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摘要：本文介绍一种组装式电阻炉的结构特点和实际应用效果，为各种压力容器、大型设备和金属构件的焊后去应力退火提供一种更好的解决办法。
关键词：组装式电阻炉现场热处理去应力退火
1前言
许多压力容器、大型设备和金属构件焊后需要进行去应力退火。一般分成炉内退火和炉外退火两大类。
针对过去炉内退火和炉外退火中存在的问题，北京燕兴热处理技术开发中心采用现代科技和专利技术研制开发成功组装式电阻炉。该炉在结构上打破了以往认为大型炉窑一旦建成其形状尺寸就固定下来，不能改变也很难搬迁的框框，将炉子设计成拆装方便、搬迁容易和炉子长、宽、高三维空间尺寸都可以根据需要加以改变，使用起来非常灵活，应用范围更加广泛，具有组装式结构而且高效节能的电阻炉。
2组装式电阻炉的结构特点
现结合天津石化聚酯二甲苯塔锥体过渡段焊后热处理用组装式电阻炉来说明该种炉子的结构(见图1)，其主要特点如下： （图片）
图1二甲苯塔锥体过渡段退火用组装式电阻炉结构简图
1.炉盖2.加热器挂钩3.加热器4.炉墙5.炉墙侧立柱
6.工件7.控温点8.炉墙座9.环形钢垫板10.炉底 (1)结构简单、造价低廉：该炉没有一般大型炉窑的台车和炉门。它以大地为炉底，在地面上铺上一层100～150mm厚的硅酸铝耐火纤维针刺毯或超细玻璃棉被。炉体四周的炉墙和炉盖都是由炉体板(国家专利产品)组装拼接而成。不需为炉子建造专用的厂房，配备专用的起吊运输工具，因此建炉周期短、投资省、见效快。
(2)炉体和电热体均由独立存在的单元构件炉体板和框架加热器构成。用这些构件可以很容易地组装成炉膛的长、宽、高三维空间尺寸并可以根据所处理的工件的形状和大小而改变的组装式电阻炉。为大型设备的现场热处理创造了条件，提供了方便。避免了大型设备运输中的困难，防止或减少了搬运中的变形，从而可取得比固定式炉窑更为方便、灵活、经济的效果。
(3)炉体的主要构件炉体板是采用耐火、保温性能优良的硅酸铝耐火纤维毡压制而成，外面用特制的角钢框加以固定，不仅重量轻、保温好、密封严、热损失小、更易于节电，而且轻便、灵活、强度好、抗热震、耐冲击、可反复拆装，经久耐用。
(4)炉子的电热体采用框架加热器可以根据所加热工件的形状、尺寸和质量分布的不同，按需要进行灵活的安装和布置，有利于炉内工件的均匀受热，提高了炉子的加热质量和热处理效果。
(5)炉子的供电和控温系统是根据炉子所需功率配备的一台或多台电脑温控仪，每台温控仪可同时采用12个回路进行供电，可配备12支热电偶进行控温，功率采用PID调节，利用计算机进行高精度的自动化控制，其控温精度可高达±1℃，整台炉子在保温阶段的温差可以很容易地控制在±3～5℃的范围内，能很好地满足高标准、严规范热处理加热的需要。
3塔锥体过渡段的焊后退火热处理
该塔长＞80m，重约800t，塔体外壳分别用30mm、34mm和52mm厚的16MnR钢板制造，在塔身的中下部有一内径(φ5800mm～φ6800)mm×厚52mm×高4100mm的锥体过渡段，该段外形尺寸为φ7184mm×4100mm，连同内件在内总重约42t，需在焊后进行整体消除应力退火。
该塔退火温度为600±15℃，保温时间为2.5h，400℃以上的升温速度不许超过90℃／h，400℃以上的降温速度不许超过120℃／h。
4组装式电阻炉热平衡计算和加热器数量的确定
组装式电阻炉属周期作业炉，因其在升温的过程中所需的功率最大，所以将其做为热平衡计算的根据来确定炉子的总功率，决定需要安装框架加热器的数量。
4．1单位时间内最大耗热量的计算
估计炉子的升温加保温时间约为11～12h，升温时间约为9h。
(1)加热工件吸收的热量Q件：（图片）(1) 式中G件为工件的质量(42000kg)；c2为工件在退火温度下的平均比热(0.602kJ／kg．℃)；c1为工件在入炉温度下的平均比热(0.494kJ／kg．℃)；t2、t1为工件的退火温度(600℃)和入炉温度(15℃)；τ为工件的升温时间(9h)。
