式和立式两种。卧式有单程的（直通卧式炉）和多程的（折叠式炉）；立式也有单程的（立式炉）和多程的（塔式炉）。牵引式热处理炉比罩式炉具有建设周期短、占地少、产品质量好(平整、均匀)、自动化程度高的优点，但设备复杂。塔式炉牵引带钢的速度可高达每秒钟10米，多用辐射管或电热体加热，可通控制气氛，处理温度为700950。工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。这个过程可以借助陶瓷换热器来实现，陶瓷换热器的生产工艺与窑具的生产工艺基本相同，导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能。它的原理是把陶瓷散热器放置在烟道出口较近，温度较高的地方，不需要掺冷风及高温保护，当窑炉温度1250-1450时，烟道出口的温度应是1000-1300，陶瓷换热器回收余热可达到450-750，将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，这样直接降低生产成本，增加经济效益。在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。连续加热炉包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉,但习惯上常指推钢式炉。连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。主要特点是：料坯在炉内依轧制的节奏连续运动，炉气在炉内也连续流动；一般情况，在炉料的断面尺寸、品种和产量不变的情况下，炉子各部分的温度和炉中金属料的温度基本上不随时间变化而仅沿炉子长度变化。加热炉工作方式：在锻造和轧制生产中，钢坯一般在完全燃烧火焰的氧化气氛中加热。采用不完全燃烧的还原性火焰(即“自身保护气氛”，来直接加热金属，可以达到无氧化或少氧化的目的。这种加热方式称为明火式或敞焰式无氧化加热，成功地应用于转底式加热炉和室式加热炉。2我国大型热处理加热炉的微型控制系统。 加热炉的温度控制是工业生产过程中最常见的控制要求之一，由于电加热炉本身是大惯性的非线性多变量藕合过程，因而使得加热炉的控制存在很大困难.尤其是对金属热处理加热炉，要求炉内温度按一定曲线分布，且要求控制精度高，因此控制的难度就更大，下面针对热处理加热炉，提出了一种简单易行、功能齐全、操作方便的控制方案.1系统的组成和功能该系统由调节器、数据采集器和PC工控机组成.调节器和数据采集器均采用单片机，12位A/D,D/A芯片，它们由单片机的串行口通讯控制器与PC工控机联接，同时完成与下面调节器、数据采集器的通讯.本控制系统的主要功能有: 1)实时显示炉膛温度分布曲线; 2)实时显示各区炉膛温度和控制电流信号; 3)对炉膛温度进行实时精确控制; 4)实时辨识系统模型及自动/手动无扰动切换;PID控制算法的实时在线无扰动切换; 5)故障自动到手动切换，超限声光报警等.2系统软件本系统的软件由PC工控机和调节器服务两部分组成.PC控制机上的软件主要完成通讯、计时、A/D量到工作量的转换、工艺流程图和工艺参数给定值、A/D自校信号显示、记录加热情况和声光报警，人机对话完成对调节器和数据采集器的控制组态，参数设定了在线查询修改参数等.该软件用两种语言编写:一部分用C语言，另一部分用汇编语言.它是一个中断服务程序，中断源有两个:时钟中断和通讯中断.由于在本控制系统中采用了PC总线工业控制计算机作为主控机，从而可以充分利用其支持高级语言编程的功能，为软件编制和维护以及高级控制算法的实现提供了良好的基础.另一部分则是调节器和数据采集器的工作软件，它的主要功能是系统初始化、系统管理、自诊断和掉电保护、采样、滤波、控制计算及输出通讯处理等.