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Abstract
Thisdesignisavacuumfurnace,themainpurposeistomillthesteelbeforevacuo.Furnaceinmetallurgy,chemicalindustry,machinerymanufacturingandotherindustrialsectors,inordertofueltheflamesoftheburningindustrialfurnaceair,oxidizinggasesandothermediaenvironmentcollectively.Thisarticleisbycombiningtheadvantagesofthevacuumfurnaceandthevacuumfurnaceandthefurnacedesign.
Inordertodesignsuchavacuumfurnace,thispaperfromallaspectsofrationalanalysis,structuraldesignfromthepreviousfurnaceandvacuumfurnacestartingtodesignitforpurposes.
Thispaperbeginswiththeadvantagesanddisadvantagesofvacuumfurnacedesignedaftercomparison,andthencomparedwiththeadvantagesofaconventionalfurnace,thatweavacuumfurnace,thefurnacecanunderstandtheexistingstructure;
Thenfromsteelfindtheprocessinlinewiththebeperformedinavacuumfurnace,buttheprocessoccursinavacuumenvironmentmoreperfect;
Thenthevacuumfurnacedescribedthestructureofthedesignideaanddesignofthevacuum,understanditstechnicaldifficultyleakthroughtheunderstandingofthistechnology,aswellastheirownexploration,youcanmasterthemaintenancetechnology.
Thispaperisinfullaccesstorelevantinformation,combinedwiththeuseofAutoCADdesigndrawingplanarstructureofthevacuumfurnace,Cimatrondrawnbythespatialstructureofthevacuumfurnace.
Keywords:
Thevacuumfurnace;
Leakdetectiontechnology;
Process
摘要I
AbstractII
第1章绪论
1.1真空热处理技术及其应用
在国家节能、钢铁产业结构调整、淘汰落后产能的政策引导下，近年来我国轧钢技术发展很快，新建或在建的轧钢生产线不断增加。
钢铁生产能耗结构中，轧钢工序仅占总能耗的10%～15%，轧钢加热炉是轧钢系统的主要耗能设备，占轧钢工序能耗的60%～70%。
因此，轧钢工序的节能重点是轧钢加热炉节能[1]。
随着轧钢产能的提高，轧钢加热炉数量增长迅速，而且向大型、高效、低污染等方向发展。
加热炉是轧钢厂的主要耗能设备之一，其能耗水平直接影响轧钢生产成本，因此降低燃料消耗，提高燃料利用率，减少钢坯氧化烧损是加热炉设计和开发的主要方向和目标。
随着技术的改进，现在开始尝试真空加热炉。
真空热处理是应用于制造工业中，为了使工业产品具备良好性能的必要中间工序。
在航空部门，飞机制造的中间工序——钛合金热处理所需设备为大型真空热处理炉。
国内相关的文章对其控制系统的理论和实际的工作研究的并不多见。
这篇文章将结合实际经验，并建立在前人的基础上，对先进真空热处理予以阐述。
