1　问题的提出

　　某机械厂是一生产摩托车铝合金零部件的厂家,生产中采用电热丝电阻炉作为熔铝炉。该型号熔铝炉以镍铬铝电热丝为发热体,铸铁坩埚为加热容器。由于目前尚无法对铸铁坩埚内表面进行有效的处理,因此生产中存在严重的渗铁问题(增铁> 0.3%)。厂家为了保证产品质量只能选用含铁量低的铝锭,因而大大增加了生产成本。同时,随着新型压铸机的引进,原有的电阻熔铝炉已无法满足生产工艺对熔铝速度、铝水温度的更高要求。为了解决这些问题,必须对原电阻熔铝炉进行技术改造。

　　2　方案论证

　　经过细致的调研,我们认为采用石墨坩埚作加热容器可完全解决铸铁坩埚带来的渗铁问题。但石墨坩埚比热大,热传递慢,对电阻炉设计提出了更高的要求。

　　电阻熔铝炉是一种间接加热炉,主要利用热辐射对石墨坩埚加热,再经热传递对铝锭加热,因此石墨坩埚辐射吸收效果直接影响熔铝的速度。对于一表面积固定的石墨坩埚,要提高加热功率,必须加大其净辐射热流。为了便于设计,建立以下系统模型进行分析。假设炉内各物体为温度均匀的灰体,炉内充满温度均匀的辐射透明介质,建立电热体、石墨坩埚和炉壁表面辐射热平衡方程式如下:

　　Jt= εtEt+ ρt(Jrψtt+ Jtwψtw+ Jmψtm) (1)

　　Jm= εmEm+ ρm(Jtψmt+ Jwψmt) (2)

　　Jw= Jtψwt+ Jwψww+ Jmψwm- qw(3)

　　式中:J为有效辐射,t代表电热体,m代表石墨坩埚,w代表炉壁内表面,ψij代表表面i对表面j的角系数;ε、ρ分别表示黑度和反射角。由(1)、(2)、(3)式可导出石墨坩埚的净辐射热流qm:

　　qm= [ A(θt- θm)- B(ql- qc)]/ Z (4)

　　其中:θt=( Tt/100)4 (5)

　　θm=(Tm/100)4 (6)

　　A= Coεtεm(ψwt+ ψwmψmt)

　　B= εm[ψmw+(1- εt)(ψmtψtm- ψmwψtt)]

　　X= εt[ψwt+(1- εm)ψwmψmt]

　　Y = [1 - (1 - εt)ψtt- (1 - εt)(1 -

　　εm)ψmtψtm]/ Co

　　Z= X+εm[ψwm+(1-εt)(ψwtψtm- ψmwψtt)]

　　ql= K(Tw- Ta)

　　qc= aw(Tf- Tw) (8)

　　Tt—发热体的温度(K);

　　Tm—石墨坩埚的温度(K);

　　Tw—炉壁内表面温度(K);

　　Tf—炉膛介质温度(K);

　　Ta—环境温度(K);

　　ql—炉壁损热失(W/m2);

　　qc—炉内介质与电热体的对流换热热流

　　(W/m2);

　　K—炉壁内表面对环境的综合传导系数(W/m2·℃);

　　aw—炉内介质与电热体的对流换热系数(W/m2·℃)。

　　可见要加大石墨坩埚的净辐射热流,提高加热速度,关键在于提高发热体的温度(Tt),也即在发热体与石墨坩埚之间制造出非常大温度梯度。

　　原电阻熔铝炉采用铁镍铝作发热体,这种发热体表面温度较高可达1 300℃ ,但在此温度下长期使用较易熔塌变形,寿命短,维修频繁,因此必须选用性能更加优良的高温发热体。目前常用的电阻炉高温发热体有碳化硅发热体和二硅化钼发热体。

　　碳化硅发热体表面温度可达1 400℃ ,但使用过程中易老化,电阻率易加大,造成新棒、旧棒阻抗无法匹配,给维修带来较大的不便。同时碳化硅发热体寿命较短,且多为直棒,不仅安装不方便而且会大大增加炉顶高度,给生产操作带来诸多不便。

