ZC30B真空加热炉维修与技术改进分析

蒋小军 李海滨

（中国工程物理研究院电子工程研究所，四川 绵阳621000）

1 设备简介及故障现象

该设备为ZC30B－13型卧式双室热处理炉（图1），额定功率为30kW，最高使用温度可达1 320 ℃，控制柜面板如图2所示。

图1 ZC30B－13型卧式双室热处理炉

图2 控制柜面板

故障现象如下：

（1）加热时电极的导线发热异常，温度太高。

（2）温度控制误差较大，温控不精确，保温时检测到的实际温度高于设定温度7～8 ℃。

（3）保温期间电流表满偏，设备配置的电流表量程为800A，故障出现后，电流表的指针已远超电流表的额定刻度值，无法准确显示此时主回路中的工作电流。

2 故障分析及处理方法

针对上述第一个故障现象，我们从该设备发热体的特殊性判断出应该是发热体连接不紧密，也就是所谓的接触不良，然后又有短路现象所致。该设备的加热室由石墨毡制成隔热层，固定在金属框笼上，放在炉体中间作为炉膛，石墨布固定在一对石墨汇流环上作加热体，环上引出两只钼棒作为电极，它们穿过炉膛的绝热层插入到水冷金属电极中，金属电极再穿过容器的最外层，其末端与外电路连接。加热体的负载为石墨布，因为石墨布导电性非常好，如果采用其他加热元件，如炉丝或加热棒，在一千多度的高温下早已熔化，而且温升较慢。以上这些部件如果破坏或松动，都将造成工作异常现象。

打开炉膛后，发现两只汇流环都有不同程度的破损，尤其是前汇流环，两只立柱与上环架和下环架的连接是线和点连接，钼螺钉也已熔化了一半，再测加热体与外壳的绝缘电阻，只有70Ω，已属短路，上述这些现象，必将引起炉体电流异常。在寻找短路点时，发现了以前从未见过的现象，炉体上大部分用于绝缘的瓷套管已被石墨的粉尘渗入，这样瓷管就变成了导体，在没有替代品的情况下，我们用砂纸将瓷套两个截面清理干净，这样就可以使接触于金属的端面恢复到绝缘状态。

对于第二个故障现象，控温精度受多种因素影响，如铂电阻、控制加热体的导电执行元件、温控仪以及真空度。对于这台设备，以前我们维修的内容基本上是一些继电器、加热体等硬件或强电线路，这次出现的故障比以往复杂，须逐一排查每一部件，这台设备的控温线路在多年前已被改造过，改造后的电气原理图也没有，无技术资料可查，于是尝试着画出它的主电路图。这台设备最初是利用两种控温仪表构成两套独立的温控系统，改造后，利用一块较为先进的温控仪表FP21和设备原配的TG－1型可控制硅功率调节器组成了现用的温控系统。

此时的控温情况为：（1）当设定温度为200～250 ℃时，系统能在设定的时间内加热到设定温度，在保温期间，精度可达±1 ℃，而且保温期间的功率输出基本符合FP21 型仪表经内部计算所显示的功率大小，这可在电流表的指针指示体现出来。（2）当温度设定为400～450 ℃时，系统能在设定的时间内达到设定温度，但精度误差为2～3 ℃。（3）当设定温度为600～650 ℃时，误差为4～5 ℃。（4）当设定温度为800～1 100 ℃时，误差为7～8 ℃。以上这些现象有一个规律：温度越高，误差越大，而且保温时的功率输出显示与电流表指示值不相符，表现为FP21 显示输出功率为11%～12%时，电流表指示针在700～800A 范围内波动，使得控温不精确。

我们对能造成这种现象的相关器件做了逐一排查，采用新标检的铂电阻，更换可控硅，最后对TG－1控制仪表内部的相关器件进行更换，发现问题依然存在。在这种情况下，必须要对整个线路及控制原理进行清晰的分析，于是画出仪表内部及外部连接的部分原理图。对于这个电路，笔者分析两只可控硅反向并联，就构成了一个交流调压电路，根据发热体对电压的要求，用两组独立的触发脉冲信号G1和g去控制交流电压正负两半波的相位进行交流调压，实现功率调节。在这个电路中，380V 交流电压经变压器变压后输出40V 交流电压，变压器容量为50kVA，两只反向并联的可控硅与加热体串联后接在变压器次级。可控硅控制角的大小决定了导通角的大小，控制角越小，导通角越大，则输出的平均电压值就越大；反之，控制角越大，导通角就越小，输出的平均电压值就越小。在加热体功率确定的情况下，也就是该加热体的材料为石墨布，它的额定功率为30kW，改变电压的大小，也就改变了电流大小。这些过程的变化都取决于FP21 和TG－1 两块仪表的输出指令及变化的信号，采用两只可控硅反向并联，是为了获得电源在负半周时的电压，提高电源的利用率。并联在可控硅两端的电阻和电容起保护作用，在可控硅一端出现过电压时，电容就被充电，当可控硅被导通后。电容就通过可控硅放电，为防止过大的电容放电电流通过可控硅，串联了电阻进行限流，这也是在其他很多电子线路中常见的阻容吸收电路。为了理解两块仪表的配合使用和内部向外输出的信号，笔者拆检了TG－1周波控制器，试着画出了局部的器件连接图，这部分是触发可控硅的主要电路。

至于第三个问题，也就是电流表满偏，是石墨布的功率变大所致，以前的石墨布功率较小，现购的石墨布功率较大，如果以本设备额定功率30kW 来计算，石墨布的阻值应为P＝U2/R，即R＝362/30 000＝0.043 2Ω，经过实验，利用5根窄石墨布便可达到23kW，这已能完全满足工作需要，在满功率工作时，工作电流已被控制在700A范围内。

3 难点及技术改进

3.1 难点

该设备加热体所有部件均为石墨材料，在操作过程中必须用手去紧固，如果利用工具，则会导致石墨螺杆及汇流环断裂。

3.2 技术改进

（1）该设备多年前曾被改造过，原设计的温控系统线路未被解除（因控制方式不一样，现已不用）。将这套线路从现用的系统中剥离出去，解除相互联系的各接点，简化了线路和易发生故障的分支线路，可为日后的维修减少排查线路故障的时间。

（2）利用钼丝替代原用的石墨绳缝合炉腔的石墨毡，起到了既耐高温又不易断裂的作用。

（3）反复试验，将功率控制在23kW 之内，既保证了工作使用要求，又减少了石墨布与汇流环之间的隐性故障。

（4）提高了汇流环的整体紧密度和机构强度。

（5）对电极输出端改用多股焊靶线进行连接，消除了高温时电极易松动过热的现象。

4 结语

以上为ZC30B真空加热炉维修心得，希望能为同类设备维修与改造提供参考。

［1］张兴.电力电子技术［M］.北京：科学出版社，2010.

［2］乐建波.温度控制系统——自动控制专业项目教学教程之四［M］.北京：化学工业出版社，2007.