浅析真空热处理炉的节能设计

浅析真空热处理炉的节能设计

叶祥

（上海三井真空设备有限公司技术部）

摘要：目前，我国正在大力推进生态发展，推行绿色环保、气候适应型及可持续发展，因此节能减排将是今后的发展趋势。一直以来，在生产过程中对于能源的消耗都存在很大的浪费问题，为了应对发展趋势，各行业均在大力发展节能减排技术，其中应用广泛的热处理行业也是一个正大力发展节能技术的行业。

热处理行业最重要的就是热处理炉，与传统热处理炉相比，真空热处理具有节能、污染小等众多优点，而且热处理后的产品质量好、性变小，越来越受到重视；现在它正被广泛的应用在生产过程中，是近年来发展较快的一种热处理技术。要实现品质优良的真空热处理，就必须要有一个好的真空热处理炉；判断一个真空热处理炉到底好不好，除了真空度、均温性、压升率等要求外，还有一个重要特点，就是要节能。虽然现在的真空热处理炉比传统的热处理炉要节能很多，但是其节能效果并不理想，还有很大的改善空间。

本文论述了真空热处理炉实际设计中的一些节能方法，通过一些技术改进及技术创新，能够有效地降低真空热处理炉的能源消耗，实现节能效果。

关键词：真空热处理炉、节能、工件架、热屏蔽、炉体、水套

一、真空热处理炉

真空热处理技术是把热处理技术和真空技术相结合的技术，它需要把这两种技术紧密的结合起来。

传统的热处理炉，处理的产品在空气环境中进行加热，会和空气中的氧化物进行反应，虽然能提高产品的强度，但是在形变、氧化等方面存在不足，而真空热处理炉是在真空环境下进行加热，由于真空的保护，处理后的产品避免了杂质混入，还能对表面进行净化，还原附着的氧化物，同时形变小，不易开裂等。

二、节能

真空热处理炉的节能技术主要体现在两个方面：节电，就是降低电能消耗；节水，就是减少炉体、泵组等关键部位的冷却水用量。

真空热处理炉消耗的电能绝大部分转化为热能，要减少真空炉的耗电量，就必须考虑它的热量消耗。它包括两部分，1.产品和工件架受热的有效功率；2.通过热屏蔽、水冷电极、观察窗、支撑柱等损失的热功率。

加热器发热的总功率：（公式1）

（—产品升温的功率；—工件架升温的功率；—通过屏蔽辐射损失的功率；—通过水冷电极的功率损失；—通过观察窗辐射损失的功率；—其它传热损失）

要节电，可以从两方面考虑：1.减少内部的热容量，在加热区域内，减少除产品外其它部件的热容量；2.减少炉体对外的热量消耗，主要是炉体被冷却水带走的热量。要节水，必须提高冷却水的冷却效率，达到节水效果。

在公式1中，除了工件升温的功率为有用功率外，其它都是不必要的功率，其中、占据绝大部分，下面从这两方面来进行设计说明。

三、工件架

工件架是随着产品一起升温的。要想减少工件架升温所需要的功率，就要降低工件架的比热容和热容量。比热容和材料本身有关，热容量除了材料本身外，还和质量有关，因此，在材料选择上，除了要满足高温下的强度要求，在承受产品重量时，不能产生大的热形变，更不能发生断裂，同时比热容要小，因此我们一般采用高温不锈钢或钼（根据炉膛温度而定）作为工件架的材料，它们基本满足上述要求。

工件架设计时要简单、用料少，强度高，尽量减少工件架的质量，质量小热容量就小；所以，我们采用栅格结构的工件架（图1），这种结构，除了热容量小、强度高等因素外，还有一个重要的因素是具有很好的透光性。在真空里加热，绝大部分加热是依靠热辐射来进行，而辐射加热，中间就不能有阻隔，而栅格结构，有利于底部热能直接穿过工件架辐射到产品上，提高传热效率。

从公式2可以看出，热屏蔽层数越多，保温效果越好，但是当层数达到一定数量后，效果就不明显，反而由于材料放气量增大，影响真空度；按照经验，以一层热屏蔽减少150℃，最外一层温度100～200℃来计算屏蔽层数即可，例如最高1200℃的炉膛温度，选择7层热屏蔽即可。

