石英脫羥真空爐的機械設計研究
石英真空脫羥爐是金鹵燈用石英玻璃脫羥工藝的關(guān)鍵設備。分析了石英脫羥爐的核心部件加熱器、隔熱屏的設計思路，根據計算功率進(jìn)行了加熱器的設計計算和校核；闡述了抽真空系統和快速冷卻系統的設計思路等。結合現代CAD技術(shù)，進(jìn)行三維建模，可以大大提高設計效率和保證設計一次成功率，通過(guò)實(shí)踐檢驗，能夠達到設計的各項指標，完全可以滿(mǎn)足石英玻璃脫羥工藝的要求。
石英玻璃光譜特性?xún)?yōu)良，從短波紫外區、可見(jiàn)光區到紅外區的寬波段范圍內透光性極好，同時(shí)耐高溫(使用溫度達1100℃以上)，線(xiàn)脹系數小，化學(xué)穩定性高；石英玻璃加入鈰、鈦等元素制成電光源，可將危害人體健康的短波紫外線(xiàn)過(guò)濾掉；石英玻璃制成激光燈可使激光器使用壽命大大延長(cháng)。石英玻璃具有很多優(yōu)良的光學(xué)性能，從而使其成為新型電光源的最佳材料。隨著(zhù)電光源工業(yè)的要求越來(lái)越高，對優(yōu)質(zhì)石英玻璃的需求量越來(lái)越大。
在要求最高的金鹵燈用石英玻璃中，對羥基的含量要求極為苛刻。羥基會(huì )破壞鹵鎢循環(huán)，嚴重影響燈的質(zhì)量和使用壽命；在光導纖維中羥基將影響光損耗，因此羥基在石英玻璃中是一項有害雜質(zhì)。金鹵燈用低羥基管要求羥基含量為1×10-6~5×10-6，脫羥基工藝要求非常嚴格。石英玻璃中的羥基穩定性很高，脫羥非常困難。石英脫羥有多種方式，目前真空脫羥是金鹵燈用低羥基石英管必須的一種脫羥方式。真空脫羥工藝需要在高真空狀態(tài)下長(cháng)時(shí)間的保持高溫(約1050℃)，以使羥基順利脫出。為保證細長(cháng)石英管質(zhì)量均勻性，還要保持良好的溫度均勻性，對于大型的設備來(lái)說(shuō)難度很大。大型爐尺寸很大，高溫真空狀態(tài)下部件的剛度、強度、變形、耐用等都要充分考慮，同時(shí)要考慮生產(chǎn)成本問(wèn)題，一臺成本合適的高性能石英脫羥爐是保證脫羥工藝質(zhì)量的前提。
1、石英脫羥爐的設計計算和三維建模
1.1、任務(wù)分析
根據石英玻璃的脫羥基工藝和工件的要求，脫羥爐的相關(guān)技術(shù)參數如下：
有效空間：800mm×800mm×3300mm；最高溫度：1150℃；工作溫度：1050℃；真空度：2×10-2Pa；溫區均勻性：±4℃；升溫時(shí)間：按2.5h計算。
此設備屬于大型的石英真空脫羥爐，爐體容積高達9000L，每爐處理工件重量高達600kg，爐內可同時(shí)放兩個(gè)1500mm長(cháng)的托料盤(pán)，可以加熱長(cháng)1500mm的細長(cháng)石英管。
根據脫羥工藝的要求需要保持高溫、高真空狀態(tài)。脫羥工作溫度1050℃可以正常實(shí)現，真空度達10-4Pa數量級最佳，此爐體容積大，綜合考慮真空泵的抽真空能力和成本，經(jīng)協(xié)商降低真空度指標為2×10-2Pa，靠增長(cháng)脫羥時(shí)間達到脫羥要求，保溫十幾個(gè)小時(shí)使羥基充分擴散。大容量的工作空間極大的提高了石英管的熱處理效率，但是溫區內需要保持高溫度均勻性，以保證細長(cháng)石英管各處的質(zhì)量均勻性，在布置加熱器時(shí)要充分考慮，以免溫度均勻性差影響產(chǎn)品質(zhì)量。
考慮裝卸方便性，采取雙爐門(mén)打開(kāi)結構，兩端進(jìn)出料。設計時(shí)要綜合考慮以上要求，采用傳統的設計方法和現代CAD技術(shù)相結合來(lái)提高設計效率和準確性。
1.2、加熱器設計
1.2.1、加熱器結構布置