对于真空热处理炉，国外发展的较为先进，如法国的ECM公司，俄罗斯尔热尔夫公司，美国VFS公司生产的真空热处理炉均具有较高的性能指标和实用价值。
对于炉膛体积大，有效工作区5立方米以上，炉膛体积10立方米以上的大型真空炉控制系统具备完善的理论基础和实践能力。
其中，钛合金热处理真空炉极限真空度可达到10-4Pa。
温度控制采用多种方法，自适应PID，以及模糊控制，小型DCS控制相结合。
总体上通用性强，系统组态灵活，控制功能完善，数据处理方便，显示操作集中，人机界面友好，安装简单规范，调试方便，运行安全可靠，控制效果好，造价低等优点。
我国真空热处理设备长期处于落后状态，国家经济基础又薄弱，所以目前仅在一些重点企业和新兴企业得到了根本性的技术改造和更新，设备也多引进国外生产的真空炉，而大多数的热处理车间仍没摆脱落后状态，其中国内缺乏大型真空炉的生产厂家，个别也是与国外厂家进行合作并采用国外的先进技术设计制造，或者国外厂家在国内兴办独资企业。
由于许多技术均有差距，如制造大型炉壳的剪板机和卷板机国内鲜有，即使生产出能够保持有效工作区尺寸的炉壳，同样尺寸的抽真空系统却难以保证生产零件过程中所需的真空度，以及抽高真空的扩散泵所用的泵油难以达标等等。
而且国内有一些陈旧的设备正在使用，由于基本上可以满足使用要求，故还没有进行更新换代。
因此，也不可能在短时间内都
得到全面更新。
例如飞机制造行业，由于飞机零件体积大，所需材料特殊（钛合金），热处理过程中又不允许氧化，所以只有拥有高真空度的大型热处理真空炉才能满足要求，而国内很多厂家只能生产中小型的热处理真空炉。
同时，对于大型真空炉的控制需要的技术也较为严格。
另外，生产工艺如果变化，控制系统的元件和接线也需要大的变动，改造工期长，费用高。
再有，许多设备没有自诊断功能，需要技术人员一点一点去查找故障。
无疑这些很大程度都影响了工期。
这些年，国内对于某些自动化技术方面的发展已经有了长足的进步，有的已经达到了国际先进水平，但是能否将这些技术整体化，生产出各项具有自动化先进水平元器件控制先进的大型自动控制设备尚需时日。
由于原有的设备控制系统较为落后的现状，这也决定了我国热处理设备发展必须要走根本性更新和设备技术改造两条道路。
因此，加快热处理设备技术更新的步伐，提高热处理产业的。
整体素质是我国热处理行业的当务之急。
对于真空热处理设备控制系统的研究，可以寻找到与国际水平的差距，提高工程技术人员的技术水平。
对从事理论研究的技术人员提供一定的理论基础，采用怎样的控制系统可以进行自动查找故障，并在关键时刻能够及时简单处理，以保护设备。
采用怎样的控制方法可以更好地满足真空炉的炉温均匀性，采用怎样的抽真空设备可以达到极高的真空度，
以至于让真空热处理在各个行业得到更广泛的应用。
1.2加热炉应用中的问题及对策
1.2.1加热炉应用中出现的问题
近几年是我国钢铁产业的大发展时期，大型钢铁企业因产品结构调整，新建或改建项目大部分是热带，中厚板及冷轧，镀锌，彩涂等。
地方中小型和民营钢铁企业多是建设和生产棒线材，窄中宽及型钢等产品。
随着近年来钢铁产量的迅速增长，钢铁工业占全国总能耗的比重越来越高，到2007年，钢铁工业的总能耗占全国能耗的14.71%。
由于现代钢铁产品产量，品种的升级，深加工能力不断增长，轧钢工序能耗在不断增加。
加热炉是轧钢厂的主要耗能设备之一，其能耗占轧钢工序能耗的60%-70%，其能耗水平直接影响轧钢生产成本。
因此降低加热炉能耗是轧钢节能的主要方向和目标。
我国冶金行业轧钢加热炉有几千座，包括近年新建及改造的蓄热式加热炉,在运行、使用过程或多或少地存在问题，其能耗水平相差很大，有的加热炉单耗达70-80kgt，节能潜力十分巨大。
不仅如此，加热炉在运行过程中也存在着很多问题，如燃烧，冷却系统，钢坯加热不均，氧化烧损，热工制度，炉压等等。
下面就对其中常见的一些问题进行说明：
a、煤气压力、热值波动
煤气压力、热值波动次数跟公司检修和煤气用量大小相关，由于较难预知其变化，因此调控较困难。
各种中板厂，型材厂和高线厂均反映存在煤气压力、热值波动的问题，煤气管网的压力和热值波动，直接导致空燃比失调，引起加热炉燃烧不完全或排烟热损失增多，造成加热炉燃耗增加。
b、烧嘴堵塞、腐蚀漏气和烧嘴砖烧损
