大容积热风箱式炉设计

【摘 要】本文介绍了一种有效容积为1.8m3，长期使用温度400℃的热风循环电阻炉的结构特点及关键部件的设计方法和选用原则。采用两侧均匀分布多个加热器，且以空气循环为主要传热方式对工件加热，采取具有PID参数自整定功能的智能程序调节仪进行炉温控制。实验结果表明，恒温350℃时，炉膛内温度均匀性可达±3℃，炉温控制精度可达±1℃，满足炉温控制的高精度、高均匀度以及高稳定性的要求。

【关键词】电阻炉；热风；空气循环；箱式炉

Large volume of hot air box furnace design

ZANG Fu-hai

（Hengli Eletek Co.，The 43rd Research Institude of CETC，Hefei Anhui 230088）

【Abstract】This paper describes an effective volume of 1.8m3， design methods structural characteristics of long-term use temperature of 400℃ hot air circulating resistance furnace and key components and selection principles. Evenly distributed on both sides using a plurality of heaters and air circulation as the main mode of heat transfer to the workpiece heating， take with PID parameters self-tuning capabilities of the intelligence program regulating temperature control instrument. Experimental results show that the thermostat at 350℃， the furnace temperature uniformity up to ± 3℃， temperature control accuracy up to ± 1℃， to meet the high-precision， high uniformity and high stability of temperature control.

【Key words】Resistance furnace；Hot；Air circulation；Box-type furnace

0 引言

热风循环箱式电阻炉，是一种借助高温循环风机使炉内气氛强制流动的加热设备，通过加强对流传热，提高炉温均匀性，加快升温速率。

本文所述热风循环电阻炉的电热元件均匀布置在炉膛两侧，与炉膛内工件之间有耐热不锈钢隔板，隔板与炉膛侧壁形成气流通道，循环气流入口处设置有控温热电偶，出口处设置有测温热电偶。炉膛外侧与炉架之间采用全陶瓷纤维保温材料。保温材料与外挂板之间留有空气夹层，以降低设备表面温度。图1所示为该设备的结构简图（俯视）。大容积热风箱式炉设计

臧福海

（中国电子科技集团第43研究所恒力公司，安徽 合肥 230088）

【摘 要】本文介绍了一种有效容积为1.8m3，长期使用温度400℃的热风循环电阻炉的结构特点及关键部件的设计方法和选用原则。采用两侧均匀分布多个加热器，且以空气循环为主要传热方式对工件加热，采取具有PID参数自整定功能的智能程序调节仪进行炉温控制。实验结果表明，恒温350℃时，炉膛内温度均匀性可达±3℃，炉温控制精度可达±1℃，满足炉温控制的高精度、高均匀度以及高稳定性的要求。

【关键词】电阻炉；热风；空气循环；箱式炉

Large volume of hot air box furnace design

ZANG Fu-hai

（Hengli Eletek Co.，The 43rd Research Institude of CETC，Hefei Anhui 230088）

【Abstract】This paper describes an effective volume of 1.8m3， design methods structural characteristics of long-term use temperature of 400℃ hot air circulating resistance furnace and key components and selection principles. Evenly distributed on both sides using a plurality of heaters and air circulation as the main mode of heat transfer to the workpiece heating， take with PID parameters self-tuning capabilities of the intelligence program regulating temperature control instrument. Experimental results show that the thermostat at 350℃， the furnace temperature uniformity up to ± 3℃， temperature control accuracy up to ± 1℃， to meet the high-precision， high uniformity and high stability of temperature control.

【Key words】Resistance furnace；Hot；Air circulation；Box-type furnace

图1 热风循环箱式电阻炉

1.循环风机；2.炉架；3.炉膛；4.炉门；5.加热元件

1 结构及控制系统设计

1.1 结构设计

炉膛采用SUS304不锈钢板制作，围成加热及热风循环腔体；炉膛有效使用容积约为1100×1200×1275mm。热空气在炉膛内流动，大大提高温度均匀性。由于热风的搅拌，加强了炉膛内气氛的对流和均热作用。

炉膛和炉架为分离设计，炉膛置于炉架底部的6个承重滚轮上，前后可自由滑动。当炉膛受热时，可沿长度方向自由伸长。

图2 炉门示意图

1门框；2.转臂；3.锁紧机构；4.密封条

为防止炉膛内热气泄漏，炉门处从内到外共设计了2层密封。内层采用陶瓷纤维绳密封结构，外层采用硅橡胶密封圈密封，为延长其使用寿命，在炉膛口密封处设计有不锈钢冷却水套，用于冷却降温。门锁采用多点手轮旋转方式锁紧机构，可以同时对门四周均匀锁紧。另外炉门固定装置安装于炉膛端面，采用活动双铰链机构，可随炉膛自由伸长而移动，密封效果更好。

