真空炉两种常用泄漏指标概念及应用.pdf

YAN Yongfeng工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023D01:10.3969/j.issn.1002-1639.2023.06.016摘要：真空炉的众多考量因素中，密封性能必须放在首位，密封不好直接的反应就是抽速慢，浪费时间能源，但对热区寿命的影响大家容易忽视，如果真空炉热区是石墨毡&石墨加热元件，保温层和发热体要不了多长时间就会碳化烧空，热区保温性越来越差，加热变慢；如果真空炉热区是金属屏，隔热层和加热带氧化并损坏。对于真空炉的密封性能指标参数，不同生产厂家有不同的指标，但目的性是一致的，都是判定真空炉是否存在泄漏。着重介绍国内常见的两种：泄漏率和压升率。不管真空炉生产厂家采用的哪一种，只要定期的测试结果低于出厂合格标准，就必须引起必要重视，并及时处理。关键词：泄漏率；压升率；外漏；内漏中图分类号：TG232.6Abstract:Among the many factors to consider in vacuum furnace,sealing performance must be placed in the first place.The direct reaction ofpoor sealing is slow pumping speed,wasting time and energy,but the impact on the life of the hot zone is easy to ignore.If the hot zone of thevacuum furnace is graphite felt&graphite heating element,the insulation layer and heating body will be carbonized and burned out in lessthan a long time,the thermal insulation of the hot zone is worse and worse,and the heating becomes slow;If the hot zone of vacuum furnaceis metal screen,the heat insulation layer and heating belt oxidized and damaged.For the sealing performance of vacuum furnace parameters,diferent manufacturers have different indicators,but the purpose is the same,theyre both trying to determine if theres a leak in the vacuumfurnace.This article focuses on two common domestic leakage rate and pressure rise rate.No matter which kind of index is adopted by themanufacturer,as long as the regular test results are lower than the factory qualification standard,necessary attention must be paid to,andtimely treatment.Key Words:leakage rate;pressure rise rate;leakage;internal leakage真空热处理是指将零件在真空状态下，进行加热、保温和冷却的工艺方法。随着航空航天技术的发展需求,真空热处理成了最具有前途的热处理工艺，真空炉逐渐替换盐浴炉、电阻炉和燃气炉等，不断实现绿色热处理。