真空压力浸渍炉技术方案

1、真空压力浸渍炉技术方案单位：技术部编制：刘可启审核：罗 俊2013年1月目录1设备用途12现有设备优缺点及解决方案13设备主要技术参数24设备主要组成及原理24.1主机34.2气体系统34.3 真空系统34.4 冷却系统34.5 液压驱动系统34.6 电气系统34.7电加热系统44.8 平台45设备主要工作流程46设计开发可行性分析46.1 设计资质的获取46.2 制造资质的获取57设计开发流程及时间节点88设计开发人员分工89问题的解决9真空压力浸渍炉技术方案真空压力浸渍炉技术方案1设备用途真空压力浸渍炉是为了适应纤维增强和颗粒增强复合材料的生产而研制的一种专用设备，用于金属基复合材料的研究

2、和生产。现我公司主要利用其进行铝基碳化硅基板的试验和制备。2现有设备优缺点及解决方案经过一段时间的跟踪和现场了解，以及与操作者交谈，发现现有设备基本满足铝基碳化硅基板的试验和制备要求，但产能不足，有如下优缺点：2.1优点：结构紧凑、操作方便、安全可靠、工艺参数可调并数字显示。2.2 缺点：2.2.1坩埚偏小，盛装铝容量受限，生产率不高，产能低；2.2.2送气装置为气瓶，压力下降快。2.2.3所配增压气泵效率低，达不到铝碳化硅产品工艺要求，目前已改造用来灌装集中余气。2.2.4 保养维护较困难，必须要全部拆开才能进行。2.2.5 取料时炉壁余温高，有烫伤危险，可否设计坩埚自动升顶。2.2.6 热

3、电偶无法直接检测其温度是否准确，必须拆开后检测。2.2.7加压气体为液氮，导致加压时冷却速度太快，导致铝液过早凝固，影响产品性能。2.3解决方案针对上述优缺点，我们经过内部讨论和研究，认为我们新设计的真空压力浸渍炉一定要紧紧围绕铝碳化硅基板制备的工艺要求进行设计，发扬和继承现有设备的优点，解决现有设备存在的不足和缺点，方能比现有设备的性能有所提高，更适应铝碳化硅基板的生产。经过分析讨论，有如下解决方案：2.3.1 加大容器容积以解决坩埚太小的问题；2.3.2 送气装置管路上加装集中式阀门和压力表，集中供气；2.3.3 采用大功率增压泵的提高增压效率；2.3.4 在供气管路上设计加热装置，为气体

4、加热，降低冷却速度，延长铝液凝固时间。2.3.5 其余缺点暂无有效的解决方案，留待后续改进。 3设备主要技术参数根据上述指导思想，我们确定了真空压力浸渍炉需要达到的主要技术参数，并与现有设备对比如下：表1 主要技术参数对比表序号主要技术参数现有设备新设计1最高工作压力（MPa）12122熔化室最高工作温度（）100010003浸渍室最高工作温度（）100010004熔化室尺寸（mm）2503004003005浸渍室尺寸（mm）2504004004006极限真空度（Pa）10107工作介质纯度（氮气、氩气）99.999%99.999%8控温精度（）559升温时间（h）2210加料方式上装料上装料

5、11整机重量(吨)5.51012冷却水流量（m3/h）8.51013整机安装面积（m2）2540供电电源：AC380V，50HZ，三相五线制，240KW；4设备主要组成及原理设备主要由主机、气体系统、真空系统、水冷系统、液压驱动系统、电气系统、电加热系统、平台等组成。主机示意图如下：图1 设备主机示意图4.1主机主机是设备的主体，由缸体、上下塞组件、上下卡套、缸盖操纵器、升降气缸、上下隔热屏、上下发热体、热电偶、炉座等组成。上下塞与芯筒之间由卡套连接，承受轴向载荷。4.2气体系统气体系统作用是向缸体内提供气体；实现向缸体内运气、洗炉、加压、保压等功能。气体系统由高压、低压两部分组成。高压为工作