程序全部采用模块化结构，程序间完全独立，而且各自都有自己专用的数据库，以免数据信息混乱，全部控制算法都成表格产生，即软件工程中的“表格驱动”.都用三字节浮点数，其中二字节尾数，一字节阶码格式如下:符号位b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 尾数码符号位b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 阶码一 阶码符号位:b7=0表示负数，b7=1表示正数.尾数码符号位:b7=0表示正数，b7=1表示负数.表达范围:+_0.5x21或为8. 5x 1037分辩率:0. 25 x 2-127或为1 x10-37基本运算子程序有浮点数加法、减法、乘法、除法、开方、定点数到浮点转换和浮点数到定点数转换.滤波方式有中值滤波、均值滤波值等.程序全部采用表格进行管理，即从采样、滤波方式到控制算法、控制参数、控制周期等全由表格定义，而这些表格都可以在上位机上生成并可随时作在线修改.3加热炉的控制 由于该加热炉控制的目的是保护炉内工件在热处理过程中有均匀稳定的炉温分布2，根据系统的结构，可把该加热炉看成是一个5输入(5个可控硅调节器的输入信号0-10 mA)/5输出(5个区段的炉内温度)系统.由于电阻丝加热过程比较缓慢，炉内降温只能靠自然风冷带走热量，使对象表现出很大的时间常数.对于这种大时间常数的多输入/多输出的祸合系统，难于寻找有效的控制算法，因此在控制系统中设计了增量式PID算法. PID算式如下:4结论 该系统实时运行后，整个系统运行稳定，检测控制精度高，可以把炉温控制在工艺要求的土2范围内，抗干扰，操作简单容易.由于炉内温度稳定，可大大提高产品的合格率.3实验室小型热处理加热炉群微机控制 金相与热处理实验室有小型热处理加热炉14台，供学生进行金属材料热处理实验用。其中，6台为可控硅控制，由动圈式温度调节仪XCT-191和可控硅电压调整器ZK 1组成，8台为继电器控制，由动圈式仪表XCZ-101指钊一显;:和二位控制。这些仪器仪表已使用了10多年，有的甚至已使用了20年，仪器严重老化，控制精度无法保证。 利用教师在科研课题中购置的一台计算机和一块16路的信号采集及A/ D转换板，加上自行设计制作的一块开关量输入及脉冲输出控制板，加热主电路统一采用可控硅调节，便构成了实验室热处理加热炉群的计算机控制系统。热处理加热炉群微机控制系统功能特点:恻言号采集、数据处理、控制运算和结果显小均实现数字化，提高了热处理加热炉测试和控制精度。利用计算机精确的实时控制功能，采用较适宜的控制算法，可自动完成复杂的热处理加热过程。侣采用查分度表法进行热电势与温度间的标度换算及热电偶冷端温度补偿，消除了用硬件进行线性化处理造成的误差。1.热处理加热炉群计算机控制系统硬件结构 可分为信号采集与转换部分、计算机部分腔制部分和执行机构。 (1)信号采集和转换部分是由传感器和A/ D转换板组成，见图1 a.传感器:根据各个炉子加温范围不同，分别配用S型(铂铭1(铂)热电偶，K型(镍铬一镍硅)热电偶和E型(镍洛康铜)热电偶，输出，nv信号。 b. A/ D转换板:采用16路电压信号A/ D转换集成电路板。包括RC低通滤波电路，多路开关集成电路，程控增益放大器，模/数转换AD1674( 30IHZ转换速度，12位二进制输出，输入范围0 10V)，光电隔离电路，总线驱动电路以及8位跳线开关等，板上配有DC/DC电压变换器，可供应芯片所需不同电压。 该集成电路板可直接插入计算机PC总线插槽，板内占用AlA2两条地址线，段地址由8位跳线开关设定，与PC总线A2 A9相通。