烧嘴堵塞、腐蚀漏气的原因是煤气净化不佳，含尘、硫、焦油和苯等杂质高。
冬季长期往管道通入蒸汽，造成管道末端、加热炉烧嘴煤气通道堵塞或腐蚀漏气。
烧嘴砖烧损的原因是由于烧嘴砖在急冷急热和高温条件下工作,烧损严重。
烧嘴堵塞、腐蚀漏气和烧嘴砖烧损严重直接导致加热能力下降，燃烧不完全增加，影响燃耗与安全。
c、换热器损坏,影响换热
各轧钢厂的换热器无论是煤气还是空气换热器，都会出现不同程度的损坏。
如空气换热器的第一排导气管封死，减少了均热段端烧的风量；
煤气换热器腐蚀老化严重，造成煤气泄漏自燃,在无备件的情况下，只好将煤气换热器甩掉，煤气不预热，直接输送到烧嘴，影响煤气燃烧,综合燃耗也将有所上升。
加热炉换热器使用时间长，性能下降，预热空气温度降低，对燃烧和节能有一定的影响。
d、炉头、炉墙冒火,增加散热损失
加热炉侧墙密封性差，在轧制小规格产品时，轧制节奏慢，侧墙基本上无冒火现象；
轧制大规格时，轧制节奏较快，炉压较高，造成侧墙冒火。
加热侧炉墙与炉顶预制块之间出现缝隙，造成窜火、透红现象，尽管从炉外进行局部修补，但炉外砌筑效果不好，可能再次出现透火情况。
e、炉底结渣严重
近年由于轧钢产量持续增加，加热炉负荷进一步提高，加之加热炉炉压不好控制，吸冷风较严重，导致炉底结渣严重。
实炉底部分结渣形成不规则固体，向炉头方向延伸到出钢滑道，有时影响正常出钢。
f、其他问题
加热炉使用水冷,且冷却水的水温偏高,造成两方面的后果,一是炉内水管容易结垢；
二是带走炉膛内的热量,增加热耗。
无论是蓄热式加热炉还是常规推钢式和步进式加热炉,由于长期在高产、高温、超负荷状况下工作,其使用寿命越来越短。
同时指出蓄热式炉蓄热体板结、损坏和阀门故障、使用寿命等问题需进一步改进研究。
1.2.2针对问题的解决办法
针对这些问题，可以采用以下对策进行解决：
a、煤气压力、热值波动问题。
可以采用煤气稳压装置,规划时就应考虑建设煤气柜来缓解煤气供需平衡；
在加热炉使用燃料问题上采用单一煤气,或做好煤气混合比例稳定煤气热值；
增加热值仪加强煤气热值监控；
检修时错开各加热炉检修时间,这样来缓解煤气压力和热值波动问题[2]；
在加热炉控制方面可采用最佳燃烧控制技术解决煤气压力、热值波动影响燃烧的问题。
解决煤气压力、热值波动影响燃烧的问题。
b、烧嘴问题。
可以利用干法代替湿法减少煤气含水,加强净化,提高脱硫脱焦效率；
定期检修清理烧嘴内粘结物,选择高性能耐高温材料；
在轧钢许可情况下,尽可能降低出钢温度,减少待轧时间；
对于蓄热式烧嘴选择急冷急热、热震稳定性好的蓄热体；
优化加热工艺制度等。
震稳定性好的蓄热体；
c、换热器问题。
主要是控制排烟温度在110℃以上,防止酸腐蚀,定期排水除去煤气积水,防止超温过烧,从材料角度可选择耐高温耐腐蚀的换热器。
d、炉头炉墙冒火可控制炉内压力为低于20Pa的微正压,损坏炉墙采取灌浆修补,炉底结渣可定期清理,同时采取措施减少氧化烧损。
e、提高自动化水平,减少人工操作,利用汽化冷却或无水冷替代水冷方式,加强管理,防止加热炉超温、超负荷运行等。
尽管有很多解决办法，但是还有一些问题是不好解决的，比如品种钢的加热节能（由于品种的不同，要求钢坯缓加热或出钢温度升高，则钢坯在炉时间延长会导致加热炉能耗提高），钢坯加热均匀性（以往多采用红外热成像技术对不同规格的钢坯加热均匀性进行研究，钢坯温差小于50℃，基本可满足轧制要求），加热制度（加热炉的加热制度是决定钢坯加热质量的关键），氧化烧损（影响氧化烧损的主要因素有钢坯加热时间、出钢温度和炉内氧气氛），很多的轧钢技术对于现在来说，很多都已经过时了，这些解决办法只能解决燃眉之急，我们要看的长远，在解决这些燃眉之急时，我们还要考虑现在处于世界先进水平的真空热处理技术，我们都看到真空热处理出来的产品有很多优点，无论是在节能上还是在产品质量上，都有很大的提升。
1.3真空热处理炉及其控制系统
热处理是工业一个分支。
真空热处理的目的并不脱离热处理本身，它是热处理的一个分支，主要目的是为了防止工件在加工过程中产生氧化和脱碳。
将真空技术应用于热处理炉，几乎可实现全部热处理工艺。
诸如淬火、退火、回火、渗碳，氮化。
不锈钢、耐热合金经热处理退火后，不仅可获得光亮或光洁的表面，而且与空气下退火相比，还能提高表面的耐腐蚀性能。
