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如何優(yōu)化真空爐的能耗？
2024-07-15
真空爐本質(zhì)上是一種高效的機(jī)器；它們可以通過 PLC（可編程邏輯控制器）進(jìn)行編程，通常使用專用軟件，以精確遵循所需的加熱-冷卻曲線。這意味著只在需要時提供加熱功率，而在不需要時（空閑時間、冷卻等）關(guān)閉加熱功率。不過，真空爐上（或安裝爐子的工廠中）可能存在多個輔助系統(tǒng)；想想水冷系統(tǒng)、氣體冷卻系統(tǒng)，當(dāng)然還有真空泵。這些輔助系統(tǒng)總共會產(chǎn)生不可忽略的能耗。
在本文中，我們將分析與真空爐運行相關(guān)的主要能源消耗來源，同時提供一般選擇標(biāo)準(zhǔn)和一些有關(guān)如何有效操作真空爐的提示。如果您有興趣了解有關(guān)這些問題的更多信息，請繼續(xù)閱讀！
加熱
真空爐吸收的能量顯然大部分用于加熱；乍一看，這種能量是三個獨立部分的總和：
- 用于加熱工作負(fù)荷和固定裝置的能量
- 用于加熱爐熱區(qū)的能量
- 耗散能量
讓我們更詳細(xì)地討論每個組件。
用于加熱工作負(fù)載的能量
大多數(shù)真空爐都是電力驅(qū)動的，即能量通過輻射從加熱元件傳遞到工作負(fù)荷（對于冷壁真空爐是直接傳遞，對于熱壁真空爐是間接傳遞）。一般而言，將工作負(fù)荷加熱到一定溫度所需的能量是固定的，并且僅取決于要熱處理部件的質(zhì)量和比熱容（材料）。另一方面，輻射傳熱在真空中非常有效，但根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，它依賴于溫度，這意味著真空爐中的傳熱在高溫下效率更高；因此，在低于 600°C 的溫度下，通常使用對流加熱（在爐中充滿略低于或高于大氣壓的惰性氣體）來加速該過程。影響工作負(fù)荷加熱速度的其他因素包括其顏色、表面處理，尤其是形狀；由于可用于傳熱的面積更大，具有高表面質(zhì)量比的薄而大的部件與較厚的部件相比，加熱速度會快得多。
考慮到輔助設(shè)施的耗散和能耗（我們將在下面詳細(xì)討論），通過更快的加熱速度縮短總循環(huán)時間總是可以降低總能耗。
即使從物理角度來說，這種說法是正確的，但這并不總是意味著更低的費用；事實上，為了實現(xiàn)更快的加熱速度，熔爐將需要更高的功率吸收，可能超過電力供應(yīng)合同允許的最大功率，從而導(dǎo)致峰值功率損失。
不可能先驗地確定哪種策略在所有情況下都更經(jīng)濟(jì)；一個好的經(jīng)驗法則是采用更快的加熱速度，但應(yīng)根據(jù)供應(yīng)合同、具體工藝和熔爐規(guī)格仔細(xì)評估每種情況。
如上所述，真空爐能夠根據(jù)所選的熱處理參數(shù)提供加熱負(fù)載所需的精確能量；這得益于基于 PID 控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在抽真空、裝卸爐子、冷卻和空閑時間期間不消耗任何加熱功率。真空爐除了完全可編程外，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而能夠以最有效的方式安排熱處理以最大限度地減少能源消耗，例如在一天中的某些時段利用更優(yōu)惠的能源費用或更好地分散工廠設(shè)備的能源需求，從而避免峰值功率損失。
需要強調(diào)的是，雖然根據(jù)上述原理，真空爐的能耗會隨著要熱處理的負(fù)載質(zhì)量的增加而增加，但這種關(guān)系并不是線性的。
