台车式电阻加热退火炉的研究

魏 佳，张晓冬，刘玲玲

（1. 机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007；2. 郑州成功财经学院，河南郑州 451200；3. 郑州财经学院，河南郑州 450044）

台车式电阻加热退火炉的研究

魏 佳1，张晓冬2，刘玲玲3

（1. 机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007；2. 郑州成功财经学院，河南郑州 451200；3. 郑州财经学院，河南郑州 450044）

针对铸钢件退火热处理的工艺特点，设计了一种台车式电阻热处理炉，介绍了这种工业炉的机械结构和电控系统，并通过制定多项技术措施，提高了热处理炉的热效率和炉温均匀性，对提高生产效率和节能环保有一定的推广价值。

台车式电阻加热；退火炉；热处理炉；电控系统

0　引言

锻铸件热处理常用的工业炉有罩式炉、井式炉和台车式炉等，其中罩式炉和井式炉多为小型炉，便于密封和采用氮气保护防氧化。大型铸件的热处理操作要求炉腔体积较大的台车炉，但传统结构的台车炉体积大不易密封[1]，热处理炉的热效率和炉温热均匀性均受到一定的影响，也不利于节能环保。为此本文研究了一种台车式电阻加热热处理炉，通过改善电加热布置和密封系统提高系统的生产效率和节能环保，该台车炉炉膛尺寸7 000×5 000×3 000(mm)，最高使用温度950 ℃，控温区间达12个，控温方式采用智能微电脑可控硅模块移相触发和PID控制，控温精度±1 ℃，满载荷100 t时的升温速度为常温～900 ℃≤10 h。

1　方案综述

电阻炉主要由炉体（炉子骨架和内衬）、台车及台车驱动机构、炉门及炉门升降机构、密封装置、电加热装置、压缩空气系统、电气控制系统等组成。

炉体内衬采用硅酸铝耐火纤维结构，重量轻，蓄热少，节约能源，使用寿命长；台车采用自行走车轮式结构，行走稳定可靠；台车、炉门密封采用气动和弹簧压紧方式；配置工控机和触摸屏监控系统，对电阻炉的炉温等参数、加热状态进行实时采集和监控；炉温采用智能温控仪表控制，控制精度高。

2　结构设计

2.1炉体和衬体部分

炉体由钢骨架和内衬两部分组成, 钢骨架采用型钢及钢板焊接而成, 整体具有足够的强度和刚度，使用中不产生歪斜、扭曲变形。重要受力对接采用双面焊接工艺。炉体结构设计合理，制造安装精良，炉体外壁温升不大于30 ℃。在炉体后墙上设有2处观察孔，以便操作人员观察炉内状况。

内衬采用轻质耐火材料，具有重量轻、蓄热量小、保温性能好，施工快捷、升温速度快、使用寿命长等特点。内衬由平铺层和折叠块层组成，内衬用耐热钢锚固件固定在炉子骨架钢板上。内衬共4面墙，包括后墙、炉顶和2侧墙。炉顶内衬总厚度320 mm，侧墙及后墙内衬总厚度320 mm。平铺层均为50 mm厚，炉顶折叠块层厚度270 mm，侧墙和后墙折叠块层厚度270 mm，折叠块尺寸为300×300×230/270（mm）。平铺层采用普通硅酸铝耐火纤维毯，折叠块层采用高纯硅酸铝耐火纤维针刺毯。

2.2台车部分

台车及驱动机构由车轮式台车、自行走驱动装置等部分组成。台车既是承载工件的平台，又要具有移动性、耐高温性。

台车由钢车架、行走机构、驱动机构、耐热内衬等组成。为确保台车运行可靠、长期高温不变形，台车钢车架是关键问题，必须保证台车钢车架的强度和刚度。

钢车架由两层组成，上层骨架采用型钢和钢板焊接成板状物，下层骨架用大规格型钢焊接成纵梁结构。

行走装置包括主动车轮和被动车轮，均固定在纵梁上。主动车轮、从动车轮采用ZG50MnMo材料，硬度不少于HRC50，均匀安装在台车两侧。每侧的主动车轮通过链条相连，并与位于台车前部的减速机相连，均具有足够的硬度和耐磨性。