真空炉很适合工、模具的热处理。
由于加热速度较慢，因而工件淬火后变形较小。
一般情况下，其使用寿命均较其他热处理提高几倍，甚至几十倍。
在航空工业中，如机翼大梁、起落架、高强螺栓等结构件，如在空气炉中处理，工件要脱碳；
在盐炉中处理，又必须严格的清洗，否则会引起工件的腐蚀。
然而，真空热处理是很理想的。
经真空热处理后，强度提高，而可塑性和韧性没有明显变化，冲击疲劳寿命提高1.5～2.4倍，拉伸疲劳寿命提高1.6～3.5倍。
可见，在真空状态下完成热处理工艺，不仅满足基本的热处理要求，而且还会不同程度提高零件的加工质量。
真空热处理工艺需要温度和抽真空控制。
温度控制有较强的理论基础，使用单片机、PLC、工控机，甚至模拟仪表都可以进行控温。
但对于抽真空设备，要求的性能指标比较高，国内对此研究的论文不多见，对于它的控制也是个待进一步研究的课题。
控制系统的应用分析。
对于真空热处理炉各项技术关键如真空度、温度、循环水、炉门的开关以及报警等采用怎样的控制系统呢？
20世纪后半叶，由于计算机、通信、控制、仪表、软件等技术的飞速发展，不仅产生了多种多样的自控产品，也丰富了人们进行自控设计的思路和方案。
接着出现了许多种工业控制系统，下面依次给予介绍。
1.3.1集散控制系统
集散控制系统是由回路仪表控制系统发展而来，初期的功能以回路调节为主。
随着微处理器和单片机的出现，它把顺序控制技术、数据采集、过程控制的模拟量仪表和过程监控装置等有机地结合在一起，形成了新一代的集散控制系统。
真空热处理炉由于各部分控制系统工作时独立控制，而又互相关联。
因此，对于整个系统来说，应该有一个控制的核心使得各部分能够相互协调，这就是集散系统中的集中管理[3]。
而对于各部分控制系统，由于它们的控制方法各有不同，因此也就体现集散系统中的分散控制。
很早以前，人们就将真空技术应用到热处理行业当中。
但是当时控制系统的水平还很落后，因此长期以来很大程度制约了真空热处理技术的发展。
1.3.2继电器控制系统
在上世纪70年代末，由于集散系统的出现，真空热处理控制技术有了很大跨度。
但是由于单片机的局限性，传统的继电器系统是针对一定的生产机械、固定的生产工艺而设计，采用硬接线方式安装而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，即只能进行开关量的控制。
一旦改变生产工艺过程，继电器控制系统必须重新配线，因而适应性差，且体积庞大，安装维修均不方便。
1.3.3计算机控制系统
随着工业控制计算机技术的发展，计算机图形显示在中小型的控制系统中得到了广泛应用，对系统来说，用图形来显示被控对象在操作过程中的状态，清晰明了，形象直观。
结合当今软件发展趋势，利用VB作为平台开发图形监控软件。
VB为应用程序的使用提供了完备的文本和图形功能。
如果在程序中将文本当作可视化的元素，则其大小、形状、颜色都可以看到，这就能增强所提供的信息的可视性。
同时，VB在设计时还提供了一些有很大灵活性的图形功能，包括添加通过显示一连串图像所实现的动画。
在工业控制中采用友好人机对话界面，并采用专用控件与PLC进行通讯[4]。
这次真空热处理炉控制系统的设计就是采用编写程序显示了真空度，温度，循环水传感器的值以及整个真空炉系统的外观图。
此外，它还能够提供各种数据采集和控制功能，能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口，是能够在工业环境可靠运行的计算机系统。
工业控制机是由通用微机推广应用发展而来，硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势。
但是，使用工业控制机的人员技术水平要求较高，一般应具有一定的计算机专业知识。
工业控制机在整机结构上尚不能适应恶劣的工作环境。
因而，不如PLC那样容易推广。
1.3.4PLC可编程序控制系统
现在的真空热处理炉控制由于采用PLC，并应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能是通过软件来实现的，只要改变程序，就可适应生产工艺的改变，因而适应性强。
