吳安民，張志華，邱 鵬，鐘漢萍，張燕明

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

?

持久蠕變?cè)囼?yàn)用高溫加熱爐的改造

吳安民1,2,3，張志華1,2,3，邱 鵬1,2,3，鐘漢萍1,2,3，張燕明1,2,3

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

通過(guò)改變高溫加熱爐的爐膛、爐瓦和電熱元件的形狀、尺寸、規(guī)格及電熱元件的布置方式和高溫加熱爐的供電方式，增加了高溫加熱爐的均熱帶，提高了高溫加熱爐的熱效率和熱穩(wěn)定性能，最高加熱溫度達(dá)到了1200℃，高溫加熱爐的使用壽命也增加了。

高溫加熱爐；爐絲；使用壽命

1 引 言

持久蠕變?cè)囼?yàn)是指在恒定溫度、恒定載荷作用下的靜態(tài)破壞性試驗(yàn)。高溫加熱爐是持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)的重要組成部分。北京航空材料研究院在用的部分持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)都是上世紀(jì)60、70年代生產(chǎn)的，配置的高溫加熱爐是一種“管式”結(jié)構(gòu)的馬弗爐。

高溫加熱爐的電熱元件布置是以中組爐絲為主，上組、下組爐絲為輔進(jìn)行升溫、保溫對(duì)試樣加熱。試驗(yàn)時(shí)，試樣置于高溫加熱爐的中心位置，測(cè)溫?zé)犭娕冀壴谠嚇由线M(jìn)行測(cè)溫。高溫加熱爐的中組爐絲較長(zhǎng)，上組和下組爐絲較短(見(jiàn)圖1)。中組爐絲主要用于加熱試樣，上組和下組爐絲主要用于補(bǔ)償高溫加熱爐兩端開(kāi)口處的熱損失。中組爐絲的布置區(qū)域覆蓋了整根試樣和測(cè)溫?zé)犭娕?，由于三組爐絲的長(zhǎng)短不一樣，加熱功率也不一樣，測(cè)溫?zé)犭娕紝?duì)上、下組爐絲的溫度變化反應(yīng)比較慢，在試驗(yàn)過(guò)程中溫度梯度比較難以調(diào)節(jié)，而且高溫加熱爐的控溫精度和熱穩(wěn)定性也不好。

圖1 改造前高溫加熱爐爐絲布置方式及加熱示意圖

高溫加熱爐的結(jié)構(gòu)是一種熱源與加熱空間用馬弗罩隔開(kāi)的馬弗爐(見(jiàn)圖2)。電熱元件選用的是φ1.5的爐絲，爐絲呈螺旋式密繞于馬弗罩上，加熱爐的均熱帶為150mm，爐膛內(nèi)徑為φ70。由于馬弗罩對(duì)熱源的熱輻射有屏蔽作用，加熱爐的熱傳導(dǎo)性較差，爐膛內(nèi)的溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)。由于爐絲較細(xì)，高溫加熱爐的最高穩(wěn)定工作溫度為1000℃。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，這已不能很好地滿足大批量材料的試驗(yàn)要求，特別是測(cè)試溫度在1000℃以上的材料的測(cè)試要求。由于爐絲較細(xì)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)高溫加熱及氧化，爐絲容易發(fā)生斷裂，加熱爐的使用壽命短，基本每年都要進(jìn)行爐絲的更換，滿足不了上萬(wàn)小時(shí)長(zhǎng)時(shí)持久、蠕變性能測(cè)試的要求，而且每年更換爐絲，設(shè)備維修費(fèi)用高，增加了試驗(yàn)測(cè)試成本。

圖2 改造前加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 高溫加熱爐的改造要求

2.1 滿足1000℃以上材料性能測(cè)試要求

隨著航空航天科技的發(fā)展，對(duì)材料的服役性能提出了更高的要求。新型發(fā)動(dòng)機(jī)用材料的高溫測(cè)試條件最高已經(jīng)達(dá)到了1200℃，這對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)試能力也提出了更高的要求。因此，需要開(kāi)發(fā)測(cè)試溫度達(dá)到1200℃的高溫加熱爐，以滿足科研生產(chǎn)測(cè)試需求。

2.2 熱效率高、熱穩(wěn)定性能好

高溫加熱爐的爐襯的設(shè)計(jì)及爐膛的形狀和尺寸、電熱元件的布置方式及選用的電熱元件的規(guī)格等，對(duì)高溫加熱爐的性能有很大的影響。為了保證爐膛溫度分布均勻，要盡量減少電熱元件熱輻射的屏蔽。電熱元件安裝位置，應(yīng)使熱量容易傳給工件，而又不使工件局部過(guò)熱。電熱元件的布置方式及選用的電熱元件的規(guī)格對(duì)高溫加熱爐的熱效率、熱穩(wěn)定性和熱損失以及爐子的使用壽命等都有直接影響。

2.3 滿足長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)的測(cè)試要求

基于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)材料測(cè)試實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的需求，目前高溫持久蠕變?cè)囼?yàn)的測(cè)試時(shí)間已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)上萬(wàn)小時(shí)甚至幾萬(wàn)小時(shí)。因此，作為持久蠕變?cè)囼?yàn)重要組成部分的高溫加熱爐，其使用壽命對(duì)試驗(yàn)的完成有至關(guān)重要的作用，長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定可靠的高溫加熱爐應(yīng)能確保長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)的完成。

3 高溫加熱爐的技術(shù)指標(biāo)及改造措施

3.1 高溫加熱爐改造的技術(shù)指標(biāo)

