石墨管碳化炉红外测温结构的改进

潘 登

(自贡硬质合金有限责任公司,四川自贡643011)

石墨管碳化炉红外测温结构的改进

潘 登

(自贡硬质合金有限责任公司,四川自贡643011)

分析了常规石墨管碳化炉红外测温存在的问题及成因,提供了一种新的测温光学通道结构,较好地解决了常规石墨管炉测温控温不准确的问题。

红外测温;石墨管碳化炉;温度失控;灰分;气化;冷凝

1 引言

粗晶碳化钨作为一种特殊的硬质合金原料,相对常规的硬质合金原料具有更高的硬度和韧性,采用粗晶碳化钨为原料制作的硬质合金有着更为优异的热硬性,耐磨和抗冲击性能,被广泛应用于矿山采掘工具、石油钻探工具、高温高压模具、钢材轧制用辊环、穿甲弹弹头等方面。

碳化是碳化钨生产的一个关键工序,业内普遍认为采用较高的温度碳化,有利于碳化钨晶粒发育长大,碳化反应更彻底,碳和粗颗粒钨粉的混合物经过2 000℃以上的长时间碳化反应能得到晶粒发育饱满、晶形完整的粗晶碳化钨[1]。

因此粗晶碳化钨的碳化要求生产设备具有很高的工作温度和较长的使用寿命,而要达到这个要求的关键是如何保证高温复杂环境下测温控温的可靠性。目前国内使用的碳化设备主要有:中频炭化炉、石墨管炭化炉以及德国克莱默公司生产的卧式高温炭化炉[2],其中石墨管炭化炉因结构简单、价格低廉、易于维修等特点使用最为广泛。

2 常规石墨管炭化炉红外测温结构剖析

目前国内广泛采用的石墨管炉是五十年代前苏联援建的产物,迄今仍为国内钨业系统制取碳化物、复式碳化物的主要设备,该炉加热功率75k W,工作温度1 600℃～2 300℃,粗晶碳化钨产量约24kg/h[3],由于陈旧的设计理念,结构上存在诸多缺陷,故障率高,工作可靠性差,最突出的问题是控温不准确。

目前常用的结构形式如图1所示。

图1 石墨管炭化炉

图1中的变压器、铜排、两端的水冷电极及石墨炉管串接成一个导电回路,该炉是典型的电阻炉,采用石墨炉管做电热元件,同时石墨炉管也是炉膛,碳和钨粉的混合物盛装在石墨舟皿内从石墨炉管内单列通过,被加热产生碳化反应形成碳化钨,高温的石墨舟皿通过末端的水冷套被冷却后出炉,石墨炉管外侧填充压紧的碳黑为保温材料。

该炉采用闭环控制的控温系统,由红外测温仪、PID仪表、调功器、变压器、石墨炉管组成。红外测温仪通过检测石墨炉管高温部位发出的红外线波长来检测温度,PID仪表依据工艺设定温度和红外测温仪检测的实际温度来控制调功器的输出电压,即控制变压器一次侧电压,变压器二次侧电压(即加载到石墨管两端的电压)随一次侧电压变化而变化,从而控制了石墨炉管的发热量。该炉的红外测温光学通路结构见图2。

图2 红外测温结构图(炉管径向剖视)

如图2所示,钻有盲孔的石墨管位于炉体中部径向位置,石墨管的盲板端紧挨炉管外壁,炉管的热量传导到石墨管的盲板上后使得两者温度接近。石墨管穿过碳黑及保温层,其开口端放置在炉壳测温孔内,测温孔外部连接有一冷却套,在冷却套的另一端固定有红外测温仪光纤探头,石墨管盲板上发出的红外线透过冷却套内孔被光纤探头探测到。由于不同温度下的红外线波长不一样,红外测温仪根据光纤探头接收到的红外线就可以测量出石墨管盲板上的温度,这一温度接近石墨炉管外壁的温度,我们以此作为石墨管炉的加热控制温度。