(2)加热工装及加热器所吸收的热量Q工：（图片）(2) 式中G工为工装及加热器的总质量(2500kg)；t2、t1、c2、c1、τ取同Q件中相同的数据。
(3)炉衬散失的热量Q衬包括炉墙、炉盖散热和炉底散热两部分即Q衬＝Q墙、盖＋Q底。(3)（图片）(4) 式中t炉为炉子的退火温度(600℃)；t空为炉墙外面的空气温度(15℃)；S为炉墙和炉盖的面积之和(199m2)；δ为炉墙和炉盖保温层的厚度(0.1m)；λ为炉体板材料的平均导热系数(0.301kJ／m．h．℃)；0.0159为炉墙外壁的热阻(m2．h．℃／kJ)。
②Q底＝2090S底＝2090×59.29＝123916kJ／h(5)
式中2090为炉底热流强度的近似值(kJ／m2．h)；
S底为炉底面积(59.29m2)。
则Q衬＝Q墙、盖＋Q底＝458321kJ／h。
(4)炉体积蓄的热量Q蓄(设炉墙外表面温度为70℃)（图片）(6) 式中V为炉体体积(包括炉墙、炉盖和炉底)(25.8m３)；ρ为炉体材料的平均密度(507kg／m３)；Δt为炉体材料的平均温升(320℃)；c为炉体材料的平均比热(0.878kJ／kg．℃)；τ为炉子的升温和保温时间之和(11.5h)。
(5)短路热损失Q短
Q短＝k．Q衬＝572901kJ／h
式中k为热短路系数(1.25)。
则Q总＝Q件＋Q工＋Q衬＋Q蓄＋Q短＝3100093kJ／h(7)
4．2框架加热器数量的确定
(1)炉子的计算功率W计（图片）(8) (2)炉子的实际功率W实：炉子在加热的过程中，为了控制炉温的整体均匀性，各加热区的功率均需要进行PID调节，电脑温控仪能自动调节输出功率比例Pb值进行输出。取Pb＝0.9，则（图片）(9) (3)框架加热器的数量n按每块加热器10kW计算，则共需96块。
5组装式电阻炉的安装和退火操作
下面就图1所示组装式电阻炉的安装和退火操作说明如下：
(1)选址、立炉墙侧立柱。根据现场的条件决定该炉设在车间原有的一钢板铺的平台上，根据炉子的结构简图首先确定炉底周边界限，用10号轻型工字钢做炉墙侧立柱，每侧两根，竖立焊牢在炉底四周。
(2)组装炉墙板和炉盖板。根据炉体结构图，利用10号轻型工字钢、专用固定件、连接螺栓、螺母将中间夹有硅酸铝耐火密封材料的多块炉体板拼装成大片的炉墙板和炉盖板。
(3)组焊炉墙座。为了在节省炉体板用量的同时又保证炉膛容积，故在炉子四周炉墙下设炉墙座。炉墙座用50号工字钢围成并点焊于炉底的钢板平台上，在墙座上面及内侧错缝铺两层超细玻璃棉被做保温。
(4)搭炉墙。将拼装成大片的炉墙板按设计方案逐片安装在炉墙座上，并用固定件或铁丝固定于炉墙外侧的立柱上。该炉炉墙为四层结构，在每两层之间压好硅酸铝耐火纤维针刺毯折叠密封条，在设定的位置安放好框架加热器固定用挂钩。为了铺设炉底、工件入炉和安放框架加热器的方便，该炉炉墙以先搭好三面为宜，待铺好炉底、装入工件、安放完三面墙上的加热器后，再搭剩下的一面炉墙。
(5)铺炉底。用超细玻璃棉被三层错缝平铺于炉底钢板平台的上面，错缝之目的在于防止热流短路，减少炉底热损失。
(6)工件入炉。炉底铺好后，在炉中心6.8m的圆周上呈环形铺上厚20mm、宽400mm的钢垫板，使入炉后工件刚好放在这些钢垫板上。其目的在于分散工件对炉底的压力，防止损坏炉底保温材料，有利于工件退火加热时的自由胀缩，减少热处理变形。
(7)安置加热器。根据热平衡计算，该炉需要安装框架加热器96块，根据工件的形状和质量分布，炉内加热器沿墙的四周分两层均布，上层36块，下层60块。其耐热引出导线通过炉体板间的密封接缝伸出炉墙外，以备接线和供电。