真空炉是依靠发热体的传导和辐射作用实现对工件的加热的，低温段常采用循环状态下的热传导对工件加热实现工件低温段的均热，高温段的辐射加热速度又比较慢，这样工件的内外加热较为均匀，工件的变形小。由于真空炉内空气量非常少，氧气的含量对工件的铁元素氧化不起作用，而且高温真空加热状态下还可以去除工件材料上的表面氧化层，所以能保持了工件表面的原始状态，工件清洁和光亮。常见真空炉工艺有真空火、真空回火、真空（光收稿日期：2 0 2 2-0 5-19；修回日期：2 0 2 3-0 5-2 6作者简介：严永锋（197 1一），男，本科，研究方向为热处理设备及应用.67INDUSTRIALHEATING真空炉两种常用泄漏指标概念及应用严永锋（益发施迈茨工业炉（上海）有限公司，上海2 0 140 1）文献标志码：A文章编号：10 0 2-16 3 9(2 0 2 3)0 6-0 0 6 7-0 4The Conceptand Application of Two Common Leakage Indexes of Vacuum Furnace(Iva Schmetz Industrial Furnaces(Shanghai)Co.Ltd.,Shanghai 201401,China)亮)退火和正火、真空钎焊、真空渗碳、真空烧结、真空镀膜等等，但不管应用于什么工艺，第一要素就是“真空”二字，也就是大家常说的真空度怎么样，说通俗一点就是真空炉漏不漏。常见的关于真空度的参数有抽速、工作真空、极限真空、漏率。抽速是指抽真空的速度,通常指从大气压抽到工作真空度的耗时；工作真空是工件在某一真空度下加热；极限真空是炉膛在洁净、室温状态下，真空泵组不停地抽所能达到的真空度极值。上述三种真空度参数不同厂家根据自己的使用目的所要求不一样。而对漏率的要求各个厂家却几乎是一致的，因为漏率反映的是真空炉密封性的好坏，如果真空炉密封性能不好,那么其他三个指标也很差。接下来本文就着重介绍漏率。所谓漏率就是漏的速度，指真空泵组关停后真空度的回升速度。大致总结了一下，国内国外不同真空炉生产厂家漏率指标综合起来无外乎两种：压升率和泄漏率。下面从不同方面来对比一下这两种指标的异溯源。工業加熟.68.INDUSTRIALHEATING同,最后共同分析一下漏率的重要性。1测试方法测试方法也叫测试工艺，做漏率测试不是常规的使劲抽真空，然后关闭阀门和泵组，压升率与真空炉容积尺寸无关，直接计算单位时间内的真空度回升值再除以时间，泄漏率计算时再加上真空炉容积因素；而是在运行专门漏率测试工艺程序后得出结果。工艺曲线如图1 所示。stl:testi(1)1900:00:00(30:10:00）0 0 0 110:0 0:0 0 D E-VX:4110Measuretent:16082401泄漏丰测试工艺记景Konmentar:US140010002023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023率将炉子的容积考虑进去比压升率一刀切的计算方式更为合理。某公司出厂的真空炉做泄漏率只要在工艺里面选择泄漏率工艺，设备自动运行工艺、自动计算泄漏率数据并自动存入历史记录就可以计算出泄漏率。绝大多数采用压升率计算的设备厂家没有自动测试功能，需要有人值守，真空炉冷却到了6 0 后值守人员手动关闭阀门及泵组，记录初始真空度，过段时间再过来记录最终真空度，整个计算过程使用人工计算,且没有工控机，没有历史记录，这种数据的真实性值得商也无法$tort:24,08.1608:19:04nd;25.08.1608:28:003合格标准05000000HEATING_SETP_ACTUAL0:00:00ADLACTLVALLE:2图1泄漏率测试工艺曲线图1最后一段的冷却阶段（大概7:0 0 到结束），这个阶段叫真空冷却，俗称随炉冷却，就是真空炉停止加热，真空泵一直工作，炉内的温度靠真空炉夹层水循环带走,所以要冷却到漏率的计算温度（一般定义为60）耗时很长，一般需要10 h以上,甚至更长。