ZC30B真空加熱爐維修與技術(shù)改進(jìn)分析

蔣小軍 李海濱

（中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽621000）

1 設(shè)備簡(jiǎn)介及故障現(xiàn)象

該設(shè)備為ZC30B－13型臥式雙室熱處理爐（圖1），額定功率為30kW，最高使用溫度可達(dá)1 320 ℃，控制柜面板如圖2所示。

圖1 ZC30B－13型臥式雙室熱處理爐

圖2 控制柜面板

故障現(xiàn)象如下：

（1）加熱時(shí)電極的導(dǎo)線發(fā)熱異常，溫度太高。

（2）溫度控制誤差較大，溫控不精確，保溫時(shí)檢測(cè)到的實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度7～8 ℃。

（3）保溫期間電流表滿偏，設(shè)備配置的電流表量程為800A，故障出現(xiàn)后，電流表的指針已遠(yuǎn)超電流表的額定刻度值，無法準(zhǔn)確顯示此時(shí)主回路中的工作電流。

2 故障分析及處理方法

針對(duì)上述第一個(gè)故障現(xiàn)象，我們從該設(shè)備發(fā)熱體的特殊性判斷出應(yīng)該是發(fā)熱體連接不緊密，也就是所謂的接觸不良，然后又有短路現(xiàn)象所致。該設(shè)備的加熱室由石墨氈制成隔熱層，固定在金屬框籠上，放在爐體中間作為爐膛，石墨布固定在一對(duì)石墨匯流環(huán)上作加熱體，環(huán)上引出兩只鉬棒作為電極，它們穿過爐膛的絕熱層插入到水冷金屬電極中，金屬電極再穿過容器的最外層，其末端與外電路連接。加熱體的負(fù)載為石墨布，因?yàn)槭紝?dǎo)電性非常好，如果采用其他加熱元件，如爐絲或加熱棒，在一千多度的高溫下早已熔化，而且溫升較慢。以上這些部件如果破壞或松動(dòng)，都將造成工作異?，F(xiàn)象。

打開爐膛后，發(fā)現(xiàn)兩只匯流環(huán)都有不同程度的破損，尤其是前匯流環(huán)，兩只立柱與上環(huán)架和下環(huán)架的連接是線和點(diǎn)連接，鉬螺釘也已熔化了一半，再測(cè)加熱體與外殼的絕緣電阻，只有70Ω，已屬短路，上述這些現(xiàn)象，必將引起爐體電流異常。在尋找短路點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了以前從未見過的現(xiàn)象，爐體上大部分用于絕緣的瓷套管已被石墨的粉塵滲入，這樣瓷管就變成了導(dǎo)體，在沒有替代品的情況下，我們用砂紙將瓷套兩個(gè)截面清理干凈，這樣就可以使接觸于金屬的端面恢復(fù)到絕緣狀態(tài)。

對(duì)于第二個(gè)故障現(xiàn)象，控溫精度受多種因素影響，如鉑電阻、控制加熱體的導(dǎo)電執(zhí)行元件、溫控儀以及真空度。對(duì)于這臺(tái)設(shè)備，以前我們維修的內(nèi)容基本上是一些繼電器、加熱體等硬件或強(qiáng)電線路，這次出現(xiàn)的故障比以往復(fù)雜，須逐一排查每一部件，這臺(tái)設(shè)備的控溫線路在多年前已被改造過，改造后的電氣原理圖也沒有，無技術(shù)資料可查，于是嘗試著畫出它的主電路圖。這臺(tái)設(shè)備最初是利用兩種控溫儀表構(gòu)成兩套獨(dú)立的溫控系統(tǒng)，改造后，利用一塊較為先進(jìn)的溫控儀表FP21和設(shè)備原配的TG－1型可控制硅功率調(diào)節(jié)器組成了現(xiàn)用的溫控系統(tǒng)。

此時(shí)的控溫情況為：（1）當(dāng)設(shè)定溫度為200～250 ℃時(shí)，系統(tǒng)能在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)加熱到設(shè)定溫度，在保溫期間，精度可達(dá)±1 ℃，而且保溫期間的功率輸出基本符合FP21 型儀表經(jīng)內(nèi)部計(jì)算所顯示的功率大小，這可在電流表的指針指示體現(xiàn)出來。（2）當(dāng)溫度設(shè)定為400～450 ℃時(shí)，系統(tǒng)能在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度，但精度誤差為2～3 ℃。（3）當(dāng)設(shè)定溫度為600～650 ℃時(shí)，誤差為4～5 ℃。（4）當(dāng)設(shè)定溫度為800～1 100 ℃時(shí)，誤差為7～8 ℃。以上這些現(xiàn)象有一個(gè)規(guī)律：溫度越高，誤差越大，而且保溫時(shí)的功率輸出顯示與電流表指示值不相符，表現(xiàn)為FP21 顯示輸出功率為11%～12%時(shí)，電流表指示針在700～800A 范圍內(nèi)波動(dòng)，使得控溫不精確。