它不仅能完成逻辑运算、定时、计数等功能，而且能进行算术运算，因而既可进行开关量控制，又可进行模拟量控制，还能与计算机联成网络，实现分级控制。
况且PLC体积小，重量轻，结构紧凑，开发周期短，安装和维护工作量小，PLC还有自诊断功能，其可靠性极高。
因此，在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制系统，大多数被PLC所取代。
因此PLC可编程序控制器已经深入真空热处理控制技术，可编程序控制器的硬件标准化和通过各种各样的软件程序满足了用户不同的控制要求。
它作为控制系统的核心[5]，使得许多工程技术人员得心应手，解决了越来越多工业生产的关键问题。
长期以来，PLC之所以处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
其主要原因在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适用于当前工业企业对自动化的需要。
1.4本课题研究内容及意义和目的
1.4.1课题研究意义与目的
随着科技的发展,近几十年里,加热炉已经有了飞跃的发展，真空加热炉已经开始取代普通的加热炉。
为了更好的了解它的作用，我们需要研究真空加热炉的结构，系统功能，优点和缺点，并使得我们跟上科技发展的步伐
真空加热炉和普通加热炉相比有很多的优点是我们可以接受的，前者能为我们节省很多的能量，并且通过真空加热炉热处理后的产品有更加好的质量，跟适合我们接受。
后者在加热过程中，由于空气中氧气等氧化性气体会对钢铁等有很大的氧化作用，使得产品质量降低很多。
而在其他的行业，比如轧钢之前的加热步骤中，也有很多的热量损失，而在国内很大部分都是普通的加热炉，在加热过程中，由于气体携带热量流失，造成很大部分热量损失，除了热量损失外，由于氧化气体的氧化作用，使得质量有所下降。
使得对真空加热炉的研究和设计成为必须。
通过对真空炉和加热炉的研究，使得真空炉和加热炉相结合，可以设计出真空加热炉，它能继承真空炉和加热炉的优点，并且剔除一些缺点，从而提高产品的质量，从而达到世界先进科技技术，让我们的钢铁产品质量越来越好，并且往其他相关行业深入。
1.4.2课题主要研究任务
本课题主要任务就是设计真空加热炉的结构，并且用相关软件出他的三维吐出来，同时，对于真空加热炉的原理，一些相关设备的用途要有一定的了解，并且对一些工具做出选择，选择用什么型号的，什么类型的。
主要内容可以分为以下几个部分：
a、对于真空加热炉的结构做出设计；
b、了解主要结构的尺寸大小；
c、了解主要的一些工艺参数；
d、一些主要零部件的选择；
e、用相关软件做出真空加热炉的三维立体图。
第2章真空加热炉技术
现在真空加热炉已经有一些出现在机械行业了，虽然不是轧钢之前加热的真空加热炉，但是也是一种成功的先例，我们可以通过这些设备的成功运行得到启发，为我们成功设计出所需的真空加热炉做准备。
现在已成功开发在机械行业的真空加热炉有以下几种：
1、真空高压气淬炉；
2、真空油淬炉；
3、真空退火炉；
4、真空烧结炉；
5、真空钎焊炉；
6、真空扩散焊炉；
7、真空回火炉。
尽管都是真空加热炉，但是每个真空加热炉用途，结构，各种装配各有不同。
以下是对它们的分类总结：
2.1真空高压气淬炉
用途：
主要用于高速钢、工模具钢、不锈钢的淬火；
不锈钢和钛合金的固溶处理；
磁性材料的真空热处理及高温钎焊和真空烧结。
加对流风机还可进行低温回火。
结构特点：
加热室采用不锈钢骨架、新型碳毡复合材料，变形量少、耐高温高压气流冲刷，使用寿命长，易维护。
采用石墨管加热器，易安装维护，故障率低。
气冷采用喷射式冷却方式，石墨喷嘴圆周均布，使高压气流流动更合理（部分主风管风量大小可调，客户可根据工件的特点控制部分主风管风量的大小），能有效控制工件变形。
高速高压大流量风机[6]，铜-铜高效圆型换热器，实现高速冷却。
风机可采用单速、双速、变频调速多种方式，控制风冷速度。
加热室也可以采用全金属结构，以满足钛合金、精密合金的固溶处理要求。
电控系统采用PLC与可编程温度控制器的方式，实现全自动、半自动、手动三种控制方式，操作灵活。
技术参数，见表2-1：
表2-1真空高压气淬炉技术参数
最高温度
1320℃
控温精度
±
1℃
炉温均匀
升级会员 