台车罩式复合型退火炉的研究.doc

台车罩式复合型退火炉的研究摘要 本双台车罩式复合型退火炉采用先进的气体流动布局，炉膛各部位温度数据采用计算机智能化自动控制实现自动采集，并通过对电能输出功率和材料接受转换效率的逻辑分析，实现自动控制电能输出功率。炉体采用双台车独立移动机构，使台车装料与材料退火的时间重合。台车内填充保温耐火材料、四周安装软性密封材料，工作时炉体底面和台车平面重合，重合面之间软性密封材料受压密封，能较好地保证罩式炉密封性。关键词 管棒材；智能控制；温度均匀中图分类号th122 文献标识码a 文章编号 16746708（2012）760053031 现状分析铜加工行业的铜管棒生产工艺中，为了消除铜管棒冷加工后残余的应力，会增加一道去应力退火工艺，在低于铜的再结晶温度的情况下加热。因此，这就需要铜加工企业针对这一退火工艺添置合适的退火炉进行生产。现国内外同行业1中，去应力退火炉有：井式退火炉、台车式退火炉、罩式退火炉三种，其各有优缺点。井式退火炉结构简单、制造成本低，致使其运行能耗大，且炉内上下温差较大，通常在20以上，退火后材料力学性能波动较大；台车式退火炉结构复杂，制造成本较高，装炉量大，但由于内部密封性能差，气动循环结构不合理，运行能耗较大；罩式退火炉炉内结构复杂、制造成本较高、炉内密封性能好，但是装炉量较小，生产效率较低。综合以上三种炉体的优缺点，结合自身的设计、研究，开发出一套新的双台车罩式复合型退火炉。复合型退火炉通过先进的气动布局和热循环交换系统，有效提高了退火炉的密封性能和热交换效率，将炉内各部位温差控制在5以内，较好地保证了退火材料力学性能的均匀稳定性，降低了设备运行能耗。2 设计思路本设备的设计研发分为炉体结构的设计及制造；台车结构的设计及制造；设备自动控制系统的设计及制造。2.1 炉体结构的设计及制造复合型退火炉炉体分为：炉膛、内部循环系统、液压站等。其中炉膛、内部循环系统借助于三维设计软件进行设计，通过模拟对炉膛内气体流动、分布进行分析，提高炉体内部的热传导3效率。运用ansys有限元分析软件4对设备结构强度进行分析，确保在正常装载量前提下，设备机械强度、运行可靠度均能达到设备各类加热参数。1）炉膛：采用钢管、板材焊接结构，炉衬为厚400mm的1250的纤维耐火保温材料，具有重量轻、密封保温性能好、蓄热少的优点；2）炉内循环系统：包括风机、导向分流板、电热元件、保温材料等。炉体顶部配有4套高压大流量热循环轴流风机，定时改变炉内气体流动方向，确保炉内气体以60次/min的速度循环流动，实现空气热量与管棒材的快速传导交换，实现炉内棒材各部位的温度均匀，设备进入保温阶段后，炉内温差小于2。导向分流板采用厚度为2mm的034不锈钢板，按空气流体力学的原理，通过精密计算，设计符合分流导向的要求形状，用数控钣金折边等工艺方法制成，使其强度增加、不易热变形。采用上、下双层结构，实现侧向进、出风，使热风顺利透过管棒各层间隙，提高热交换效率并减小管棒内外层温差。炉内电热元件为ocr25al5的带状体，用高温粘合剂和陶钉固定在纤维材料上，具有牢固、可靠、不易松脱等特点；3）液压站：采用同步控制方式，液压系统同步驱动4个液压缸，液压缸带动炉体上下同步升降，并配有上下导向装置，使炉体上、下升降平稳、安全。2.2 台车结构的设计及制造采用双台车独立移动机构，使台车装料与材料退火的时间重合，提高设备使用效率；台车采用型材焊接而成，配有独立的自行走装置和制动装置，以齿轮齿条传动并结合变频器控制的方式，实现台车双速自行走，即台车快速进出移动和慢速定位；台车内填充保温耐火材料及四周安装软性密封材料，工作时炉体底面和台车平面重合，重合面之间软性密封材料受压密封，能较好地保证罩式炉密封性能。2.3 设备自动控制系统的设计及制造设备分为二区温控，采用计算机智能化自动控制5，采集炉膛各部位温度数据，通过热量输出功率和材料接受热量的逻辑分析，自动控制热量输出功率。当出风口与进风口温差大于10时，计算机控制炉体顶部4套高压大流量热循环轴流风机以2 880r/min的速度高速运行，并以5min为一个节拍进行换向，减小炉膛内各部位的温度差。当出风口与进风口温差在510时，计算机控制炉体顶部4套高压大流量热循环轴流风机以1 440r/min的速度中速运行并以10min为一个节拍进行换向。