近些年來(lái)，隨著航空、航天、核電、國(guó)防等尖端工業(yè)的發(fā)展，對(duì)鈦、鋯等稀有金屬管材的質(zhì)量有著極高的要求，真空退火是鈦、鋯等稀有金屬及合金材加工的重要工藝過(guò)程，真空退火爐的真空度、控溫精度和溫區(qū)均勻性要求越來(lái)越受到人們的重視。不同的真空狀態(tài)和退火溫度, 對(duì)稀有金屬管材產(chǎn)生截然不同的效果, 這是一個(gè)精密而復(fù)雜的過(guò)程。為了保證鈦、鋯等稀有金屬管材退火工藝要求和提高管材成品質(zhì)量, 必須對(duì)不同的材質(zhì)、規(guī)格、牌號(hào),選擇相應(yīng)的退火工藝曲線,并嚴(yán)格控制加熱工藝參數(shù),如:加熱溫度、升溫速度、保溫時(shí)間、真空度、加熱電流、電壓等。針對(duì)稀有金屬管材真空退火的設(shè)備特點(diǎn)和工藝要求以及退火溫度、真空度精確控制的需要， 研制基于IPC+PLC+智能儀表的管材真空退火爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)真空退火爐的抽真空、加熱、退火、快冷工藝參數(shù)檢測(cè)與全過(guò)程優(yōu)化控制，提高鈦、鋯等稀有金屬管材的質(zhì)量具有重要意義。

　　本文以西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司16m鈦管材真空退火爐項(xiàng)目為背景，結(jié)合鈦、鋯等稀有金屬管材真空退火工藝和控制要求，介紹稀有金屬管材真空退火爐計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制和技術(shù)特點(diǎn)。

1、管材真空退火爐工藝和設(shè)備特點(diǎn)

1.1、管材真空退火爐組成及其工藝

　　大型管材真空退火爐為冷卻水套式單室內(nèi)加熱退火爐。由爐體、發(fā)熱體、冷卻水套、真空系統(tǒng)、料車、進(jìn)出料臺(tái)架、冷卻水系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。如圖1 所示。

　　(1) 爐體：爐體為臥式圓筒形雙層水冷結(jié)構(gòu)。內(nèi)殼、外殼及法蘭的材料均為不銹鋼，鋼號(hào)為：1Cr18Ni9Ti，采用氬弧焊接。前后開門，前門裝料。爐門開閉采用氣缸推拉結(jié)構(gòu)，自動(dòng)開閉。配置寬帶式高溫合金加熱器。寬帶式加熱器與水冷爐壁間配置6層0.5mm 厚的奧氏體不銹鋼隔熱屏。加熱室安裝有兩個(gè)真空測(cè)點(diǎn)和一個(gè)16點(diǎn)標(biāo)溫接口。

　　(2) 料車：料車為框架式結(jié)構(gòu)，兩端固定有隔熱屏，采用高溫滾動(dòng)軸承，在爐室內(nèi)導(dǎo)軌上自如移動(dòng)。真空退火工藝第一步就是通過(guò)料車完成的，料車立柱上可放活動(dòng)橫梁，被退火管材放置在橫梁上，可擺放三層（根據(jù)料的直徑可進(jìn)行調(diào)整），由料車將料送進(jìn)爐室。

　　(3) 爐門：進(jìn)料端為平板式爐門，由鉸鏈懸掛在門式架上，由平移氣缸可使?fàn)t門移開。另外，門端有兩個(gè)爐門鎖緊氣缸，可將爐門緊緊靠在室體法蘭上。另一端爐門為全不銹鋼制的雙層水冷橢圓封頭結(jié)構(gòu)。鉸鏈連接側(cè)開門。爐門與爐體間采用氟橡膠密封件而達(dá)到高真空密封要求。在料車將料送進(jìn)爐室后，關(guān)上爐門。

　　(4) 真空系統(tǒng)：配三臺(tái)JK1000的擴(kuò)散泵機(jī)組以維持被退火材料退火各階段的較高真空度。每套JK1000擴(kuò)散泵配置由ZJP－1200羅茨泵和兩臺(tái)2X－70機(jī)械泵組成前級(jí)系統(tǒng)， 維持泵選用2X-30機(jī)械泵。真空退火工藝第二步即抽真空，爐門關(guān)閉以后，運(yùn)行抽真空子程序，在真空度逐漸提高的情況下，依次啟動(dòng)機(jī)械泵、羅茨泵和維持泵,直至達(dá)到真空退火工藝的要求。

　　(5) 加熱器及隔熱屏：爐內(nèi)共設(shè)9段獨(dú)立控溫的加熱器， 加熱器由Cr20Ni80電阻帶制成，6層不銹鋼隔熱屏。真空退火工藝是在達(dá)到工藝要求的真空度以后， 運(yùn)行加熱子程序，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的溫控曲線對(duì)管材進(jìn)行真空熱處理。

　　(6) 水冷系統(tǒng)：水冷系統(tǒng)包括水箱、管件及閥門均采用不銹鋼件。冷卻水系統(tǒng)具有水壓低、缺水報(bào)警及聯(lián)鎖保護(hù)功能。當(dāng)料完成退火工作后，溫度達(dá)到出爐溫度后，關(guān)閉預(yù)抽閥門，打開充氣閥門，待爐室壓力與外界壓力平衡后，就可以進(jìn)行出料和裝料了。

　　(7) 溫控系統(tǒng)：全爐采用九段加熱，每段加熱體、熱偶、溫控儀、可控硅調(diào)壓器控溫構(gòu)成，加熱功率720kW，用戶提供三相四線制電源3×380V+1，總功率不少于920kW。

圖1 管材真空退火爐組成示意圖

1.2、控制技術(shù)要求

(1) 最高工作溫度：850℃。
(2) 工作溫度：500～800℃。
(3) 控溫精度：±1℃。
(4) 極限真空度：1.33×10- 3 Pa。
(5) 工作真空度：1.33×10- 2 Pa。
(6) 壓升率：＜1 Pa/h。
(7) 爐溫均勻度：≤±3℃(在500～900℃范圍內(nèi)檢測(cè))。
(8) 爐壁溫升：≤50℃。

2、真空管材退火爐控制系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)

2.1、控制系統(tǒng)組成

　　真空管材退火爐控制系統(tǒng)采用研華工控機(jī)(IPC)作上位機(jī),可編程邏輯控制器S7-300（PLC）和可編程溫度控制儀Eurotherm 3504作為下位機(jī)，構(gòu)成IPC+PLC+ 智能儀表集散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鈦、鋯等稀有金屬管材真空退火爐生產(chǎn)過(guò)程中各工藝參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)與控制。控制系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成原理圖