2计算方法（1）压升率的计算：炉子真空冷却到大约6 0 后关闭阀门和泵组,记录初始真空度，过1h或者更长时间记录最终真空度，将最终真空度值减去初始真空度值得到的数据除以时间，单位为Pa/h，计算公式如下：(1)Pi-P2/t式中:P为测试时间结束时的真空度,Pa;P2为开始测试时真空度,Pa;t为测试时间,h。(2)泄漏率的计算：炉子真空冷却到6 0 后关闭阀门和泵组，记录初始真空度，过12 h或者更长时间记录最终真空度，将最终真空度值减去最初始真空度值得到的数据先乘以真空炉内腔的容积,再除以时间，单位为PaL/s,计算公式如下：(Pi-P2)V/t式中：V为真空炉真空系统容积,L。众所周知,世界上没有绝对的真空，只有相对的真空。不管是常用的旋片泵、滑阀泵、罗茨泵、扩散泵,还是高端的分子泵或冷泵,真空炉内都是有气体残留的。残留气体的放气量会影响到最终真空值。因此，泄漏欧美真空炉厂家一般选用泄漏率指标，泄漏率合格的出厂标准为5kPaL/s,或者由生产厂家与使CI5:00:0010:0:0015:00:0020:00:0024:08:56n用厂家约定一个更高的标准。国内真空设备厂家一般采用压升率指标。近十几年来欧美的真空炉进入国内市场后大多数也按照国内客户要求采用压升率指标来执行验收的。按照GB/T8195.31999和GB/T8195.41999规定：A级2.0 0 Pa/h、B级1.3 0 Pa/h、C级0.6 5Pa/h。但目前市场上真空炉使用厂家和真空炉生产厂家达成共识的标准为0.2 7 和0.6 7 Pa/h，已不再使用1999年的标准了。判断泄漏率是否合格采用哪个标准，取决于真空炉热区使用的什么材料，如果热区采用的石墨材料，压升率合格指标为0.6 7 Pa/h，如果真空炉热区采用的金属材料（钼屏及钼带加热），那压升率合格指标为0.27 Pa/h。附加说明两点：（1）压升率或泄漏率测试验收时间是设备正常连续运行一个月后做出来的数值为准,因为热区材料中的杂质，特别是石墨保温材料中的灰分在这连续的使用过程中不断减少，炉内不断的洁净，这样的数据才具有真实性。（2）按照GB10067，旧真空炉，也就是说真空炉运行使用一段年限，特别是长时间不使用或者经过维修或更换密封件后压升率的合格标准可以放宽一个等级，原来0.6 7 Pa/h的合格标准可以放宽到1.3 3 Pa/h，也是在连续使用一个月后进行测试。(2)4漏率测试的作用泄漏率和压升率都是用来衡量真空炉的密封性能好坏的，如果定期（真空炉制造厂家规定一个月做一次)测量出来的指标越来越差，并低于约定的合格标工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023准，那说明炉子存在泄漏。退一步讲就是没有做漏率测试,只从工艺时间、工件颜色、热区状况也能判断出来真空炉密封性能的好坏。实际上，大多数真空炉使用厂家都是在上述的这几个状态不太理想后才去做漏率测试验证炉子的密封性。因为做一次漏率测试非常耗时耗费用，还不能生产，大部分使用厂家不愿意做。做漏率测试除了验证炉子的密封性，还有一个作用被大家忽视了，那就是清洁炉膛的作用，业内人士也称作洗炉，图1中的漏率测试工艺曲线，最后一段加热保温温度一般设置到真空炉设计的临界温度以下3 0 50，在真空加热和分压加热交替作用下将热区的部分杂物烧掉并抽走，如绝缘陶瓷件表面的污染物、石墨保温毡内的灰分、金属屏表面的吸附物等等，能够大大提高热区加热元件的绝缘性，减少被处理工件表面的污染,延长热区的使用寿命。相比那些平时舍不得花钱花时间做漏率工艺的厂家要划算。5密封性的判断是不是漏率测试出来不够好就说明炉子状况很差呢？经常遇到这样的情况：抽速也很快，工作真空也轻而易举的达到，工件颜色也非常漂亮，但定期的漏率测试结果就是不好，这是什么原因？先介绍两个新概念：内漏和外漏。外漏就是真空炉与外界间的漏点，比如炉门密封、法兰密封、缸的动密封等；内漏是指真空炉真空系统里面的阀门关不严导致的内漏，比如真空管道的主阀、惰性气体供气管道上的电磁阀等。第一种情况：如果做出来的漏率结果是好的,那说明炉子及既没有外漏也没有内漏。