板上装有输入信号插座，各路热电偶及补偿导线通过外部接线端子后将由此引入，其中一路用来测量室温。 (2)控制部分接曰电路板，见图2。主要由一片可编程并行I/ O接曰电路8255芯片组成。输出脉冲信号经光隔离驱动电路后与主电路可控硅触发极相接。各加热炉手动启动信号按钮经编码后输入到8255接曰。2.系统软件结构和功能 本系统是在Wincl+vs 95平台环境下用Visual C+5. 0开发的。输入信号放大倍数的选择和各加热炉加热过程参数的设定采用人机对话、键盘输入、填充表格方式。14个加热炉允许在不同时间开始工作，由炉前按钮负责联络，联络线经编码器后以四位二进制形式为计算机提供各炉开始加热并计时信息。温恒温段采用PID控制法，每一炉号的信息采集,PID运算和调整输出脉冲连续完成，其数据为采样原始数据，并不进行标度换算，因此，要求在最初键盘输入设定的加热温度参数后，应立即将其换算为适合于PID运算时的给定值。各炉控制轮番进行。 屏幕显小则采用延时更换方式，显小前需进行标度换算和热电偶冷端温度补偿。根据热电偶定律:E为热电势,t为被测介质摄氏温度，t)为环境温度。 热电偶在冷端温度为摄氏零度时产生的热电势，与测量端温度的关系是非线性的，为避免线性化处理中带来误差，利用计算机存储量大的优势，事先将国际标准热电偶分度表存于计算机内，采用查表法进行标度换算。显小方式包括表格显小及加热冷却过程温度曲线显小。4热处理加热炉的节能和提高工作效率以及环保型工业 加热炉节能方式：加热炉对钢锭进行加热时的温度高，烟气带走了大量的高温热量，造成白白浪费，热利用率较低，如果使用蜂窝陶瓷蓄热体可以达到余热回收的目的，但一次性投入大，切换机构多，维修成本高；另外在切换过程中也带走了相当多被烧嘴吹出但未燃烧的燃气，造成能源严重流失。而使用换热器则可弥补蜂窝陶瓷这方面的不足，且投资少、无切换机构、免维修。如果使用金属换热器，由于材质的限制，抗氧化能力差，不能在高温下长期使用，余热回收率低。如烟道温度达到800度以上，金属换热器非常容易被高温损坏，无法达到余热回收的目的。 如普通情况下窑温高于800度，而烟道温度低于800度，这种情况看起来适合用金属换热器，但如果出现停电、燃气量偏大、助燃风量不足等情况，都会使烟道温度快速高于800度，使金属换热器很快被烧坏。但陶瓷换热器加热的助燃风温度可达300-800，不但可以达到节能的目的，而且提高了环境效益。先进热处理技术的发展方向 如前所述，由于受到制造业的高度重视，近代热处理技术发展迅速。其主要发展方向可以概括为8个方而，作者称做为8个少无(Less or Non) ,即少无污染少无畸变、少无(质-_)分散、少无浪费(能源)、少无氧化、少无脱碳、少无废品、少无人工。5未来的发展趋向。 我国的国营企业和专营热处理加工的民营企业要想在激烈的竞争中谋求发展，必须首先持续开展生产技术的革新改造。技术改造的第一行动应该是更新设备( renovation of facilities)，因为设备是先进工艺的载体;其次是提高企业职工的管理和技术水平以及操作技能，积极开展再教育和培 ( reeducation of person-als);最后是提高企业的自行开发能力，不断进行新技术的研究开发(R&D of new technologies)。归纳起来，就是要在这3个R上下一番功夫。5. 1设备更新 近20年来，通过技术引进和消化吸收，汽车、航空、兵器、机械基础件行业的热处理有了很大进步。引进了许多先进的设备和工艺，生产技术顷刻上了一个高台阶，但是大多数机械制造)的热处理生产条件仍然简陋，工艺落后，人工操作比重大，役龄在40年以上的设备占80%以上。这些设备能耗大，工艺老，温差大，故障率高，机械化程度低。使用这种设备很难制造出优质产品。