6、介质部分，由气瓶、气动阀件、安全阀、高压管路、压力传感器、隔膜式压缩机等组成，用于压力浸渍。高压部分设有压力数字显示、压力指针显示两种方式和超压报警、超压自动卸压及爆破阀超压爆破卸压功能，以实现压力的自动控制和设备的安全保护。低压为控制气路部分，有气源、减压阀、电磁阀组、气缸等组成，用于实现自动卸荷、坩锅升降等功能。4.3 真空系统真空系统由真空泵、罗茨泵、真空管路、真空阀、真空特规管等组成。真空系统的作用是在加热前或加热过程中对加热炉进行抽真空，以实现炉内清洗和真空熔化、真空冶炼等目的。4.4 冷却系统冷却系统由进水阀、流量监控器、温度传感器、连接水管、水箱组成，用于对缸体、上塞、下塞、电极

7、、汽缸、隔膜式压缩机等部位进行冷却。电加热前冷却水总流量必须在规定范围内，否则设备将报警并不能正常工作。冷却水压应在0.20.4Mpa范围内。冷却水从总进水口进入，经总进水阀、流量监控器、连接管路，进入各冷却部位后，再经出水阀、出水管汇入水箱内排出。在冷却部位的出水口端装有温度传感器用于监测出水口的水温。当总进水流量不足或各重要部位的冷却水温度超过上限（40）时，设备自动声光报警；温度超过极限（45）时设备自动声光报警并自动停止炉内电加热。4.5 液压驱动系统液压驱动系统由液压站和管路等组成。液压站的主要功能是实现上塞的自动提升、转位、下降等辅助动作设置的。4.6 电气系统电气系统采用西门子S

8、7系列可编程控制器（简称PLC）实现温度、压力的过程控制和逻辑控制，OP77B操作员面板实现温度、压力、报警等过程显示和温度-时间曲线的参数设定。4.6.1 电气系统组成电气系统由以下几部分组成：电源柜、控制柜、分线盒、外部传感器。电源柜主要是电源控制部分、各电机主控元件的装配柜。控制柜主要装有PLC控制系统、按钮、旋钮、指示灯、OP77B操作员面板、记录仪、真空计及加热系统主控元件。分线盒作用是连接执行元件和外部传感器元件。主要有液压站分线盒、真空系统分线盒和热电偶分线盒三个分线盒。外部传感器分别安装在不同的部件上，用来测试设备工作情况和准确位置。主要有如下三种传感器：A.热电偶：检测设备炉

9、内温度的传感器。B.压力传感器：是缸内压力显示、控制的主要元件。C.行程开关：检测机械动作形成是否到位的元件，发讯须及时正确。4.7电加热系统电加热系统由两台变压器、安全围栏、铜排和电缆等组成，主要功能是向主机的上下室的发热体输入大功率电流。4.8 平台操作平台，为操作者提供方便的操作空间。5设备主要工作流程根据铝碳化硅基板制备工艺，目前设备主要工作流程如下：开机检查（水、电、气）-拔出卡销、旋转卡套松开-上塞提升、插入卡销-洗炉-抽真空-加热-停热-取上、中隔热垫-（坩埚上升）-装铝-（坩埚下降）-放中隔热垫-放模具-放上隔热垫-绝缘检查-上塞下降-旋转卡套锁紧-坩埚上升-加压-保压-卸压-

10、出炉-停机（关气、电、水） 设备需要具备的保护功能如下： 超压保护，冷却水温度、流量保护，炉温保护，行程保护，控制气源压力保护，短路保护，失电保护。6设计开发可行性分析真空压力浸渍炉属高温压力容器，其设计、制造均需具备相关资质，需向国家质量监督检验检疫总局申请中华人民共和国特种设备设计许可证和中华人民共和国特种设备制造许可证，根据相关法律法规要求，真空压力浸渍炉属于第二类压力容器，必须要取得C级压力容器设计许可证和A2级压力容器制造许可证。6.1 设计资质的获取6.1.1 C级压力容器设计许可证的办理需向国家质检总局递交申请。6.1.2 C级设计单位必须具备以下条件（仅列不满足项）：6.1.2