事實上，對于小批量，加熱爐熱區(qū)和固定裝置所需的能量占主導(dǎo)地位，我們將在下一段中討論這一點，而隨著批量的增加，這一比例變得越來越不重要，因為前者在批量較大時保持不變，而后者則增加。因此，加熱一公斤負(fù)載所需的特定能量（kWh/kg）將隨著批量的增加而呈指數(shù)下降。
雖然在爐子和固定裝置的最大負(fù)荷方面存在一些限制，除了為了避免損壞和確保均勻輻射而設(shè)置的部件間距之外，很明顯，充分利用整個爐子容量和提高爐子飽和度將降低與熱處理相關(guān)的每單位能源成本。
最后，我們只想就零件夾具提供一條評論：盡管由更輕、性能更好的材料制成的夾具可能比其他夾具更貴，但更重的夾具也需要更多的能量來加熱。
在某些情況下，夾具的質(zhì)量可能等于或大于要熱處理的部件的質(zhì)量，從而產(chǎn)生不可忽略的功耗；在選擇過程中應(yīng)始終考慮到這一點。
用于加熱爐熱區(qū)的能量
上一章中關(guān)于加熱工作負(fù)荷的能量需求的所有考慮也適用于加熱爐熱區(qū)所需的能量，明確區(qū)分的是，絕緣、電阻器、負(fù)載支撐和爐熱區(qū)所有組件的質(zhì)量和物理特性對于在同一爐上執(zhí)行的每個熱處理周期都保持不變。
就此而言，熱區(qū)的總質(zhì)量是影響加熱所需能量的關(guān)鍵參數(shù)。經(jīng)過深思熟慮的設(shè)計應(yīng)能夠最大化有用的體積與質(zhì)量比；從這個意義上講，方形截面通常比圓形截面熱區(qū)更受青睞。此外，與圓形截面熱區(qū)采用的噴嘴相比，方形截面熱區(qū)上通常用于控制冷卻氣體流量的可關(guān)閉艙口進(jìn)一步減少了耗散。因此，當(dāng)工藝約束或零件幾何形狀不嚴(yán)格要求圓形截面熱區(qū)時，方形截面是選擇。
耗散能量
即使對于設(shè)計最佳的真空爐，耗散也會占吸收能量的相當(dāng)一部分；更具體地說，這種能量以熱量的形式從爐子熱區(qū)傳遞到外部（即爐子水冷套）而耗散。
爐子設(shè)計的許多方面都會影響其能量損失，例如：尺寸，形狀（圓形截面或方形截面），氣體淬火和熱區(qū)材料的噴嘴/艙口的數(shù)量和分布。
有不同類型的熱區(qū)設(shè)計和隔熱。目前，真空爐主要采用兩種類型的熱區(qū)設(shè)計：
- 全金屬熱區(qū)
- 石墨熱區(qū)
第一個部分由一系列間隔幾毫米的金屬板組成，充當(dāng)反射屏障，內(nèi)層由耐火金屬（通常是鉬或鎢，取決于最高工作溫度）制成，外層由不銹鋼制成。
在第二種情況下，熱區(qū)使用石墨晶片進(jìn)行隔熱。在高質(zhì)量的真空爐中，石墨晶片受到碳纖維復(fù)合材料 (CFC) 層的保護(hù)，以提高機(jī)械阻力。
每種熱區(qū)設(shè)計都有其優(yōu)點和缺點，全金屬熱區(qū)除了加熱速度更快之外，還提供了更清潔的環(huán)境和非常低的排氣率，非常適合碳敏感或氧敏感材料，而石墨設(shè)計通常更便宜、更堅固，并且不會隨著時間的推移出現(xiàn)不透明的問題。
在耗散能量方面，石墨熱區(qū)無疑具有優(yōu)勢。事實上，真空爐中的能量損失主要取決于熱區(qū)內(nèi)外溫差；隨著溫度的升高，耗散呈指數(shù)增加。與石墨絕緣熱區(qū)相比，全金屬熱區(qū)的這種影響更為明顯。
無論是石墨絕緣熱區(qū)還是全金屬設(shè)計最適合您的工藝，最佳爐設(shè)計和采用的材料質(zhì)量（包括熱區(qū)元件的生產(chǎn)工藝）都是確定爐子能耗要求的關(guān)鍵方面，這肯定會首先回報任何額外的投資。
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