氢气烧结炉技术分析

一、设备概述和用途：

本设备适用于在氢气下利用中频感应加热原理进行金属热处理的现代化设备。本产品加热是一种交一直一交静止变频装置，它将50Hz三相工频电能转换成单相中频电能。该系列设备应用电磁感应原理，在保护气体环境下置工件于交变磁场中，产生涡流损耗而发热，达到烧结、透热等加热的要求。这种加热方式，具有加热快、烧损少、劳动强度低，能确保产品质量。

主要技术参数：

a) 额定工作电源              3N  380V±20V，50Hz±1Hz

b) 额定加热功率               约500kw(实际加热功率无级可调)

c) 额定工作炉温               2350℃（设计炉温2400℃）

d) 升温速率                     ≤ 20℃/min   

e) 仪表控温精度               ≤±2℃   

f) 测温方式           0-1000℃  热电偶（自动送出式）1000-3000℃红外

g) 控温方式：        手动控制及智能化程序控制（按给定升温曲线升温）

h) 温度记录：        小长图记录仪记录温度及工控电脑数据记录

i) 工作气氛：       氢气（氢气流量不小于20m3/h，压力不小于0.04MPa。）

j) 保护气氛：             氮气 （压力不小于0.04MPa）

k) 高温区有效尺寸：           Ф600×1500

l) 发热体规格                 Ф600×1500（钨）

m) 炉体型式                   立式

n) 出料方式：                    下出料

o) 进出料机构方式                机械式（自动丝杠式）

p) 进出料机构速度       0.5-1.2m/min（速度变频可调，到位后自动停止）

q) 料台进出方式             机械轨道式（加减速时间可调，保证稳定性）

r) 下盖自锁方式             液压式

s) 真空抽速                    ≤0.5小时

t) 空炉冷态极限真空度          ≤ 10Pa

u) 压升率                     ≤0.67 Pa/h

v) 炉体外表面温升             ≤30℃

w) 冷却水额定压力              0.1~0.3M Pa

x) 冷却水流量：               约15 m3/h

y) 压缩空气的压力            0.4-0.6 MPa 

z) 中频加热参数：  

l 中频电源频率    2500HZ

l 整流方式：三相全控桥整流

l 额定直流电压：  510V

l 额定直流电流：  600A

l 额定输出电压：  750V-800V

l 额定功率：      300KW

l 效率:          ≥92%

l 控制方式：数字集成电路控制。

l 触发脉冲：双窄列脉冲。

保护方式：

l 过流、过压整流拉逆变保护；

l 截流、功率封锁保护

l 继电保护；RC、LC吸收保护

l 快速熔断器保护

l 炉温超温、超调保护，测温传感器故障保护

l 系统欠水、缺水、水温超温及水压超高保护

l 保护气体欠流量保护

功率调节方式：

l 手动方式；

l PID调节，沿指定升温曲线自动工作方式(用户指定)。

五、原理，结构及特点

本设备由炉体、真空获得系统、电气控制系统、真空控制系统、中频加热系统，充气系统，水冷系统等部分组成。本设备是利用中频感应加热的热处理设备，炉体内部设有一只螺旋型管式线圈，当线圈通以中频电流时，则产生交变磁场。金属炉料在磁场作用下，感应出电势，产生环形电流，这种电流在本身的磁场作用下，集中在金属炉料的外层，使外层金属炉料具有很高的电流密度，从而产生集中而强大的热效应，已致把金属加热，使炉内产生高达2400℃的高温.