我們對(duì)能造成這種現(xiàn)象的相關(guān)器件做了逐一排查，采用新標(biāo)檢的鉑電阻，更換可控硅，最后對(duì)TG－1控制儀表內(nèi)部的相關(guān)器件進(jìn)行更換，發(fā)現(xiàn)問題依然存在。在這種情況下，必須要對(duì)整個(gè)線路及控制原理進(jìn)行清晰的分析，于是畫出儀表內(nèi)部及外部連接的部分原理圖。對(duì)于這個(gè)電路，筆者分析兩只可控硅反向并聯(lián)，就構(gòu)成了一個(gè)交流調(diào)壓電路，根據(jù)發(fā)熱體對(duì)電壓的要求，用兩組獨(dú)立的觸發(fā)脈沖信號(hào)G1和g去控制交流電壓正負(fù)兩半波的相位進(jìn)行交流調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。在這個(gè)電路中，380V 交流電壓經(jīng)變壓器變壓后輸出40V 交流電壓，變壓器容量為50kVA，兩只反向并聯(lián)的可控硅與加熱體串聯(lián)后接在變壓器次級(jí)?？煽毓杩刂平堑拇笮Q定了導(dǎo)通角的大小，控制角越小，導(dǎo)通角越大，則輸出的平均電壓值就越大；反之，控制角越大，導(dǎo)通角就越小，輸出的平均電壓值就越小。在加熱體功率確定的情況下，也就是該加熱體的材料為石墨布，它的額定功率為30kW，改變電壓的大小，也就改變了電流大小。這些過程的變化都取決于FP21 和TG－1 兩塊儀表的輸出指令及變化的信號(hào)，采用兩只可控硅反向并聯(lián)，是為了獲得電源在負(fù)半周時(shí)的電壓，提高電源的利用率。并聯(lián)在可控硅兩端的電阻和電容起保護(hù)作用，在可控硅一端出現(xiàn)過電壓時(shí)，電容就被充電，當(dāng)可控硅被導(dǎo)通后。電容就通過可控硅放電，為防止過大的電容放電電流通過可控硅，串聯(lián)了電阻進(jìn)行限流，這也是在其他很多電子線路中常見的阻容吸收電路。為了理解兩塊儀表的配合使用和內(nèi)部向外輸出的信號(hào)，筆者拆檢了TG－1周波控制器，試著畫出了局部的器件連接圖，這部分是觸發(fā)可控硅的主要電路。

至于第三個(gè)問題，也就是電流表滿偏，是石墨布的功率變大所致，以前的石墨布功率較小，現(xiàn)購(gòu)的石墨布功率較大，如果以本設(shè)備額定功率30kW 來計(jì)算，石墨布的阻值應(yīng)為P＝U2/R，即R＝362/30 000＝0.043 2Ω，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，利用5根窄石墨布便可達(dá)到23kW，這已能完全滿足工作需要，在滿功率工作時(shí)，工作電流已被控制在700A范圍內(nèi)。

3 難點(diǎn)及技術(shù)改進(jìn)

3.1 難點(diǎn)

該設(shè)備加熱體所有部件均為石墨材料，在操作過程中必須用手去緊固，如果利用工具，則會(huì)導(dǎo)致石墨螺桿及匯流環(huán)斷裂。

3.2 技術(shù)改進(jìn)

（1）該設(shè)備多年前曾被改造過，原設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)線路未被解除（因控制方式不一樣，現(xiàn)已不用）。將這套線路從現(xiàn)用的系統(tǒng)中剝離出去，解除相互聯(lián)系的各接點(diǎn)，簡(jiǎn)化了線路和易發(fā)生故障的分支線路，可為日后的維修減少排查線路故障的時(shí)間。

（2）利用鉬絲替代原用的石墨繩縫合爐腔的石墨氈，起到了既耐高溫又不易斷裂的作用。

（3）反復(fù)試驗(yàn)，將功率控制在23kW 之內(nèi)，既保證了工作使用要求，又減少了石墨布與匯流環(huán)之間的隱性故障。

（4）提高了匯流環(huán)的整體緊密度和機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。

（5）對(duì)電極輸出端改用多股焊靶線進(jìn)行連接，消除了高溫時(shí)電極易松動(dòng)過熱的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

以上為ZC30B真空加熱爐維修心得，希望能為同類設(shè)備維修與改造提供參考。

［1］張興.電力電子技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［2］樂建波.溫度控制系統(tǒng)——自動(dòng)控制專業(yè)項(xiàng)目教學(xué)教程之四［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.