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大功率热处理电炉控温失常的故障分析与处理

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2021-2-23 21:30:23  | 显示全部楼层
摘要:金属材料在经过热处理调质之后,其耐磨、耐震、抗冲击韧性和抗断裂韧度都会得到大幅的提升。而金属材料热处理三要素之加热、保温时间及降温速度又会给热处理电炉温控系统提出了更为精准的控制要求和标准。

关键词:热处理电炉温控系统

1、炉温失控的危害

我公司热处理车间拥有各类不同功率的大型箱式和井式电加热炉20台,每天要处理几十种类别、数以万件的各种规格磨耗板、车体减震弹簧、扁销、圆辊、端头和棘轮等等这些关乎铁路货车行车安全的配件,对其进行淬火、正火和回火等热加工处理。为适应铁路提速和货车"高速重载"的要求;对其实施更为准确的温度控制,是保障质量的必要条件,而热处理过程中,炉温检测、控制和记录过程这套闭环控温系统,将严格执行工艺曲线对炉温的升温速度和保温时间进行精密的跟踪与调控。当炉温控制中心——仪表温度控制系统及其整个加热控制电器链路中某个环节发生故障,都将造成炉温失常。轻者,会延长部件处理时间和交货周期,过分消耗能源;严重时将导致整炉处理的部件变成废料。

2、电炉加热丝分布及炉体差别

目前,箱式电炉和井式电加热炉功率均在100千瓦左右,个别大型箱式电炉更高达180KW。考虑到控制电器负荷对加热功率的限制和电炉丝工作温度对寿命的影响,电炉丝在炉内从中间被物理分开,呈现两段独立加热的控制方式。箱式电炉分为前和后加热区;井式电炉分为上和下两个加热区,在炉门上部还安装有搅拌电机,用于强制平衡炉内温场。虽然这两种加热炉体存在结构性的不同,温度控制回路采用的电器通、断开关也存在本质性的差异,但是它们所凸现的故障特征却有着明显的相似之处。下面就从剖析它们的温度控制回路来探询温度失衡的故障机理。

2.1箱式结构电炉控温原理

大型箱式电炉具有内部容积大,工件平台可以受控移出,工作温度又常常处于950度左右的高温范围,因此,适合大工件的热处理应用。(图一)是180KW箱式电炉的温度控制电路简图。

大功率热处理电炉控温失常的故障分析与处理
通过对电炉丝的测量,炉体中的两个独立加热区的阻值差异较大,前区分别为3.53欧和9.41欧;后区12.5欧和9.21欧,这是因为炉门上的电炉丝与前加热区的一路为并联结构,但这不妨碍前、后两个独立加热区域的划分。前、后温区分别由两个300安培的交流接触器控制380V加热电源的通断。

在炉体上方两个独立加热区域各自的中间部位,分别插入一根1.2米长测温用K型双芯热电偶,插入炉内深度应不超过150mm。其产生的能代表炉膛真实温度的4路热电势信号,通过K型补偿导线送给两组四块、分别用于温度设定的数字控制仪表和担负工艺曲线记录并兼查看加温时间的圆图记录仪表。两块数字仪表分别将两路温度控制信号,以"位式"开关量的形式直接输出给中间继电器,通过其通断,进而控制交流接触器的吸合与释放,从而完成电炉的升温与保温。

2.2 井式结构电炉控温原理

井式电炉的温度自动控制电路系统部分简图见(图二)。

大功率热处理电炉控温失常的故障分析与处理
井式炉被设于地面之下,占地空间小,受内部容积的限制,一般常用于小型散件的回火处理,工作温度在650度之下,做"碳、氮共渗"应用会升温至900度,虽然功率略小于箱式炉,但由于经常要处理到"铝座板"有色金属的缘故,故对测温控制系统要求极高。因此,控制回路不再沿用控温精度低,温区间存有温差的交流接触器那种"位式"控制方式。井式炉上部加热区和下部加热区各自中间位置的双芯K型热电偶,拾取出代表炉内真实温度的热电势信号,通过补偿导线传输给数字显示控制仪表和记录用圆图仪表。数字控温仪表时时比对预设温度与实际温度值之差,经过PID运算后,会输出与设定温度值呈反比之差的4-20MA的直流信号送给周波发生器,周波发生器同比例输出0—12V直流电压调整可控硅(双向可控硅或故态块)的导通量,对电炉进行全功率升温、保温以及保温过程中微小温值修正等,令其在全功率输出转至微弱功率输出之间,做无极平滑调整送入电炉的工作电压,从而达到精确的控温要求。实践也证明这种配备有补助搅拌电机的井式热处理炉,通过保温过程中低电压间接调控炉内温度,在取得较为精确的炉内温度的同时,两个温区的仪表读数也会完全吻合,为工件质量提供保障的同时,还有效降低了能源的消耗。

在充分讲述并理解了箱式和井式电加热炉的控温系统构成后,不难看出,对于两个相互独立的加热系统,我们要求并获得的是炉体内两段温区分别到达设定点后的实际平衡温度。而缘于两路相互独立测温与控制电路的存在,可以预见,若炉内前、后两段或者井式炉的上、下两段加热温区因某种故障导致不能同步升温并进入保温状态,自然就会产生多种温度失衡的加热故障,最终导致加温工艺曲线无法完成。