因此可以说，为保持企业核心竞争力，以更新设备为主要措施的生产技术改造势在必行。 更新设备的主要出发点应该是可靠性高、节能、温度均匀度高、自动化程度高，性能价格比高。当前国产热处理设备虽然便宜，但在能耗、温度均匀性、自动化程度等质量上离国际名牌产品有较大差距，尤其是可靠性，即服役期间的故障率差距最大。许多用户宁可花大价钱购买进曰、境内独资、合资企业产品。因此，设备制造)必须认清形势、认真向别人学习、掌握市场动向和技术发展方向，强化对引进技术的消化吸收，迅速提高自行开发能力。在新设备设计制造过程中采用优质配套元器件、仪表;首先使国产设备在可靠性上有一个大的突破，才有可能在即将到来和某些领域已经到来的技改高潮中崭露头角，才有可能在就要到来的更激烈的市场竞争中免受灭顶之灾。热处理民营中小企业的兴起也对热处理设备有大量需求。从去年开始，已有明显迹象，即使制造常规设备的企业，也开始有了较好的销售业绩。但是我们绝不能被这些表而现象迷惑。不少中小企业已充分认识到在生产技术上的高起点，采用先进设备的重要性，他们也有充足的资金买得起先进的设备。为了抢占模具加工市场，华南和华东沿海一带稍具规模的热处理加工企业都争先恐后购买0. 6M Pa( 6bar)以上的真空加热高压气淬炉。汽车、摩托车工业的兴起，渗碳、淬火、清洗、回火多用炉生产线和气体氮碳共渗炉生产线的需求会进一步增大。设备制造)要抓住这一有利时机，向蜂拥而起的热处理中小企业提供优质、可靠、先进的符合他们高技术起点要求的热处理工艺装备。5. 2知识和技能的再教育 科技进步日新月异，企业的技术改造在不断进行，对企业的管理干部、技术人员和操作工人的素质、知识和技能都提出了更高的要求。在我国实行市场经济体制，尤其是加入WTO之后，不少国营企业和大多数民营股份制企业领导人缺乏对市场经济规律、国际贸易规则和采购渠道的知识，不少人尚未进入科学管理现代企业的角色。工)技术人员知识老化突出，对于引进的先进设备和工艺，尤其是计算机模拟和控制以及CAD ,CAM技术相当生疏，以致常常不能发挥先进设备的所有功能。操作工人大多未经技术培训，更做不到持证上岗，部分老工人靠已有的应知应会知识和技能已不能应对现在的生产技术。他们许多人已认识到这方而的缺憾，迫切要求尽快改变现状 职工整体素质是企业核心竞争力的首要条件。提高整体素质就是要倡导企业职工养成继续教育和终身学习的风气，培养技术、经营、管理操作技能等方而人才，建立掌握现代技术，具有自行开发能力和熟练操作技能的职工队伍。学会和协会等行业团体应在这方而发挥主要作用。5. 3不断提高新技术开发能力 企业产品的市场竞争，归根结底可以说是人的能力和素质高低之争。在我国加入WTO之前，我国的企业就已经显小出这方而的明显弱点。其主要表现是由于企业领导人和技术人员缺乏知识更新，或更新缓慢而形成新产品和新技术开发能力薄弱的状况。由于知识产权观念的淡薄和不具备独立开发能力，造成在消化吸收引进技术时的自目抄袭。一方而侵权是违法行为，会影响国家、企业和个人声誉，削弱国际投资者在华投资的积极性;另一方而，不进行任何调查分析的自目抄袭也会形成抄袭落后，或延续别人已有缺陷的后果。另外，对设备制造)家来说，当前和今后用户的要求和产品使用水平在不断提高，使每台产品的订货都附带许多特殊技术条件。这就要求制造)家不断修改设计、或完全重新设计。也就是家进行的都是非标产品的生产。按过去计划经济时期的概念，就是生产在不断开发新产品过程中进行的，而目_这种开发与生产，必须尽可能一次成功，否则就会明显地提高制造成本和产品价格，难于参加市场竞争。这就要求企业领导高瞻远瞩，勇于在人员的知识更新上投资，使企业技术人员建立强烈的知识更新愿望，首先接受技术开发基本功训练，其次要关心国内外市场需求和技术开发动态，通过持续的调查分析，掌握国外名牌产品名方而