2.3驱动装置

驱动机构由摆线针轮减速机、链条、链轮，台车式电阻炉采用1台减速机驱动，减速机安装在车架前部。减速机通过链条、链轮驱动主动车轮。驱动机构启动可靠，运行平稳，无卡滞、振动、冲击、异声等现象。台车行走轨道的两端部装有机械挡块，防止台车跑出轨道，轨道采用38 kg重轨。

台车布置炉丝加热元件，布置防护及隔离的耐热钢板垫铁，厚度大于35 mm，材质为ZG35Cr25Ni20系耐热钢，长期使用耐热温度不小于1 000 ℃。独特设计双层复合垫铁，上层为1Cr18Ni9Ti型钢承载架，中间为硅酸铝绳，下层为耐热钢炉底板，使工件质量均布，减少装卸工件冲击，提高炉底寿命。

2.4炉门及其升降系统

炉门及其升降机构由炉门、炉门架、升降机构等部分组成。炉门钢骨架采用型钢及钢板焊接而成，钢板厚度6 mm，型钢和钢板材料采用国内优质碳素钢，重要受力对接采用双面焊接工艺，并按规定进行检查，炉门壁面平整。炉门内衬与炉体侧墙一样，采用轻质耐火材料。具有重量轻、蓄热量小、保温性能好，施工快捷、使用寿命长等特点。内衬由平铺层和折叠块层组成，内衬用耐热钢锚固件固定在炉门骨架钢板上。炉门内衬总厚度280 mm，平铺层为厚度50 mm，叠块层厚度230 mm，折叠块尺寸为300×300×230（mm）。平铺层采用普通硅酸铝耐火纤维毯，折叠块层采用高纯耐火纤维针刺毯。折叠块压缩后容重达到230 kg/m3。炉门架由立柱和横梁组成，立柱和横梁均采用型钢、钢板焊接组合而成。立柱与炉体骨架进行连接，大大增强了炉门立柱强度和刚度。

炉门升降机构有驱动装置、链轮、链条、配重、导向装置等组成。炉门驱动装置采用减速机，升降速度约为8 m/min。炉门上升和下降极限位置均设有机械限位和电气限位，上限位电气限位采用双限位，以保证炉门升降安全。炉门上装有4个导向轮，立柱上装有2个导向槽，炉门在导向槽内上下移动，减少炉门摇摆。

2.5密封装置

炉子密封状况的好坏是十分重要的，这是保证炉温均匀性、减少能耗、保证设备安全等的重要组成部分。如果炉子密封不好，一方面会使炉外冷空气从炉子密封不严密处进入炉内，使炉内温度均匀性大大变坏，还会使燃料消耗量增多；同时另一方面炉内高温炉气从炉子缝隙处外逸，甚至可能烧坏某些部件，可能使炉子部件如炉门钢骨架、炉体骨架、台车钢骨架局部受热严重，增大骨架等变形量，这种不利因素如果不及时解决，会进一步恶化炉子的密封效果，炉子的密封状况会变得越来越差，直至造成炉子无法工作。

为此本炉采取了有效可靠的密封措施，分述如下。

密封装置由三部分组成：后密封、侧密封、炉门密封。这三部分的密封方法经过多年数台炉子的实际使用，效果很好。

炉门与炉体前端部及炉门与台车前端部都留有间隙，此间隙必须进行密封，此处密封即为炉门密封。炉门与炉体前端部密封采用压紧方式进行密封，炉门两侧各安装2个气缸实现炉门压紧功能。炉门与台车前端部炉门是台车式炉最容易忽视的部位，本文在此处采用弹簧密封的方案很好地解决了这一问题，结构简单，密封可靠。