11、.1有健全的质量保证体系和程序性文件及其设计技术规定；6.1.2.2有与设计范围相适应的法规、安全技术规范、标准；6.1.2.3 C级压力容器设计单位专职设计人员总数一般不少于10名，设计审批人员不少于2名。6.1.2.4相应审批、审核人员必须经压力容器设计审批人员专业考核合格并取得相关证书。6.2 制造资质的获取6.2.1 A2级压力容器制造许可证的办理需向国家质检总局递交申请。6.2.2 A2制造单位必须具备以下条件（仅列不满足项）：6.2.2.1 有与所制造产品相适应的耐压试验和气密试验专用场地；6.2.2.2 有满足检验与试验设备和器材存放要求的专用场所，制造单位自行进行无损检测的，应

12、当具有与所制造产品相适应的检测场所、射线底片冲洗与评定专用场所；6.2.2.3制造单位应当有满足压力容器产品制造各方面的人员，并且与其签订劳动合同，经过专门的岗位培训与考核。6.2.2.4制造单位应当有满足压力容器产品制造要求的具备相关专业知识、有一定工作经历和能力的下列质量保证体系责任人员：(一)质量保证工程师；(二)设计、工艺及标准化责任人；(三)材料和热处理责任人；(四)焊接责任人；(五)无损检测和理化检验责任人；(六)产品检验责任人；(七)设备和计量责任人。质量保证工程师应当有从事压力容器制造检验或者质量管理五年以上的工作经历，其他责任人应当有从事所负责专业三年以上的工作经历，并且至少

13、具有表2所列理工科相关专业的学历或者技术职称，A1、A3和C级制造单位的质量保证工程师、设计和焊接责任人应当同时具有本科及以上学历和工程师及以上的技术职称，无损检测责任人还应当满足至少具有RT和UT中级人员各3人项，无损检测责任人员具有RT或者UT中级资格的要求。根据压力容器产品生产的需要，一个责任人岗位可以由两个及以上的人员担任，但应当明确每个人的职责；必要时，一个人员也可以兼任两个责任人岗位。各责任人应当熟悉任职岗位的工作任务和要求，经过专门的培训与考核，能够履行岗位职责，工作表现和结果符合有关法规标准和制造单位质量体系文件规定的要求。表2 质量保证体系责任人员学历与技术职称责任人A、B、

14、C级D级学历技术职称学历技术职称质量保证工程师本科工程师本科工程师设计、工艺及标准化本科工程师大专工程师材料和热处理本科助理工程师大专助理工程师焊接本科工程师大专助理工程师无损检测和理化检验大专助理工程师大专助理工程师产品检验大专助理工程师大专助理工程师设备和计量大专助理工程师中专助理工程师6.2.2.5制造单位应当具有满足压力容器产品制造需要的理工科大专以上学历或者助理工程师以上职称或者高级技师的专业技术人员。各级别制造单位技术人员与从事压力容器制造的职工比例和数量应当满足表3的要求。表3 专业技术人员比例与数量制造许可证级别技术人员比例技术人员人数A1、A2、A3、C、B110%6A4、A

15、5、B2、B35%5D2不要求5D1不要求36.2.2.6各级别制造单位中，制造焊接压力容器的制造单位，应当具有满足制造需要的，并且具备相应资格条件的持证焊工。焊工人数和持证项目应当满足以下要求：A1级、A2级、A3级和C级许可制造单位，具有不少于10名持证焊工，并且具备至少4项合格项目；6.2.3 A2级压力容器制造单位，应当具有额定能力不小于30mm的卷板机和起重能力不小于20t的起重机。6.2.4制造单位应当具有满足压力容器产品制造需要的几何尺寸检查与测量工具、无损检测设备、理化检验设备、耐压试验设备、泄漏检测设备、计量与校准设备等。规定不能分包的检验和试验项目，必须有相应的检验与试验仪

16、器、设备。6.2.5制造单位应当具有满足压力容器产品制造需要的有效版本的安全技术规范、标准等文件资料。6.2.6申请许可的制造单位应当按照特种设备制造、安装、改造、维修许可鉴定评审细则（TSG Z0005）规定的数量，准备压力容器试制产品，其中试制成品用于全面验证制造单位各方面的能力和质量体系的实施情况，应当达到可以进行耐压试验的状态；试制在制品用于验证制造单位对压力容器制造过程的控制，应当至少完成1条焊缝的焊接和无损检测。试制品的设计参数和制造工艺应当充分覆盖申请产品范围的制造能力和建立的质量体系文件的内容，试制品所使用的材料应当为制造单位主要生产产品使用的制造难度较大级别的材料，制造工艺必