(8)炉子的供电和热电偶控温点的设置。该炉共设8个控温点(见图1所示)，分上下两层，每层各4个，上面的4个控温点对应着上层炉墙四角，下面的4个控温点对应着下层炉墙的四面，每个控温点均与所控制的3组9块加热器相对应，8个控温点共控制720kW功率的电量向炉子供电。由于当时只有两台360kW的DWK-A型电脑温控仪，炉子的可控功率则为720kW。在炉子下层的四角，每角有6块加热器，共240kW的电力是采用直供的方式通向炉内的，这24块加热器只在升温阶段向炉内供电，待炉子保温的时候将其停下来，这样做的目的是即能保证炉子在升温阶段大功率的供给，又能保证炉子在保温阶段控温精度的要求。结果证明采取此种措施效果很好。
(9)接线试炉。按规定接好一次电缆、二次电缆、固定好热电偶、接好热电偶补偿导线，做好接线后的自查、互查，确保热电偶和所控制的加热区的互相对应。
待已经确认所有的接线工作已准确无误，可以合上电脑温控仪上的总电源空气开关进行开机试炉，试炉的目的在于发现问题、查找原因、纠正错误、确保正常开炉后热处理工作的顺利进行。
(10)封盖、开炉接线、试炉工作完成后，盖上炉盖板，合上电脑温控仪的总电源空气开关，即可开炉。开炉后首先校准天文时间，选定加热时间坐标值，按工艺要求设定计划工艺温度曲线，设定报警超限值、输出功率比率值，按下“Q”键和“运行”键，打开温度自动记录仪，炉子的控温过程即进入自动控制状态。自动记录仪能忠实地记录下炉内各控温点的实际工艺温度曲线。根据多年的经验，在设定工艺温度曲线的时候，低温时升温速度可以快一些，以利于缩短总的工艺时间提高生产率；高温特别是接近退火温度的时候升温速度应相对地慢一些以减少炉内的温差(此时可关闭240kW的直供电源，停止24块加热器的工作)，使得实测的仪表记录曲线尽可能地靠得紧一些，获得更加满意的消除应力效果。
保温结束后可拆出二次电缆，保留热电偶和温度自动记录仪使其记录下炉子的降温曲线，待炉温降至400℃以下，则可以打开炉盖，加速降温至室温后出炉，整个退火过程即告结束。
6退火效果
表1是实际结果同国家行业标准JB／T4709—92的对比，证明所有比较项目均符合规定并远远超过标准。工件退火后表面颜色正常，无过热和欠热痕迹。尺寸检查未见变形，未发现任何退火缺陷，热处理结果令人满意。表1实际焊后退火工艺与JB／T4709—92规定的比较
| 热处理工艺 | JB／T4709—92规定 | 实际结果 | | 入炉温度／℃ |
≤400 | 室温 | | 400℃以上升温速度／℃．h－1 | ≤5000／δ(52)＝96 | 65 | | 升温温差／℃ | 任意5000mm内≤120 | 全炉＜20 | | 保温温度／℃ | 580～620 | 600～610 | | 保温温差／℃ | ≤65 | ＜10 | | 保温时间／h | ≥［150＋δ(52)］／100≈2 | ＞2.5 | | 400℃以上降温速度／℃．h－1 | ≤6500／δ(52)＝125 | 20～30 |
7结语
几年来利用组装式电阻炉已对百余台不同形状、尺寸的设备、构件包括出口压力容器进行过焊后消除应力退火，均取得了令人满意的效果，能满足技术条件很高的情况下加热的需要。为避免大型设备整体运输中的困难，防止和减少搬运中的变形，找到了较好的解决途径，为大型设备的现场热处理提供了技术上的可靠保证。
作者简介：李树茂：男，60岁，高级工程师。长期于生产一线从事技术工作，发表论文十余篇，曾多次立功受奖。与李阳合作在我国首创装配(组合)式电阻炉成套技术。联系电话：(010)69333043。
作者单位：李树茂李阳北京燕兴热处理技术开发中心北京102502
任志峰李巍北京燕山石油化工(集团)有限公司研究院北京102550
参考文献
1李阳．ZL93220370．1，1994
2机械工业行业标准JB／T4709—92钢制压力容器焊接规程．北京：机械部标准化研究所
3刘孝曾．热处理炉及车间设备．北京：机械工业出版社，1979
5/30/2006
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