超高真空加熱爐的研制
超高真空加熱爐是對材料進行真空加熱的專用設備，在超高真空下將材料加熱后，通過真空加熱的脫氣、脫脂、表面凈化等作用，得到性能更好的材料。真空技術網(wǎng)(http://www.jnannai.com/)認為相對于普通真空爐，處理后的材料表面更加清潔干凈和光亮，機械物理性能更好。本設備主要用于核技術材料的真空加熱，自動化程度高，運行平穩(wěn)。
1、設備的技術參數(shù)及主要結構設計
設備由爐體、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成，如圖1.1 所示。
1.爐體；2.B-A 規(guī)；3.放氣閥；4.分子泵；5.擋板閥；6.離子泵；7.鈦升華泵；8.電阻規(guī)；9.干泵
圖1 設備主要結構簡圖
設備的主要技術參數(shù)如下：
最高加熱溫度：1200℃
溫度均勻性：±5℃
真空機組的極限真空度高于6×10-8 Pa
爐體空爐冷態(tài)真空度：高于6×10-7 Pa
空爐冷態(tài)抽空時間：≤50min (充氮氣或氬氣，從大氣抽到6.5×10-5 Pa)
壓升率：爐體經(jīng)高溫除氣后，本底真空抽到6×10-7 Pa 后空載靜態(tài)真空維持24 小時，爐內(nèi)真空度優(yōu)于8×10-2 Pa。
設備總功率：50 kW
1.1、爐體部分
爐體主要由爐殼、上爐蓋、下爐蓋、升降機構、加熱器、隔熱屏、電極以及料盤等組成。爐殼為帶水套立式腔體，上面有三個電極接口和一個真空系統(tǒng)接口，上爐蓋設有熱電偶接口。為滿足設備真空度及壓升率的要求，除下爐蓋與爐殼直接的密封采用水冷橡膠密封外，其余各接口處均采用金屬密封形式。加熱器為鉬片鼠籠形式，上、下、側面均有隔熱屏，料盤、下爐蓋與升降機構連接，由電機驅動上下平穩(wěn)運動。
1.1.1、材料的選擇
本設備設計的一個關鍵點是冷態(tài)極限真空高于6×10-7 Pa，為了達到這一指標，爐殼、上、下爐蓋選用材料為不銹鋼316L，按照超高真空零部件焊接方法進行焊接，達到了很好的氣密性。
1.1.2、加熱器的設計
本設備的另一個關鍵點是加熱器的設計，為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，加熱器設計為高溫鉬片鼠籠型結構。真空技術網(wǎng)(http://www.jnannai.com/)認為鉬作為加熱體，高溫物理穩(wěn)定性好，無污染，可長期在1700℃環(huán)境下使用，適合用于超高真空高溫爐。
加熱器尺寸的確定：首先根據(jù)熱平衡計算出爐子熱量消耗后，首先確定爐子的總功率N 總：
然后根據(jù)加熱體的布置和接線方法確定加熱體的尺寸。本加熱體為低電壓大電流，根據(jù)公式可求出加熱體在該工作溫度下的電阻。
1.2、真空系統(tǒng)
由于材料真空加熱的生產(chǎn)工藝要求的極限真空度非常高，而且在加熱過程中材料不斷的放氣，而真空度還要保持在一定數(shù)值之上，這就對真空系統(tǒng)提出了更高的要求。經(jīng)過計算和選型，選用離子泵、鈦升華泵、分子泵為主泵，干泵為前級泵組成無油超高真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)結構示意圖如圖所示。
1.爐體；2.B-A 規(guī)；3.放氣閥；4.分子泵；5.擋板閥；6.離子泵；7.鈦升華泵；8.電阻規(guī)；9.干泵
圖2 真空系統(tǒng)示意圖
1.3、控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)由一體式工控機觸摸屏、PLC 可編程控制器、通訊接口、低壓電器組件等組成，實現(xiàn)對以下各項的控制：
(1) 真空系統(tǒng)的泵、閥的手動/ 自動模式控制。以及開閉的真空互鎖條件。
(2)加熱系統(tǒng)的手動以及自動控制模式。
(3)系統(tǒng)運行參數(shù)：真空度顯示、加熱溫度顯示、系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示、參數(shù)修改等功能。
(4)保護系統(tǒng)：水壓，水流，水溫，真空系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)之間的連鎖保護，控制功能。
2、設備的安裝調(diào)試
在設備零部件組裝完成后，對整個系統(tǒng)用高靈敏度氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏，確認漏率合格后，對真空管道、真空閥門纏繞加熱帶進行烘烤，爐體用加熱系統(tǒng)加熱烘烤，經(jīng)過連續(xù)的烘烤使材料表面的氣體除去，逐漸提高設備的冷態(tài)極限真空度。
3、結論
經(jīng)過對客戶針對本設備提出的技術參數(shù)進行逐一驗證，最高加熱溫度、溫度均勻性、真空機組極限真空度、爐體空爐冷態(tài)極限真空度、空爐冷態(tài)抽空時間、壓升率等結果均優(yōu)于或達到設計指標，設備在使用過程中，運行穩(wěn)定，使用方便，滿足客戶生產(chǎn)要求。