17、须包括焊接（粘接）、无损检测、热处理、理化试验、耐压试验和气密试验过程；否则需对制造许可范围进行限定。如果1台试制成品和1台在制品不能完全包括必须的制造工艺，可以通过增加试制产品来达到对所有制造工艺的覆盖。对于申请A1、A2、D1和D2许可的制造单位，其试制成品的设计压力、焊接和热处理还应当满足表4的要求：表4 申请A1、A2、D1和D2许可的试制成品的要求级别设计压力P焊接热处理A1超高压P100MPa不要求要求A1高压100MPaP10MPa必须有GB150钢制压力容器规定的A、B、C、D四类焊缝A210MPaP2.5MPaD210MPaP1.6MPa不要求D11.6MPaP0.1MPa对

18、于有型式试验要求的产品，应当首先进行型式试验，取得产品型式试验合格报告。6.3 不考虑许可证因素，真空压力浸渍炉的主机结构部分、液压站、液压管路和气压管路、操作平台我公司具备生产能力，电气系统需外协设计和加工，液压油缸、真空泵、罗茨泵、变压器需外购。6.4 真空压力浸渍炉的电气系统部分我公司研发能力不足，验证和验收能力也有限。6.5 真空压力浸渍炉的现场安装我公司有一定经验，但调试经验不丰富。6.6 由于真空压力浸渍炉属于特种设备，我公司从来没有设计过该类型产品，故在设计过程中可能会遇到不少困难和问题，初步估计如下：6.6.1热电偶的分布和布局不合理，造成加热效果不理想。6.6.2气路设计无经

19、验，密封处考虑不周，泄漏。6.6.3缺少相关专业人才，如电气，检验等，产品质量验证不充分。6.6.4人手不足，造成设计周期延误。6.6.5冷却系统设计无经验，冷却效果不佳。6.6.6产品关键点把握不对，造成产品性能不佳。6.6.7下端盖管路、孔洞布局难度大。6.6.8相关外购阀件，标准件技术指标确定不准确，验证验收手段缺乏。综上所述，我公司初步具备设计开发和验证真空压力浸渍炉结构部分的能力，但电气系统的开发能力和验证能力有限，气路和冷却系统设计的经验也不足。因真空压力浸渍炉属于特种设备，必须申请相关设计和制造的资质方能进行设计和生产，目前我公司不具备设计和制造的许可条件。为取得设计资格，我公司

20、须加强人才引进和培养并取得相关证书和资质（相应专职技术人员需在10人以上，其中取得相应资格证书的审批人员不少于2名），建立健全压力容器相关管理制度和质量保证体系文件；也可依托民品研发中心的人力资源优势合作取得相关设计资格。为取得制造资格，我公司无损检测、热处理、理化检验和筒体制造工作可以委托具备相应资格或者能力的单位承担，但产品的总体组装、焊（粘）接、耐压试验、检验等制造过程必须自己承担。为此，需先寻找合格的委托单位，并招收8名以上持证焊工，且其中主要负责人须为本科以上学历并取得工程师技术职称，检验计量人员的技术职称水平也得是助理工程师以上；此外还得购买相应的耐压试验设备、泄漏检测设备、计量与

21、校准设备等。 7设计开发流程及时间节点一旦取得设计和制造资格，根据产品特点和公司设计开发体系文件要求，以及现有人员情况，对设计开发流程和时间做如下安排：表5 设计开发流程表阶段划分阶段名称时间成果形式第一阶段测绘实物20天形成在用真空炉所有测绘件的基本数据库第二阶段设计方案20天出新产品设计方案并评审第三阶段设计出图60天按设计方案绘制设计图纸，编制设计文件并评审第四阶段工艺编制30天根据评审通过的设计文件编制相应工艺文件，应有工艺总方案并评审第五阶段样机生产90天生产出样机并调试合格第六阶段产品总结15天根据调试情况完成新产品总结报告并评审8设计开发人员分工根据产品结构特点和开发要求，需成立研发项目组，具体人员和分工如下：表6 设计开发人员分工表序号人员职称/职务分工1罗俊高级工程师项目负责人，负责项目总体设计方案的提出和项目所有设计文