5.1炉体

l 炉体为立式单室水冷夹套结构，炉门为上下开双门结构。采用夹层水冷套，内层材质为不锈钢SUS304/δ=10mm，外层材质为不锈钢SUS304/δ=8mm，两端法兰材质为不锈钢板SUS304/δ＝35mm。炉体内表面匀经精细抛光，使设备真空度提升。炉体设有观察孔，进气口，真空，燃烧口，防爆孔，电气接口等。所有接口均采用真空O型圈法兰连接方式，真空室漏损很低。

l 真空室由外至内分别由感应线圈、高温保温层、高温隔热屏、高纯坩锅等组成。真空室内壁设有活动脚踏板，方便安装进出料等。

l 保温材料采用氧化铝砖，耐温1800度以上，材质密度约5.0g/cm3；厚度约60mm

l 高温隔热层采用氧化锆重质砖，耐温2400度以上，材质密度约2.0g/cm3 ，纯度ZrO2≥99%，厚度约40mm。

l 上炉盖为上开结构，炉盖开启时，炉盖自锁装置放开，电动减速机带动炉盖上升，再手动旋转炉盖。再从上炉口装卸料。

l 下炉盖为下开结构，炉盖开启时，液压自动锁紧装置放开，变频器驱动变频电机带动滚珠丝杆向下运动。到位后丝杆锁定装置放开，小车带动下炉盖一起沿轨道一起向外送出取料。

l 炉体上位设计工作台，钢结构工作平台围绕炉体周围，，平台设有方便通行的楼梯及防护护栏。

5.2真空获得系统

 真空机组系统由两套真空系统组成，由H-150真空泵，ZJP-300罗茨泵组成。本炉真空系统各管道上主要阀门均采用手动真空蝶阀+自动挡板阀操作直观方便，手动阀可在应急状态下手动操作，自动阀在运行自动程序时执行，可尽可能的减少操作失误。采用数字真空计，金属真空规管，真空度更准确。采用双级真空泵，使真空室在30分钟内很快得到极限真空度10Pa以下。

5.3电气控制系统

l 本设备采用触控屏，主面板上全方位显示炉内工作状态，各控制点的运行状态，动态方式演示炉内升温状况。全面记录各种重要数据，并实时存档以配调用。能够记录温度、进线电压、直流电压、中频电压、功率、单炉用电量、氢气源压力、炉内气体压力、真空度、冷却水压力、冷却水出口温度（感应器）、氢气露点等。所有显示数据通过强转弱转换数据后调取。并且工业触控屏上设有所有控制点的手动控制按钮。

l 配备有一台有纸记录仪，能够实现加热数据有纸记录，保证数据的真实性。

l 本设备装有先进的智能化测温、控温装置来测控炉体高温区温度，以确保产品质量和炉堂安全。仪表采用日本岛电FP23，测温装置采用美国雷泰（MR1SCSF）.加热过程（升温、保温过程）可全部由程序自动完成，操作者只需在开机前把存储好的升温工艺曲线调出来投入运行即可，系统将全方位显示和记录加热过程的当前温度状况。

l 系统配有以PLC为核心的全方位水、电、气保护及报警装置，确保设备只有在各方面条件同时具备的情况下方能开机。如炉温出现超温超调、冷却水欠水、冷却水温、传感器故障、保护气体流量不足、过电流、过电压、三相进线缺相、欠压、超压等现象，立即发出声光报警，停止加热，提醒操作者及时处理现场，确保系统安全。

l 采用数显真空计对真空系统进行测量和控制。并具有真空机组互锁自动控制功能，确保各真空泵要求的真空度下可靠启动。

l 中频电源可进行自动-手动转换设置；可进行远程-本机控制转换设置。

5.4中频加热系统

l 启动性能好 ：本装置采用“零压”启动方式，启动电流由小到大，平滑上升，对电网和其他用电设备无任何冲击。

l 保护功能强 ：本装置具有过流保护，过电压保护，晶闸管正、反向瞬时过电压的阻容吸收保护，快速熔断保护，截流与截压保护，冷却水压欠保护,缺相保护等多种保护功能。

l 主控制板 ：整流触发部分采用AC63S可编程器件控制,可靠性高，脉冲对称度好，抗干扰能力强，反应速度快。逆变采用扫频式零压启动方式，启动性能优于普通零压软启动电路，它具有自动重复启动功能。可防止中频电源偶尔的启动失败，使启动成功率达到100%。