设备顶部设计有排气烟囱，用于排放加热过程中产生的大量废气及烟雾，可通过风门调节把手来控制排放流量。

图3 热风炉外形示意图

1.2 控制系统

控制系统集成在炉体上。选用日本岛电FP93智能程序温控仪，该仪表可带4组曲线最大40段可编程，6组专家PID参数，更高级的区域PID算法，温度曲线的调节通过设定自动控制进行。

图4 自整定示意图

PID将偏差比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Derivative）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制[1]。温控仪接受热电偶检测的信号，控制电力模块。该仪表具有PID参数自整定功能，如图4所示为自整定示意图。

2 参数计算

2.1 功率计算

最大加热功率是指炉内电热元件在单位时间内所能提供最大加热能力。根据炉膛容积或单位炉膛内表面积，按表1所列公式和数据可概略计算最大功率。根据设备使用率的高低来选择表中的上限值及下限值。

表1 炉膛内表面积与加热功率的关系

本文所述设备炉膛内表面面积总和大约为8m2，设备最高使用温度为400℃，取单位表面积功率值为6kW，根据公式可计算出加热功率大概为8×6kW=48（kW）。

热风炉的循环风机驱动炉膛内气体在炉膛内循环流动，沿途克服这些阻力所消耗的电能，最终都转化为热量，其中大部分为循环气体吸收，少部分被风道所吸收。

电能转化的热量可按下式计算：Q=Pn（kW） （1）

式中：P―电机功率（kW）；

n―电能转化系数，离心风机为0.65～0.75；轴流风机为0.7～0.8。

由式1可见，热风电机的大部分机械能都转化为了热量。确定设备加热功率时，应考虑该部分热量的作用。

2.2 循环风量计算

气流速度与炉膛温度均匀性有密切关系，流速越大，越有利于提高炉温均匀度。由于气流沿途有温降，用气流在炉膛内的循环次数能更确切地反映气流速度与炉温均匀度的关系。

循环次数是指气流在炉膛内每秒钟流动的周期数。循环次数越高，炉温均匀度越好。循环次数一定时，气流流动路途越长，所需气流速度则越大，因而所需循环空气量也越多[2]。

已知气流速度或气流循环次数以及炉膛气流通道的截面积，即可算出循环风量：

V=3600ωAK（m3/h） （2）

式中ω―气流速度（m/s）；

A―气流通道截面积（m2）；

K―气流换算系数，查询相关资料对于此类炉型取K=1

按图2所示尺寸，可得出通道截面积A=0.15*1.274≈0.2m2，通道长度约1.4m，取循环次数为0.5，可知ω=1.4/2=0.7m/s，通道数取9。可得出

V=3600*0.7*0.2*9*1=4536（m3/h） （3）

图5 炉膛风道尺寸

3 加热元件

3.1 加热元件类型

图6 加热管

本文所述电阻炉的加热元件为管状电热元件，由金属管、螺旋状电阻丝及导热性、绝缘性好的结晶氧化镁等组成。具有热效率高、寿命长、机械强度好、安装方便、使用安全等优点。

3.2 加热元件安装

加热元件布置于炉壁与炉膛内隔板之间的气流通道内，以横向排布方式均匀布置在炉膛两侧（如图1所示）。为便于底部温度的调节，也可额外在炉膛底部布置加热元件。

4 热风循环装置设计

4.1 风机位置设计

风机位于炉膛后部，通过蜗壳及两侧风道将空气吹过加热元件，气氛加热后。水平进入炉膛内对工件进行均匀加热，然后经后部吸风口吸入循环风机，充分循环搅拌。

图7 风机位置图

4.2 导流装置设计

蜗壳对风机性能影响很大，若去掉蜗壳，风机性能将下降50%以上。本文所述热风箱式炉采用双循环方式，风机置于炉体后部，两侧共两个循环风道，后部蜗壳双向出风。

在热风腔体中，由于空间有限，蜗壳的扩张段较短，出口面积大，气流压力损失较大。在设计蜗壳时，导流片的形状应力求扩散合理，导流片数量以4～8片为宜，导流片安装角度根据叶轮形状和流量大小而定。蜗壳的宽度设计时以不碰到叶轮为准。蜗壳结构示意图如图8所示。

图8 蜗壳结构示意图

5 小结

对于热风炉，炉膛内的循环风起着至关重要的作用。因此，设计的关键是确定炉膛内气流速度和循环风量，合理的流速和风量直接影响着炉温均匀性和烧结产品的质量。而影响循环风的因素，除了风机本身性能之外，导流装置的结构亦至关重要[3]。

采用理论计算法确定流速较繁琐，而经验法较直观，在工程设计计算中，一般我们倾向于用经验法，理论法只作为设计合理性的验证。

【参考文献】

[1]吕小红.电阻炉智能温度控制系统的设计与应用[D].武汉科技大学，2008.

[2]王秉铨.工业炉设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010，784-788.

[3]付德兴.空气循环电炉的设计与计算[J].科学与财富，2013（7）.