2.6电加热装置

台车式热处理炉加热元件采用OCr21Al6Nb材质的电阻带，电热体采用每区“星”形联接法，以增大炉膛内加热面积。引出棒为直径≥Ø12 mm，OCr25AL5材质钢棒。在炉体的顶部每个加热区各设有0～1 100 ℃“K”型热电偶，分别提供温度信号和温度记录信号，控温热电偶与电控柜上的温控仪表一起完成炉温控制调节和超温报警[2-4]。

3　控制系统设计

电阻炉设有电气控制系统，包括工控机、控制柜、现场控制箱、各种传感器等。控制柜内安有空气开关、交流接触器、PLC、变频器、继电器等各种电气元件，控制柜面板装有各种控制仪表、按钮、开关、指示灯等；现场控制箱面板装有按钮、指示灯，箱内装有电气控制器等元件。控制内容包括动力控制、加热控制、炉温控制等。

采用PLC控制技术，实现与工控机、仪表的通信。通过西门子可编程序PLC控制器（S7-200）实现对加热系统、压缩空气系统、台车进出炉、炉门升降、密封装置的自动联锁控制，并具备完善的自诊断、自巡检功能，可以对各层设备运行状态进行识别，并通过上位工控机进行显示。通过集中控制系统，利用工控机实现工艺数据的输入输出、存储，设备运行信息管理、故障诊断，工控机显示界面设有色彩美观的系统全貌、参数设置、参数显示、设定曲线、过程曲线、过程模拟、报警界面及报表定时打印和帮助工作界面[5]。

4　结束语

研究实践表明，该台车式电阻加热退火炉节能效果达到国内先进水平，单位耗能达到国家一等炉标准。电阻炉实际运行炉温曲线如图1所示。炉体内衬采用了全耐火纤维结构，重量轻、蓄能少。采用了可靠密封装置，减少或避免了冷风吸入量，同时提高了电阻炉和热效率和炉温均匀性，节能效果明显，有一定的推广价值。

图1　电阻炉实际运行炉温温度曲线

［1］ 王秉铨.工业炉设计手册（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］ 郭洁，黄学武,等.基于CAN-bus的分布式电阻炉智能温控系统的设计［J］.仪表技术与传感器，2010（4 ）:59-61.

［3］ 高金凤，王清辉，谷利飞，等.基于AVR单片机的热处理电阻炉智能温控系统设计［J］.热处理技术与装备，2010，31（6）: 47-50.

［4］ 唐来光，邵卫宏.热处理炉新型温控方式的研制［J］.工业加热1999,（6）:40-41.

［5］ 柳海涛，李保强，魏佳. 基于WinCC用户归档的工业炉数据管理系统［J］. 中国铸造装备与技术，2012（5）:34-36.

［6］ 申国强,康新亚,黄力生. 15t台车式机械燃煤铸钢件退火炉的设计与应用［J］. 中国铸造装备与技术,1998（2）:43-45.

The research of Car-type annealing furnace with electric resistance

WEI Jia1,ZHANG XiaoDong2,LIU LingLing3
(1. SIPPR Engineering Group Co., Ltd, Zhengzhou 450007, Henan,China; 2. Zhengzhou Chenggong University of Finance and Economics, Zhengzhou 451200,Henan, China 3. Zhengzhou Institute of Finance and Economics, Zhengzhou 450044, Henan,China)

According to the characteristics of the steel annealing heat treatment process, design a kind of car type resistance furnace, heat treatment were introduced the mechanical structure and electric control system of the industrial furnace， and formulates a number of technical measures to improve the thermal effciency of heat treatment furnace and furnace temperature uniformity， to improve the production effciency， energy conservation and environmental protection has certain promotion value.

Car-type resistance heating; Annealing furnace; Heat treatment furnace; Electric control system

TG155；

A；

1006-9658（2015）06-0054-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.015

2015-07-01

稿件编号:1507-984

魏佳（1979—） 男，工程师,主要研究方向为自动化控制、智能控制系统和人机组态界面等.