电磁平板一体式加热炉的研制及应用测试

蔡天羽

（河南师范大学,河南新乡453007）

电磁平板一体式加热炉的研制及应用测试

蔡天羽

（河南师范大学,河南新乡453007）

利用电磁加热速度快,平板加热控温精度高的优点,设计了一种电磁平板一体式加热炉.利用LM339电压比较器比较放大的测温信号和参考信号实现了电磁加热和平板加热之间的转换.大功率的电磁加热保证了加热炉的快速升温,采用高导热的石墨片提高了表面的温度均匀性,利用镶嵌在石墨片表面的高精度热电偶以及PID控制器实现了表面的高精度控温,通过循环利用电磁线圈的风冷装置实现了炉体加热环境的稳定性控制.升温测试和纯钛表面热氧化实验证明,该加热炉升温速度快、温度均匀性好、控温精度高,能够为材料表面改性方面的研究提供帮助.

电磁加热；平板加热；加热速度；控温精度

随着科学技术对材料性能要求的不断提高,材料的表面改性已成为研究的热点.现有的表面改性技术有喷涂、镀膜、阳极氧化、渗氮、热氧化等.其中热氧化是目前最为简单、操作方便、成本最低的一种改性方法[1-3].热氧化以及热处理相关的表面改性技术对材料受热的均匀性、加热的速度、控温的精度都有很高的要求.对于固体材料的热处理一般采用平板加热,因为平板加热的温度均匀性和控温精度相对较高[4-5],然而现有的平板加热的速度较慢,严重影响了材料热处理的精度,同时也因加热时间长而影响了试验进度.电磁加热速度快,但一般通过控制功率进行控温,控制精度不高[6-7].

针对上述加热方式的局限性,结合电磁加热速度快、平板加热控温精度高的优点,本文利用PID高精度控温[8-9]以及电压比较控制技术[10],提出一种能够快速均匀对材料进行加热的电磁平板一体式加热炉,以满足热处理表面改性工艺的基本需求.

1 工作原理

如图1所示,该加热装置可以分为3个主要部分：逻辑控制系统、电磁加热系统及平板加热系统.逻辑控制系统包括信号放大器、电压比较器、继电器以及热电偶2.电磁加热系统和平板加热系统共用一个铸铁基板.平板加热系统包括热电偶1、PID控制器以及调功调压器.

图1 电磁平板一体式加热炉原理Fig.1 Schematic diagram of the furnace

1.1 逻辑控制设计

加热过程分为图2所示的两个阶段,其中V2为热电偶2的输出电压,V为预设温度输出电压.第一阶段,当放大100倍的电压V2小于放大80倍的电压V的时候,电磁加热系统工作,加热铸铁基板和其内部的电热管；当放大100倍的V2大于等于放大80倍的V的时候,电磁加热停止工作,平板加热开始工作,此时由表面的热电偶6和PID控制器控制加热炉的温度稳定到预设温度.

图2 电磁加热与平板加热的转换逻辑控制Fig.2 Logic control principle of transformation between electromagnetic and plate heating

1.2 电压比较控制单元电路设计

具体的电压比较控制原理如图3所示,预设温度参考电压信号V和热电偶2的电压V2经过交流逆变后分别放大80倍和100倍,整流之后通过电压比较器控制继电器的通断,进而实现电磁加热和平板加热之间的转换.

图3 电压比较控制单元电路Fig.3 Circuit diagram of voltage comparing and controlling unit

1.3 整体结构及参数设计

该炉体主体部分为铸铁基板、电磁线圈及外壳.如图4所示,电热管以螺旋的方式封装在一个直径为130 mm,厚20 mm的铸铁板内,成型以后,表面用2 000目的砂纸抛光.在加热板的下表面和周边涂刷保温材料（荣立恒业RLHY-12）,每次涂刷厚度小于1 mm,涂刷25遍,保温材料总厚度为20 mm. RLHY-12是由用于航天器保温隔热的太空技术衍生出来的新材料,具有高效、薄层、防火、防腐、绝缘等多种优点.该材料应用纳米陶瓷技术,拥有0.03 W/（m·K）的极低导热系数,能够阻止热量穿透涂层,隔热保温效率可达90%以上.在铸铁基板上表面压紧一个导热石墨片,其垂直方向导热系数为20 W/（m·K）,水平方向导热系数为300 W/（m·K）.导热石墨片保证了加热板的温度均匀性.在石墨片上距离中心点30 mm的地方镶嵌一个高精度的误差限制级K型热电偶（美国OMEGA,直径为0.2 mm）,并用不锈钢保护套管屏蔽测量过程中的电磁干扰.