3、箱式与井式电炉共性故障成因的探讨

通过多年对这两类电炉加热状态的跟踪发现,即使控温回路的开关不同,交流接触器与可控硅之间,一个是物理性通断,一个是半导体导通量大小之差异,但它们的故障却似同出一辙,并呈现出如下极具共性的典型故障:

3.1 前、后区域(或井式炉上、下区域)升温速度严重的不一致

经常出现某加热区仪表已指示到温,甚至还超过控温设定点近百度,并且确定供电已经停止;而同时另一加热区虽然一直处在给电加温状态,但仪表却显示升温速度缓慢,始终不能升温至设定点。

对策与分析

此类故障时常发生在电炉内部大修并更换电炉丝之后,以及参与生产中的电炉在连续高温使用,又被闲置多天并再次起用升温所反映出来的症状。故障排查着实走了一段弯路,初期怀疑是大修后电炉丝材质不符或者功率配比不当,造成加热功率严重失衡所致。但经反复电阻测试和三相工作电流比对断定,问题并不在此。疑点被收回到测温元件的身上,当把升温缓慢的那个区域的测温热电偶更换之后,电炉温度恢复平衡。究其原因是热电偶在连续高温使用后,保护管氧化破损。经过一段时间搁置,偶丝测量端出现开裂并拌有杂质侵入,这就是热电偶的"劣化"现象,其结果是热电偶反映灵敏度低,热电势输出弱小,仪表显示的自然也不会是炉内真实的温度。

3.2 控温系统紊乱

某加热区已经到达设定温度,但交流接触器或可控硅却未能断开供电,加温工作仍在延续;而此时,另一加热区的仪表显示温度虽然未能达到已设定温度,但交流接触器或可控硅却已经停止送电。此时,两区仪表示值之间温度差异极大。

对策与分析

这是电炉厂家对其实施大修之后反映出来的故障。测试电炉丝供电线路并无短路和控制失常的特征,仪表和热电偶检定也无异常。后依故障现象分析认定,这是典型的人为故障,厂家在大修之后,操作人员误将前区和后区(上区或下区)的热电偶位置颠倒所至。两支被插错位置的热电偶获得的炉温信号传给两块控制仪表之后,输出的控制信号分别控制着另一温区的电炉丝,所谓正确的信号却是错位的执行,这才是故障的结症所在。

3.3 炉内温度超温与升温速度较平时迟缓

前者,仪表显示温度已经超越设定温度,初步查看交流接触器或可控硅不在送电,炉内温度仍有小幅上升,同时出现降温缓慢,两区温度始终不能趋于平衡。后者,交流接触器或可控硅长期处于吸合/导通状态,电炉丝处于通电状态下,炉内温度却始终不能加热至设定点。

对策与分析

所谓的超温并非是大幅度的跨过设定温度,有人员值守的过程中,实际这种情形极为少见,而只是略微超过20—30ºC左右,这在大功率电炉中很是常见。仪表内部继电器、中间继电器或大功率交流接触器触点长时间处于大电流、频繁通、断切换,造成触点载荷过重而出现粘连,电源不能被有效切断并发生超温。同时,因操作者装料位置不当,至电炉丝通过工件与炉底板之间短路,造成某相可控硅击穿而漏电,最终导致超温故障。

对于升温缓慢的故障,最直观的检修方式就是测量各路电炉丝的工作电流,钳型电流表会告诉你故障的出处。交流接触器某相触点烧断或可控硅断路引发缺相,电炉丝或接电端子处,因接触电阻缘故引发过热而烧断,总之,缺相导致电力供给不足,是升温变慢的结症所在。

3.4 这属于可控硅控制回路独有故障

升温段过程初期至接近温度设定点之间并不是处于快速升温状态,而是呈现有规律、间歇性的加热、断电;再加热、再断电……直至到温度设定点,而保温段则无异常显现。如此造成升温过程慢于平常,延缓工件出炉时间。另外,也曾发现过一台箱式可控硅控制电炉出现炉温到达设定点,可控硅停止供电,待炉温微降后,电炉不能及时加电补温;但偶尔又能恢复加温,如此造成保温段记录纸呈现不规则锯齿性扰动。

对策与分析

这是在夏季高温季节反映出来的一种蹊跷的病症。升温记录纸曲线并非平滑上升,而是呈现有规律阶梯状上升,波峰间周期约35分钟。通过揣摩其故障端媚,并经过实际观察配电柜功率器件的工作状态,最终查实故障所在部位。供电的三只可控硅开关器件背部分别安装有体积硕大的方形铝质散热器,每个散热器下端装有一个轴流强制散热风机,当然,这个风机转动与否受制于散热器上的一个80ºC双金属温度开关,超过这个温度,降温风机启动。另外一个92ºC双金属温度开关在检测到散热器温度居高不下、并持续升高到限定温度(92ºC)时,就会及时断开触发链路,避免可控硅因散热不良而烧毁的同时并引发电器火灾。探明工作原理,故障排除自然就不费力气,原来是风机供电线路断路,令其散热功能尽失,最终,92ºC双金属温度开关就成可控硅工作与否的指挥官。

另外,对于箱式可控硅保温段呈现不规则锯齿性扰动的现象,经确定是其中一路可控硅内部触发电路伴有无规律性开路的故障,就是所谓的虚连;而串联触发的设计控制方式自然又扰乱并牵制另外两路可控硅的工作状态,最终造成保温过程中不规则锯齿性扰动现象的发生。

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