当出风口与进风口温差在25时，计算机控制炉体顶部4套高压大流量热循环轴流风机以940r/min的速度低速运行并以15min为一个节拍进行换向，使热量输出和材料吸收能量二者之间平衡始终保持较高水平，从而达到节能、高效的目的。工作流程方框图如图1。3 研发过程3.1 前期准备阶段在设计制造复合型退火炉之前，工程技术人员从生产一线了解管棒材去应力退火的各项参数作为设计要求，包括退火温度、退火时间、退火铜棒重量、退火铜棒规格等一系列技术参数。3.2 设计阶段通过计算和查阅机械设计手册6，确定了设备的主机功率、循环风机功率、液压站功率、变频控制、设备外形尺寸、台车行走速度、电热元件、保温材料等一系列的技术参数。在设计中，采用计算机样机虚拟制造技术7，以三维零件模型为基础，进行模拟组装、运行、有限元分析，根据分析结果进行了改进优化，提高了设计合理性及成功率，减少设计错误，缩短设计周期。3.3、 制作实施阶段由于采用了计算机样机虚拟制造技术，在制造过程中，几乎没有遇到因机械结构设计不合理而需变更设计方案的问题。设备设计制作的具体参数如下：系统加热温度低于500、装炉重量单台车20t左右，铜管棒有效装载尺寸为71.11.3m（长宽高）、设备外形尺寸为26m3m4.5m（长宽高）、退火炉炉内各部位温度均匀性2（进入保温阶段后）、设备总功率260kw，台车行走速度分为高速、低速两档，分别为25m/min、10m/min。4 分析改进设备试生产后，对退火炉各项性能进行测试，发现如下几个问题：1）由于炉内导向分流板上的出风口和进风口的孔型以及分布位置不当，致使炉内温度不均匀。经过改进，选用文氏管孔型，增加气体流速，确保循环空气从横挡空隙间以最佳的角度、速度流过，增加热传导效率；2）炉内电热元件的分布位置不当，致使炉内上下温差较大；设计之初，为了增大炉内循环空气的受热面积，将炉内电热元件均匀地分布在退火炉的炉壁两侧，风机启动后炉内空气高速循环，将热量直接传导给铜管棒，达到去应力退火的目的。但是，在设备试生产时发现，由于空气经过炉体上下各部位的电热元件加热长度不同，炉体上部铜棒由于电热元件少、加热长度短，造成循环空气温度低；炉体下部铜棒由于电热元件多，加热长度长，空气温度高，这就造成炉体上下两端的温度差较大，最大温差可达20左右。分析原因后，对炉内电热元件分布进行改进，将电热元件均匀地分别在炉体上端及左侧少许部位，保证通过炉体上下各部位空气的温度一致，有效地消除了炉内各部位温差过大的问题。炉内电热元件分布、空气循环示意图分别如图2、图3。在设备调试运行时，通过测温仪表对炉内9个测温点的温度变化数据进行收集，具体如图4所示：从图4可以看出，处于升温阶段时（0h1.5h），各点的升温幅度各不相同，靠近电热元件的测温点温度上升幅度较快。处于保温阶段后（1.5h5h），炉内各点温度趋于一致，各点温差小于5。实际生产中，以c3771、hpb591牌号的铜棒为例，各选取10个样本进行分析，具体数据如表1。通过上表可以看出：炉内温度差分别为5、20时，材料的抗拉强度、延伸率、硬度的分布区域都有较大的不同。温度差较小时（5）各力学性能参数的离散性较温度差较大时（20）各力学性能参数的离散性小，即材料的力学性能更加均匀；3）台车内填充保温耐火材料及四周安装软性密封材料，工作时炉体底面和台车平面重合，重合面之间软性密封材料受压密封，能较好地保证退火炉密封性良好。但是，长时间工作后，由于员工踩踏或者密封材料缺损，致使退火炉密封性能下降。改进后，将原先填充在台车上的保温材料安装于炉体上，避免了密封材料缺损情况的发生。5 结论1）通过气体流动布局的合理优化、炉膛温度计算机智能化自动控制，较好地实现了炉内温度均匀，各部位温差控制在5以内，材料退火后力学性能均匀；2）新退火炉由于炉体密封性能良好，能耗较老式退火炉下降22.2%，退火炉电热转换效率73%以上，处于行业中上水平；3）该退火炉除铜棒装炉外，其余动作均自动完成，提高劳动生产率20%以上；4）该设备是一种新开发的类型设备，该棒材双台车罩式复合型退火炉已经获得国家发明专利（发明名称：复合型退火炉；专利号：zl200810120908.0）。参考文献1崔艳.国内棒材生产线生产工艺及设备综述j.重型机械科技，2004.2王福军.计算流体动力学分析m.北京：清华大学出版社，2004.3柴诚敬，张国