l 中频电源采用了频率自动跟踪控制，所以，无论负载的频率如何变化，中频电源都可自动跟踪，无需任何人为调节。当用于不同频段时，由于负载的阻抗会有所变化，只需连接相应的补偿电容器组即可调整到合适的阻抗值。

l 中频电源柜面板上配备指针表：中频电压、进线电压、直流电压、直流电流、功率表等。中频手动操作按钮，手动功率调节器，手自转换按钮，本机/远程功率控制转换按钮等。

l 感应线圈是整个感应炉的心脏，感应线圈由中频电源供电，在中频电压、电流的作用下产生强大的磁场，此磁场使炉膛内的金属产生涡流而发热，线圈是电能转换热能的关键。所以线圈设计就显得优为重要，本电炉的线圈是结合国内外中频炉实际使用状况，根据电磁场原理，通过计算机分析计算而确定的较佳方案。通常在感应线圈内侧及匝间缝隙雏涂有绝缘性能好的耐火胶泥，可以方便地进行炉衬的捣筑还能防止因炉衬冷热变形而影响炉衬寿。

l 感应线圈采用包扎云母带和浸绝缘漆工艺, 外表再喷涂一层灰色绝缘漆，绝缘层的耐压大于2000V。感应线圈由焊接在其外圆周的数列螺栓，用不锈钢定形件、磁绝缘子绝缘固定。线圈固定后，其匝间距误差不大于2mm。感应线圈在设计时考虑到铜管的固有长度的影响，将铜管的焊接处下引电、引水部位结合，使每组感应线圈为整根铜管绕制而内部不需要焊缝。感应线圈电极与炉体结合处采用绝缘法兰连接，保证炉体的气密性，与电容柜连接用通水铜管连接。并且母线有安全防护装置。在感应线圈的出水口处，按水路分别安装数个水温温度探头，当某一路水发生堵塞水温超高时，可以立即发出警报，并可以自动使中频电源停机。

l 感应器铜管采用T2优质铜材，厚度大于3mm，感应器完成后在厂过经0.8MPa压力测式，24小时保压检漏，保证运行过程无水泄漏。感应器设计的冷水量温升≤15℃。

l 由于感应线圈的功率因数很低，需采用中频电容器对线圈进行无功补偿。补偿功率3000kvar

5.5进出水冷却系统

l 采用汇流排形式；由总进后再由分水阀多点供水；出水由多点汇流；每点进岀水均设有标示，总进水口水压有测量。

l 感应器出水口设有温度显示及温度报警（并能通过数显温控仪控制喷淋系统的开关来实现进出水温度的调节，使闭式冷却塔在规定的水温范围内对设备连续高效地进行冷却）

l 冷却水路设计保证水流导流无死角、无气阻，出水口在最高处。

l 主电路大功率可控硅器件、电热电容器、感应加热器、电抗器等采用水冷却。

l 设备冷却水允许断水时间：原则上设备在运行过程中不允许断水，特别是高温时，感应器绝对不允许断水，最长断水时间为5分钟左右。

l 设备具备有用水转接口（可设计为自动转换）

l 设备可选配闭式水冷塔，可节省水池，减少设备占用场地。

5.6充气气路系统

l 氮，氢气体由集气瓶送出，经本设备配备的流量计，压力计后，经电磁充气阀进入炉体。氢气进出口设高低压报警装置。氢气进气侧设备设计露点温度探测，以有效检测氢气压力。

l 氢气经炉堂后，在炉体下部引出排气口，排气口到燃烧口设有一水封口，可直观的看到气体气泡大小及流速。

l 尾气处理方式为手工鸣爆及点燃。

l 设备设计氢气/氮气供应系统紧急转换装置，通过气动电磁阀自动切换。

六、主设备组成部分