　　二硅化钼发热体是一种主要由钼的硅化物MoSi2和氧化玻璃相组成的高温发热体。由于高温下其表面可形成一层致密的保护层,因而具有非常高的舒缓反应能力,可长期工作于1 200～ 1 650℃的炉温之间,其表面温度可高达1 700℃。在1 400℃的炉温中可长期工作,使用寿命大于12个月,维护费用低廉。可见采用表面温度很高的MoSi2发热体作为熔铝炉的加热元件,将大大提高发热体温度Tt,从而有利于在发热体与石墨坩埚之间产生非常大温度梯度,增加石墨坩埚的净辐射热流,提高加热速度,同时

　　发热体分U型棒和L型棒,选用L型发热体可降低炉顶高度,方便生产操作。但由于硅钼棒电阻率低,需经变压器将电源转化成低电压高电流的信号,方能提供给发热体使用,这将相应地增加设备成本。经过综合比较,决定选用二硅化钼棒作为新型熔铝炉的发热体。

　　3　二硅化钼熔铝炉的设计

　　本着“科学、效率高、节能”的指导方针,设计中尽量采用高性能保温材料、智能仪表,优化设计方案。

　　3.1　炉体结构的设计

　　炉体结构由炉体、发热体及石墨坩埚3部分组成。

　　3.1.1　炉体设计

　　炉体由炉壳、炉膛、保温层3部分构成。为了便于移动,炉壳由外壳和炉盖两部分组成。炉膛采用四大块氧化铝空心球砖拼合成圆形,连接处采用凹凸槽拼接而成。该炉膛不仅绝热性能好,而且抗腐蚀性强,强度高,体积密度小。由于炉膛内壁设计成圆形,加大了反射系数,进一步了改善辐射传热,降低能量损失。保温层由一层厚厚的耐火粘土砖、硅酸铝耐火毡组成,具有良好的隔热效果。

　　3.1.2　发热体的选择

　　根据石墨坩埚外形尺寸,选取炉膛尺寸为D=1500× 460(mm)。按经验选取电炉功率为30 kW。

　　根据该功率选择420× 300× 6× 45规格的L型硅钼棒12支,分2组并联,沿炉壁均匀分布,保证炉膛处处温度均匀。

　　3.1.3　石墨坩埚的选择

　　选取250#石墨坩埚,一次较多可盛70 kg铝水。

　　3.2　电气部分设计

　　电气部分由主电路、控制回路、启动紧急信号系统3部分构成。

　　3.2.1　主电路

　　主电路由交流接触器、快速熔断器、反向并联的两个单向可控硅、RC吸收回路、变压器、铝箔带导线构成。工频380 V交流电源经可控硅调压,调压后的电压经大功率的变压器变压后转变成低电压高电流的电源信号为硅钼棒供电。电路具有可靠的供电、加热及保护功能。

　　3.2.2　控制回路

　　控制回路由停止按钮、运行按钮、交流接触器、热电偶及LU— 906型智能调节仪组成。其中热电偶及LU— 906型智能调节仪构成温控系统。该调节仪性能优良,采用模糊理论和传统PID相结合的控制方式,使控制过程具有响应快、超调小、稳定精度高的优点,克服了常规PID难以控制大纯滞后的弊病,满足了熔铝炉快速升温,铝水温度波动小(< 0.2%)的要求;输入、输出一体光电隔离,采用WATCHDOG电路、软件陷阱与冗余掉电保护、数字滤波等技术,使整机抗干扰能力大大提高,能长期稳定工作。

　　3.2.3　启动紧急信号系统

　　启动紧急信号系统由LU— 906智能调节仪辅助控制触点、电铃、电流互感器等部分组成,具有超温、断偶、断棒等启动紧急信号功能。

　　3.3　余热利用

　　为了充分利用能量,炉顶设计成小平台,用于放置铝锭,利用炉顶热量对铝锭进行烘干除水,保证安全生产。

　　4　结　论

　　本设计采用MoSi2发热体和石墨坩埚作为加热容器,克服了使用铸铁坩埚带来的渗铁弊病,降低了生产原料成本。由于进行优化设计,采用先进的控温方式和性能优良的保温材料,二硅化钼熔铝炉熔铝速度、节约能耗等性能明显优于原电热丝熔铝炉。经过一年多的运行,二硅化钼熔铝炉工作稳定,创造出良好的经济效益。