加熱器和隔熱屏是爐體的核心部件，高溫變形問(wèn)題是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，也是研發(fā)難點(diǎn)。本設備高溫保溫時(shí)間較長(cháng)，隔熱屏摒棄易變形的金屬材料，采用方形石墨反射屏；除爐體上下左右裝有加熱器外，增加前后爐門(mén)兩個(gè)加熱器，共分三個(gè)加熱區六面加熱，保證溫度均勻性和長(cháng)久高溫工作。加熱器布置采用三組三相加熱，采用三角形接法，石墨板拼接結構，如下圖1所示。
圖1 加熱器的布置形式 圖2 石英脫羥爐的三維模型
1.2.2、確定隔熱屏尺寸
隔熱屏是保溫的重要屏障，其與爐體內壁、加熱器的距離直接影響工作區間的溫度均勻性，有效空間：800mm×800mm×3300mm，根據布置確定隔熱屏內尺寸：1100mm×1200mm×3650mm。
1.2.3、確定總加熱功率
計算爐膛表面積：S=19.4m2。根據表面負荷法，按最高爐溫1150℃，布置功率約20kW/m2，計算總加熱功率：P=20×19.4=388kW。
1.2.4、校核加熱器
選取設計功率387kW，校核加熱器。加熱器采用三組三相三角形接法，每相功率為43kW，電極石墨的電阻系數為9Ω·mm2/m。爐體單根加熱器長(cháng)7980mm，則R≈0.0798Ω。計算工作電壓：
表面負荷計算：W=2.7W/cm2遠遠低于石墨材料的許用表面負荷值40W/cm2～60W/cm2。經(jīng)校驗加熱器符合要求。
1.3、真空系統和快冷系統設置
爐體容積大，石墨材料較金屬材料放氣量大很多，對抽真空時(shí)間和真空度指標影響很大，可采用高溫烘烤除氣；抽真空系統采用大口徑擴散泵，為了防止擴散泵返油現象，考慮在泵口加低溫冷阱，有效阻止油蒸汽進(jìn)入爐體。
石墨隔熱屏保溫效果好，冷卻很慢，為了降低單爐生產(chǎn)時(shí)間，需要設置一套外循環(huán)式快冷風(fēng)機系統，注意風(fēng)道的設置，使冷風(fēng)能夠正常循環(huán)提高冷卻效果，注意隔熱屏進(jìn)風(fēng)噴嘴的位置，使工件能迅速均勻冷卻，提高冷卻的效率。
1.4、三維建模
將復雜的真空爐設計方案做好后分為幾個(gè)主要部分進(jìn)行設計，主要有爐體、爐蓋、加熱器、真空系統、水冷系統、風(fēng)機系統等，然后裝配仿真，并對重要部位進(jìn)行力學(xué)分析，以保證系統的強度。圖2為石英脫羥爐的三維模型(本例用solidworks建模)，并且一些部件已經(jīng)實(shí)現了標準化，例如真空系統，極大提高了設計開(kāi)發(fā)效率。
2、石英脫羥爐實(shí)際溫度均勻性測試
圖3為制造完成的石英脫羥爐爐體內部照片，采用九點(diǎn)測量爐內溫區實(shí)際溫度均勻性，示意圖如圖4。
在910℃保溫的情況下測得九點(diǎn)的溫度如表1所示。
圖3 石英脫羥爐爐體內部照片 圖4 爐內溫區實(shí)際溫度均勻性測量示意圖
表1 910℃保溫時(shí)測得九點(diǎn)的溫度
最高最低溫度差異為5℃，完全滿(mǎn)足溫區均勻性±4℃的要求。
3、結論
對于大型石英脫羥爐的設計要求進(jìn)行了分析，闡述了設計時(shí)應重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。實(shí)行三個(gè)加熱區六面加熱全面控制爐體溫度，達到溫度均勻性的要求；對于其核心的加熱器、隔熱屏闡述了設計的思路和方法，對加熱器進(jìn)行了可行的布置和設計計算；對抽真空系統和快速冷卻循環(huán)系統闡述了設計需要考慮的問(wèn)題。結合現代CAD技術(shù)，建成了三維模型，不僅可以大大提高設計效率，而且保證設計一次成功率，通過(guò)實(shí)踐測試可以達到預定指標，完全可以滿(mǎn)足石英玻璃脫羥工藝的要求。