在设计热屏蔽时，热屏蔽间的连接既要牢靠，又不能有大的热量损失。以前屏蔽层之间的间隔需要间隔块来保证热屏蔽层之间的距离（图2），避免大面积接触，影响热屏蔽效果，但是一般间隔块的厚度有10mm左右，7层热屏蔽连接起来的厚度要60mm以上了，如果800℃以内的热屏蔽层之间可以采用不锈钢网间隔（图2），隔热效果差不多，层与层之间的间隙只需要3mm左右，800℃以上的热屏蔽层之间采取表面冲Ø5～Ø10的凹坑，面与面之间靠这些凹坑来间隔，这样也可以减少层与层的距离，这样设计的7层热屏蔽连接起来的厚度是20mm左右，比前面的方式减少40mm左右，包括炉体外壳直径同样减少相应尺寸。

五、炉体

炉体一般由炉筒及两个炉门组成，设计时，我们除了要满足炉体的强度、稳定性、气密性及加工性能外，还要考虑炉体的散热性能，因此在设计炉体时，一般从以下三个方面考虑：

1.原材料：炉体材料包括炉门及真空管道应选择焊接性能良好、漏放气率小的材料，保证焊接后密封性能好，真空度高。碳钢容易生锈，生锈后容易吸附气体，对真空度影响较大，所以对于高真空热处理炉，一般多选不锈钢作为炉体材料，而且不锈钢的热传导性能较差，这也是减少炉体散热的不错选择。

2.炉体形状：圆形壳体受压均匀，强度好，稳定性高。方形壳体受压不均匀，中间变形大，稳定性较差，所以同空间的壳体相比，方形壳体壁厚要大于圆形壳体，为了增强壳体的稳定性，方形壳体还要布置加强筋，增加壳体强度，而这些加强筋就像散热翅片，导致整个壳体散热加快，所以一般选用圆形壳体。

3.冷却水路：如果炉体不通水冷却，在炉膛温度达到800℃以上时，炉体外壁的温度会比较高，通常会达到400℃以上，这么高的温度不仅会损坏密封圈，还会对人身产生安全隐患，另外在较高温度下，炉体强度会减小，产生大的形变。所以，即使真空热处理炉的热量损失大部分是由炉体散失掉，但是为了防止炉体受热变形以及人身安全考虑，我们仍然对炉体通水冷却。

炉体的冷却水套也经历了数次改进，如图：从第一代的双层炉体（图4），到双层炉体加隔水环（图5），到现在的单独水套（图6），另外还有局部通水的热壁炉保温炉体（图7）。

双层炉体是早期的水套形式，一般下进上出，进出口位置错开，这种方式，冷却水流动方向不受控制，容易出现不流动的“死水”，导致冷却不均。

改进后的双层炉体，增加了隔水环，会强制冷却水按照隔水环的路径流动，炉体大部分区域都会有冷却水冷却，但是会在个别地方出现“死水”，另外隔水环一般沿炉体内筒焊接，为了方便套外筒，隔水环同外筒之间留有间隙，外筒和隔水环无法焊接，导致部分冷却水会从缝隙里流动，而不按照规划的路径流动，导致冷却效果大大降低。

现在单独水套是把折弯后的水套直接焊在炉体外壁上，冷却水按照水套路径流动，这种方式炉体整体的温度，有高有低，越靠近水套，温度越低，只要保证两路水套之间的间隔，就能把炉体温度降低到安全温度内。

还有一种是局部通水的热壁炉保温炉体，它是用一定厚度的保温棉把炉体包裹起来，让整个炉体外壁保持在200℃～300℃的温度（炉体强度没有明显降低），不通水，保温层外侧温度控制在安全温度范围内，尽量减少热量的散失，在局部不耐高温的地方，比如密封圈、观察窗等周边设置单独的水套进行冷却，这种方式节能效果显著，加热总功率可以降低20%以上。但是这种热壁炉也有一定的局限性，首先在炉体外壁加保温套，它的保温效果好了，同时降温速度也慢了，为避免产品氧化，真空机组必须持续运行，所以这种热壁炉最好和真空快冷装置配合使用，提高降温速度，效果才最好；另外整个炉体被保温棉包裹，检修时不方便。总之，这种热壁炉的保温炉体还有不完善的地方，需要进一步的改进、完善。

六、结束语

随着现代工业的发展，真空热处理炉的应用越来越广泛，目前真空热处理炉的节能效果已经有了相当明显的改进，但是进无止境，我们也将继续把真空热处理炉的节能设计进行下去，努力设计出性能更好、节能效果更显著的真空热处理炉。

参考文献：

[1]达道安主编.真空设计手册[M].北京：国防工业出版社，2004：947-954，984-985

[2]徐成海主编.真空工程技术[M].北京：化学工业出版社.2006：495-510

[3]徐宝亮主编.新编热处理设备选型设计实用手册[M].北京：中国知识出版社.2005：415-450