电磁线圈额定功率设定为1 600 W.铸铁基板距离电磁线圈25 mm,保证了第一阶段有效地加热,中间填充硅酸铝保温棉,减小基板温度对电磁线圈的影响.电磁线圈和外壳后面板距离大于6 cm,保证电磁场不会影响风机和控制面板的运行.平板加热温控装置由日本岛电公司研制的高精度的PID控制器以及调功调压器组成,控温精度可达0.1 K.炉子的电路板以及电磁线圈冷却方式设计为风冷,由一个工作电压为220 V的风机（12038 HST）来实现,风机功率为16 W,转速为2 550 r/min.加热过程中风扇以恒定速度运转,向炉内送风,如图4中箭头所示,空气经线圈和保温层预热后,稳定地流过样品表面,最后从排气孔排出.这样的设计有两个作用：1、为电磁线圈降温；2、预热后流动的空气使腔体保持在一个稳定的环境中.炉体顶端设置一个KBr窗口,用来观察被加热样品的表面状况和测量其辐射特性.

图4 整体结构设计Fig.4 Overall structural design

2 加热性能及钛氧化实验测试

2.1 实验过程

为验证该加热炉的升温速度以及控温精度,同一时间对普通商用的平板电阻加热炉（英国Specac P/N GS05850）和该一体式加热炉进行升温比较,预设温度为600℃.纯钛不同程度的热氧化可以呈现出不同的色彩,也可以不同程度地提高其表面耐磨性[3].本实验选取纯钛作为测试对象,其成分如表1所示.

表1 纯钛样品成分Tab.1 Compositions of pure Titanium

把购置的纯钛钛板加工为12个直径13 mm、厚度2 mm的圆片样品.把得到的样品依次用80、120、240、400、600、800和1 000目的水磨砂纸打磨均匀,然后用蒸馏水（2次,每次5 min）、丙酮（2 min）和无水乙醇（2 min）超声清洗,测量出表面的粗糙度,然后浸入无水乙醇中备用.经打磨后的样品平均粗糙度为Rq=0.275±0.036 μm,Rq代表样品的均方根粗糙度,表征打磨后样品表面的粗糙程度.将清洗后的样品随机分为3组,每组4个.1组作为对照组不进行热氧化处理,2组和3组分别选出2个使用普通平板加热炉和该一体式加热炉加热到400℃,保持氧化30 min,另外2个加热到600℃,保持氧化30 min.观察氧化过程各样品表面的颜色变化,使用扫描电镜（蔡司Zeiss,SUPPA 40）对氧化后的表面进行观察.

2.1 升温测试

图5为普通平板加热炉和改进后的一体式加热炉的升温曲线.

图5 升温曲线比较Fig.5 Comparation of heating curve

由图5可以看出,改进后的炉子升温很快,升温速率接近100℃/min,相比普通的平板加热,升温时间缩短了近一倍.图6为加热炉从600℃到达到热平衡的稳定过程.

图6 加热炉稳定过程Fig.6 Comparation of stabilization process

由图6可以看出,该电磁平板一体式加热炉和普通平板加热炉的稳定过程所需时间几乎相同.这是因为在达到自身热平衡的过程中,两种加热炉用的是同一种控温方式和相同的保温方式.温度稳定过程中,电磁平板一体式加热炉的温度波动较大,这是因为电磁加热功率太大,导致切断电磁加热时,铸铁基板的温度分布不均匀,部分电磁加热残余热量经热传导升高了石墨片的温度.当两种炉子达到热平衡以后,其控温精度相同,同为0.1 K.