也不会出现其他几个真空度参数的变差，诸如抽速变慢、很难到达工作真空、极限真空越来越差、工件表面颜色灰暗。第二种情况：漏率结果不理想或者很差，那说明真空炉不是存在外漏就是存在内漏,或者内漏外漏都存在,如果出现像上面文字描述的真空度参数合格，工件颜色可以的情况，那说明真空炉基本不存在外漏或者外漏很小可以忽略，漏率不好是内漏的主要因素。当工艺运行到测试温度，阀门关闭，泵组停止抽气，这时候真空管道上的阀门关闭不严就会导致外界空气通过泵组进人炉内，或者惰性气体（常见的用氮气）通过关闭不严的阀门进人炉内导致真空度的回升异常。内漏一般来说对真空炉性能影响不大,我们客户群中遇到上文描述的这种内漏情形大多数都不作处理，除非是氮气或氩气供气管路上的阀漏得非常严重，导致抽速变得很慢，甚至抽不到工作真空，正常的生产69INDUSTRIALHEATING工艺无法进行下去，这才停机更换相应的阀门。外漏对真空炉一般存在以下几点危害：(1)影响抽速：增加单炉产品的生产时间,增加生产成本。(2）工作真空：真空泵组抽不到工作真空，特别是到了对流转真空加热段，此时在工艺时间内抽不到工作真空，整个工艺停止运行。(3)工件氧化变色：外界的空气进入炉内，高温下导致工件表面氧化，工件呈灰色。（4）石墨热区碳化烧空：在工艺运行过程中，真空泵不停地抽，漏点不断地有新鲜空气漏进来，石墨热区的加热元件高温下碳化，石墨保温层也在高温下碳化，在一次一次的淬火或快速冷却过程中，气体对石墨保温层不断冲刷，这样形成恶性循环，就会导致石墨保温层越烧越空，大幅缩短了热区的使用寿命（见图2）。图2 石墨热区碳化烧空（5）影响真空泵的寿命：石墨热区的石墨保温层烧空碳化后形成的细小炭黑被不断吸人真空泵内，而且排不出去。(6)金属热区氧化变色：同样道理,金属热区的隔热屏高温下被不断进入的微量空气氧化发黑，加热带变黑变脆，如果是处理高温合金或者钛合金的工件就不能进行。6总结不管是用泄漏率还是压升率来做衡量真空炉密封性能的指标，只要是漏率指标不理想或者很差,就要考虑上述文章中描述的两种泄漏可能性，漏点的查找及要找专业人员或原厂家进行专业的处理，检漏也是一门学问,关于真空炉的漏点检测及处理可以再写文章介绍。参考文献1王志坚，徐成海,李福忠，等.真空高压气淬技术和设备进展J.真空,2 0 0 2(12):14-2 0.2陈再枝，蓝德年,马党参，等.模具钢手册M.北京：冶金工业出版社,2 0 2 0.工业加熟.70.INDUSTRIALHEATING3樊东黎,徐跃明，佟晓辉.热处理工程师手册 M.北京：机械工业出版社,2 0 0 6.【4中国机械工程学会热处理学会.热处理手册M.北京：机械工业出版社，2 0 0 8.2023年第52 卷第6 期Vol.52No.620235潘健生,胡明娟.热处理工艺学M.北京：高等教育出版社,2 0 0 9.6胡南红,吴明洋,王晓龙.真空炉工件变色故障分析及解决措施 J金属加工：热加工，2 0 19（5）：50-53.(上接第 6 6 页)参考文献1】王兴,王桂萍,康朝斌.某6 0 0 MW燃煤机组SCR优化改造数值模拟分析研究 J.电力科技与环保,2 0 19（3）：18-21.2闫顺林，曹保鑫.回转式空气预热器温度场三维数值模拟J.热力发电,2 0 2 0(4):51-57.3张燕飞，杨宝林，刘威，等.回转式空气预热器热风清洗防堵控制技术 J.河北电力技术,2 0 2 0（3）：2 9-3 1,46.4秦为军,钱鹏，赵鸿飞，等.气液两相流在蒸汽空气预热器中的应用 J.能源研究与利用,2 0 2 1（6)：19-2 2.5司志民.火力发锅炉空气预热器堵塞原因分析及应对措施J.应用能源技术,2 0 2 1（3）:3 6-3 9.6刘科，杨兴森，董信光，等.空气预热器差压引起机组降出力的预测研究 J.山东电力技术,2 0 2 1（4)：53-58.7蔡明坤.设置循环风对回转式空气预热器性能和堵灰的影响分析 J.锅炉技术,2 0 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