石墨和炭黑材料中一般含有少量的Si、Al、Fe、Ca、Mg等杂质构成的灰分,石墨管炉在2 000℃以上的高温下工作一段时间之后,在高温区的测温石墨管、炉管、炭黑里的这些灰分将会气化慢慢逸出,由于测温石墨管一端开口与炉壳外大气导通,而炉壳内部空间密闭,气态的灰分在微压下通过测温石墨管内孔向炉壳外的方向扩散,测温石墨管越靠近炉壳位置温度越低,气态灰分扩散途中一旦遇到低于其凝点的温度环境就会凝结成液态,慢慢地沉积在测温石墨管壁上,越积越多。

一般经过6h左右,灰分凝结成的挥发物将会堵塞测温石墨管,红外测温仪检测到的温度将会是挥发物的温度。这一温度比我们最初控制的炉管外壁温度约低400℃～600℃,远低于PID仪表所设定的工艺温度。此时的PID仪表将红外测温仪检测到的挥发物的温度仍然视为炉管的温度,认为炉管加热温度偏低,将会加大调功器的输出功率,炉管的温度将随加热功率增大而上升,炉管的实际温度将会逐渐高于工艺温度,造成炉管加热温度失控。

因此操作工人每班都会设法在高温下清理测温石墨管内的挥发物,或者更换新的测温石墨管。当操作工人疏忽这一操作时,由于调功器输出功率有限,失控的炉管温度升高到一定程度后将会在一热平衡温度下保持稳定,在这一远高于工艺温度下产出的产品将全部报废。

3 新型石墨管炭化炉红外测温结构

新红外测温结构设计的原理是。灰分在高于其凝点的温度下会保持气态,将气态的灰分往高温炉管内输送,使灰分在远离测温孔的位置冷凝成固态或液态,炉管内凝结的灰分被移动的舟皿带出炉子,按这一原理设计的新型石墨管炭化炉红外测温结构见图3。

图3 改进后红外测温结构图(炉管轴向剖视)

如图3所示,在原有的炉管外面套了一个石墨套管,石墨套管径向开孔连接测温石墨管,测温石墨管内孔已改为通孔,光纤探头直接检测到炉管外壁温度,从冷却支架进气孔通入氮气,冷却支架的一端被玻璃镜片挡住形成盲孔,氮气只能往炉内方向流动。当氮气在进入测温石墨管后被加热,热氮气带动灰分气体往炉内高温区域持续流动,经过石墨套管和炉管之间的间隙后,沿炉管上的径向小孔进入炉管内,灰分会在炉管出料端的内壁冷凝成液态,被经过的舟皿带往卸料端冷却成固体,最终随舟皿排出炉子。

渗进测温石墨管内的少量气态灰分遇见冷的氮气会迅速固化成细小颗粒,随着工作时间推移,部分颗粒在氮气的吹扫下会扩散到玻璃镜片上沉积下来,对光纤测温构成干扰,此时需操作工人将闸阀关闭,取下玻璃镜片清除尘埃。也可以设计一正对玻璃镜片的喷嘴,自动用高压气体脉动吹扫,实现无人值守。

因为氮气经过小孔时会带走炉管热量,小孔附近的炉管温度将会变低,炉管上的径向小孔要远离光纤探头检测区域,否则会使炉管控温出现较大偏差。

4 结论

在高温下耐火材料中杂质的气化、凝结会对红外测温产生干扰,经过改进的红外测温装置可以将气化后的杂质保持在气态并在远离测温点的区域冷凝排放,可有效消除这一干扰。

[1] 朱早生.碳管炉碳化工艺的研究[J].硬质合金,2002,19(3):144-147.

[2] 关珍祥.浅谈碳化炉[J].中国钨钼,1997(12): 13-18.

[3] 高鸿章.碳化炉的发展[J].硬质合金,2003,20 (1):38-40.

Study On the Construction of Novel Infrared Pyrometer for Graphite-tube Carburization Furnace

PAN Deng
(Zigong Cemented Carbide Corp.,Ltd.,Zigong,Sichuan,643011)

The disadvantages and the origin of those disadvantages of the infrared pyrometer usually adopted in the conventional Graphite-tube Carburization Furnace are presented in the article.A novel construction of optical pyrometer is invented to provide an effective solution to guarantee the accuracy of temperature measuring and temperature controlling.

infrared temperature measurement;graphite-tube carburization furnace;uncontrolled temperature;ash content;gasification;condensation

TG155 TG146

:B

1001-5108(2015)04-0083-04

潘登,工程师,主要从事粉末冶金设备的研发设计工作。