2.2 温度均匀性验证

2.2.1 颜色验证使用普通平板加热炉对纯钛样品做的不同温度和时间的热氧化,每个温度均会出现多种颜色,并且没有明显的规律可循.可见现有的平板加热炉表面温度测量不准确,温度分布不均匀,温差较大.另外热氧化过程中,不同时间不同区域的氧浓度也会发生变化,进而影响热氧化的均匀性.使用该一体式加热炉对纯钛在不同温度下进行热氧化,样品表面的颜色变化均匀一致,且随温度的升高和时间的增加呈现出明显的规律变化（如表2所示）.该现象证明了一体式加热炉的温度均匀性得到了明显的改善,热氧化的氧浓度稳定性也得到了提高.

表2 一体式加热炉热氧化处理过程中的样品颜色变化Tab.2 Color changes of samples during the thermal oxidation process

2.2.2 表面结构验证为了更直观地说明纯钛表面热氧化的均匀程度,采用扫描电镜对氧化后表面的微观结构进行了观察,表面有钛的氧化物附着的地方显白色,基底为黑色.图7为纯钛在400℃和600℃分别氧化30 min后表面的形貌.

图7 热氧化后纯钛的表面形貌Fig.7 Surface morphology of the samples after thermal oxidation

由图7可以看到,两种不同温度的热氧化后,钛表面都有氧化物产生,且在观察区域内氧化物分布均匀,证明了该加热炉具有较好的温度均匀性,同时说明在热氧化过程中样品表面的氧浓度非常稳定.

2.3 耐磨性验证

为体现该加热炉在表面改性中的具体应用,从上述3组样品中每组选出2个,在磨损试验机上进行球-盘摩擦试验,磨件材质为GCr15钢,磨损时间为5～15 min,载荷为10 kg,转速为200 r/min,磨损前后采用GT-2A精密分析天平分别称重.图8为3组经过不同处理后的样品的磨损结果.纵坐标为磨损掉的质量.

图8 3组样品的磨损曲线Fig.8 Wear curves of three groups of samples

由图8可以看出,没有经过热氧化处理的样品在同种条件下的磨损最为严重,400℃氧化30 min后的样品磨损较轻,600℃氧化30 min后的样品磨损最轻.说明使用该加热炉进行不同条件下的热氧化可以有目的地改善纯钛的耐磨性,且样品在600℃氧化30 min后的耐磨性比在400℃氧化30 min要更好.

3 小结

本文针对目前材料的热氧化工艺,利用电磁加热技术、PID控温技术以及电压比较控制系统,设计了一种电磁平板一体式加热炉.经升温测试和热氧化实验表明,该加热炉融合了电磁加热和平板加热的优点,加热速度快,温度均匀性好,控温精度高,加热环境稳定,能够快速应用于目前材料表面改性方面的研究.

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（责任编辑：邓天福）

Design of One-piece furnace composed of electromagnetic heating and plate heating tianyu cai

CAI Tianyu
（Henan Normal University,Xinxiang 453007,China）

One-piece furnace composed of electromagnetic heating and plate heating was proposed based on the high heating speed of electromagnetic heating and the high precision temperature control of plate heating.By means of voltage comparator which compares the amplifying temperature signal and the reference signal,the furnace executed the transformation between electromagnetic heating and plate heating.The high-powered electromagnetic heating guarantee the high warming speed of the furnace.The surface temperature homogeneity was improved by a graphite sheet with high conductivity of heat.Using a high precision thermocouple installed on the surface of graphite sheet and a PID temperature controller,the high precision temperature control of the surface was realized.By means of recycling the fan cooler of electromagnetic coil,the stability of furnace atmosphere was controlled.The warming test and experiment on surface thermal oxidation of Ti proved that this furnace possess fast rate of warming,good temperature homogeneity and high precision of temperature control and could offer help to the studies in the material surface modification.

electromagnetic heating；plate heating；heating speed；precision temperature control

TG155.1

A

1008-7516（2016）06-0069-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.06.016

2016-09-22

国家自然科学基金（61307122,61475043）

蔡天羽（1998―）,男,河南新乡人.主要从事电阻炉加热方式研究.