一种VAF-500型大型卧式真空退火炉的设计

董冰峰

（北京华海中谊节能科技股份有限公司 北京 102699）

真空热处理技术具有无氧化、无脱碳、脱气、脱脂、表面质量好、变形微小、热处理零件综合力学性能优异、无污染无公害等一系列突出优点。真空炉生产中存在炉内板材在加热过程中加热速度明显滞后于炉膛升温速度的现象，而且温度越低滞后越明显、装料越厚滞后越明显［1-2］。对此，本设计为解决这种大型幅面的锆及锆合金板材的真空退火提供了一种真空热处理设备。

1 设备关键参数要求

设备主要技术指标包括有效加热区的尺寸、装炉量、最高温度、工作温度、炉温均匀度、极限真空度、温控等、方面，设计的相关参数如表1所示。

表1 设备主要技术指标

工艺指标要求包括待退火板材尺寸、退火后板材要求、退火加热方式、退火冷却方式、空炉冷却速率、带料冷却速率、压强等方面，具体要求详见表2。

表2 设备工艺指标

2 设备结构

本设备由炉体、后检修门、加热室、前炉盖及运行机构、真空系统、气动系统、水冷系统、充气系统、外循环冷却系统、电气控制系统和工件输送车等组成。真空炉主体由炉壳、锁紧圈、加热室、冷电极、热电偶装置、气缸组件及压力表规管等组成。

2.1 炉壳设计

炉壳采用双层水冷夹层结构，炉壳外壁为优质碳素钢板；内壁采用SUS304L 不锈钢，且内壁镜面抛光。内壁外壁间通冷却水。前、后炉门与炉体法兰采用锁紧圈承压结构，由气缸自动锁紧炉门，能使回充气体压力达到2bar。

炉壳厚度计算：根据压力容器国家标准GB 150-88真空容器按承受外压设计，设计压力取1.25 倍的最大内外压力差。对于带有夹套的真空容器，设计压力为上述真空容器的设计压力再加上夹套内的设计压力，设计温度为150℃，圆筒厚度计算公式［3］：

式中：P 为设计压力（MPa）；Di为圆筒的内直径（mm）；［σ］t为设计温度下圆筒材料的许用应力（MPa）；Φ为焊缝系数。

此炉的设计压力为：（0.3+0.1）×1.25=0.5MPa（0.3MPa为夹套内水压，0.1MPa为真空容器的内外压差）。

圆筒内壁的内直径为Φ2400mm；［σ］t查国家标准碳钢材质的许用应力为50MPa；Φ查国家标准为0.9；因此，计算厚度为δ=13.4mm；腐蚀裕量不锈钢取C2=1mm；故内壁厚度为C=δ+C2=14.4mm；实际内壁厚度取14mm。

外壁计算：外壁内外压差为0.2MPa，设计压力为0.2×1.25=0.25MPa。

外壁内直径Φ2500mm；按计算公式厚度δ=6.9mm；腐蚀裕量碳钢取2mm，故内壁厚度为C=δ+C2=7mm，考虑大尺寸变形问题及炉体开孔数量等，实际外壁厚度为10mm。

2.2 加热室设计

加热室设计成圆筒形结构。隔热屏由框架及两层0Cr25Ni20 耐热钢+三层1Cr18Ni9Ti 不锈钢薄板+一层304不锈钢护板组成。加热元件为模块化设计的多圈钼带，均匀布置成圆筒形，可单独拆卸，损坏时更换方便。加热元件通过12 个水冷电极与炉外接线连接。加热室前后盖均布置有加热元件，各通过3 个水冷电极与外部连接。

设备为五区控温，每区独立调整。

炉体上加热元件总共18圈，6圈为一个加热区，角形接法，前后盖各为一个加热区，采用星形接法。

加热功率的计算及确定：

P = KFE(T/1000)G［4］

式中：P为电炉额定功率；K、E、G为系数（用于金属屏时：K=0.91；E=0.76；G=2.53）；F为有效工作空间外表面积（d㎡）；T 为额定温度（K）。有效区尺寸3500mm×1300mm×800mm；最 高 温 度950℃；F=3640d ㎡；T=因为满载加热，且装载量比较大，因此实际调压器功率为1.1P；N=427×1.1≈470kW；实际取值500kW。

加热元件采用钼加热带，均匀布置。加热带具有凹型肋槽结构，保证了高温状态下加热带的强度并延长了使用寿命；加热元件为模块化设计，可单独拆卸，损坏时更换方便。采用99 瓷进行绝缘处理。料台由耐热钢支撑、耐热钢炉床组成，料台满足最大载荷及相应料盘的承要求，且在高温下不变形，以保证产品质量。采用的托料装置为三排炉床，不含轴承或辊轮，避免了长期使用的故障率。背部绝缘不需要在加热带打孔，支撑件和瓷件位于加热带的背面，瓷件使用寿命更长，加热带免打孔避免了电阻变化和局部过热，使用寿命更长。

2.3 外循环风冷系统

外循环风冷系统由外循环鼓风机，卧式组装式铜翅片换热器，进出风管路，进、排风气动隔热阀、金属波纹管及磁流体密封电机等组成。加热时，隔热挡板阀关闭，将炉体与外循环冷却系统隔开，以保证热量不会流失。风冷时，进、排风隔热挡板阀打开，启动外循环风机，冷却气体进入炉内并经由隔热屏错层气流孔从180°方向均匀进入加热室内，再由加热室上部180°分布的风孔排出，加热室。之后气体再导入炉子顶部的两根出风管，通过热交换器降低温度后返回鼓风机进气口，从而完成一个循环，达到快速冷却的目的。换热器采用带翅片的铜管，翅片与铜管为一体化结构，两端为组装式密封结构，损失时便于拆卸并更换。

鼓风机通过磁流体密封装置和电机连接，电机在大气中，便于保真空，利于维修。电机配有变频器。磁流体密封装置为一种先进的真空密封装置［5-8］，近年来，逐步在一些对真空密封有高要求的设备上采用，而采用磁流体密封装置和大功率电机连接使用，在真空炉上还不多见。采用错层式风冷系统，可保证技术要求的冷速前提下，气流较缓，减小对氧化铝粉末的影响。

3 结语

（1）成功设计了一种解决大幅面锆板真空退火处理的真空退火炉。

（2）采用背部绝缘的加热带支架结构，由不需要在加热带上进行打孔，能显著增强加热带的使用寿命。

（3）采用磁流体密封装置结构的风冷系统能最大限度地保证系统的真空度，并且便于维修。