為滿足材料研究的測(cè)試要求，高溫加熱爐需滿足試驗(yàn)方法[1-2]規(guī)定的溫度要求。

最高加熱溫度：1200℃

均熱帶：200mm

供電電壓：25V

使用壽命：>5000h

電熱元件規(guī)格：φ5

爐膛尺寸：φ100

電熱元件的布置方式：采用爐絲內(nèi)繞的方式

試樣加熱方式：直接熱輻射的加熱方式

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，高溫加熱爐的溫度波動(dòng)和溫度梯度應(yīng)符合表1要求。

表1 溫度波動(dòng)及溫度梯度要求

3.2 提高加熱爐的最高加熱溫度和使用壽命

電熱元件選用HRE型鐵鉻鋁鈮電爐絲，單根爐絲的規(guī)格為φ5[3]。選用φ5粗爐絲，提高了爐絲的加熱功率，加熱爐的最高加熱溫度達(dá)到了1200℃，而且選用φ5爐絲后，加熱爐的使用壽命較φ1.5爐絲加熱爐的使用壽命大大提高。

3.3 提高加熱爐的熱穩(wěn)定性能

將三組爐絲改為同等長(zhǎng)度(見(jiàn)圖3)，三組爐絲的加熱功率一樣，上組和下組的測(cè)溫?zé)犭娕季嚯x上、下組的爐絲都比較近，上組和下組的爐絲不僅補(bǔ)償了爐子兩端開(kāi)口處的熱損失，而且對(duì)爐膛內(nèi)的溫度起到了很好的補(bǔ)償作用。而且，三組爐絲加熱功率一樣，易于控溫溫度的調(diào)節(jié)，爐溫梯度小，加熱爐的爐溫均勻性得到提高。

圖3 高溫加熱爐改造后爐絲結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 提高高溫加熱爐的熱效率

對(duì)加熱爐的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用電熱元件直接暴露在爐膛內(nèi)的敞焰爐結(jié)構(gòu)[3](見(jiàn)圖4)。單根爐絲呈螺旋狀分三組均勻排布于爐膛內(nèi)側(cè)，熱源直接熱輻射加熱試樣，提高加熱爐的熱傳導(dǎo)效率，降低加熱爐的耗電量，降低試驗(yàn)測(cè)試成本?？紤]到熱源直接熱輻射加熱試樣時(shí)，因爐膛尺寸小會(huì)發(fā)生試樣的過(guò)熱現(xiàn)象，對(duì)爐膛的尺寸進(jìn)行加大，將爐膛內(nèi)徑增加至φ100，從而避免產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。

圖4 改造后加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 采用可靠穩(wěn)定的控溫方式

通常，高溫加熱爐采用三段爐絲加熱的方式，常用的控溫方式是將三支帶鎧甲的熱電偶固定于高溫加熱爐的爐壁上。試驗(yàn)時(shí)，試樣置于爐膛中心，控溫?zé)犭娕己驮嚇又g有一定的距離，爐膛內(nèi)的溫度通過(guò)熱輻射達(dá)到熱平衡時(shí)，才能獲得均勻穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，無(wú)法快速地調(diào)節(jié)獲得均勻穩(wěn)定的爐膛溫度，出現(xiàn)溫度梯度時(shí)，爐溫達(dá)到均勻的時(shí)間較長(zhǎng)。

依據(jù)控制理論，為確保爐溫控制的精確性，采用直接控溫的方式[4]，把熱電偶直接捆綁在試樣上來(lái)控制高溫加熱爐的加熱溫度。由于試樣工作段的長(zhǎng)度有限，可捆綁的熱電偶數(shù)量受到限制，因此采用控溫、測(cè)溫共用熱電偶的方式進(jìn)行爐溫的控制和測(cè)量。

3.6 高溫爐使用的安全性

目前，試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)配置的高溫加熱爐的供電電壓為220V或380V，為了避免試驗(yàn)員在開(kāi)啟閉合高溫加熱爐時(shí)因短路導(dǎo)致?tīng)t殼帶電而發(fā)生觸電事故，保障人員與設(shè)備的安全，采用低電壓、大電流的供電方式，即通過(guò)變壓器將市電轉(zhuǎn)換為25V的安全電壓，提高高溫加熱爐操作的安全性。

4 改造后的效果分析

4.1 改造后高溫加熱爐的試驗(yàn)測(cè)試

高溫加熱爐改造完成后進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)，以驗(yàn)證改造后的高溫加熱爐的控溫精度和熱穩(wěn)定性能。經(jīng)304所第三方專業(yè)計(jì)量檢定(100℃～1200℃)，加熱爐的最大溫度波動(dòng)度為±0.4℃，最大溫度均勻度為±0.8℃(如表2所示)，溫度波動(dòng)和溫度梯度完全符合表1的要求。

表2 加熱爐的溫度波動(dòng)度、溫度均勻度

注：(1)每組溫度測(cè)量15次，采集間隔時(shí)間為2min。

(2)溫度均勻度：測(cè)量溫度點(diǎn)的每行的最大值Max-最小值Min后取平均差值，最后將每次得到的平均差值取平均。

(3)溫度波動(dòng)度：中心點(diǎn)(第一點(diǎn))溫度(最大值Max-最小值Min)/2。

(4)上偏差：最大值Max-標(biāo)準(zhǔn)值。

(5)下偏差：最小值Min-標(biāo)準(zhǔn)值。

4.2 加熱爐改造前后對(duì)比

加熱爐改造前后對(duì)比如表3所示。

表3 改造前后對(duì)比

4.3 使用效果

高溫加熱爐改造后，選用φ5粗爐絲，高溫加熱爐的使用壽命大幅提高，減少了高溫加熱爐的維修，降低了設(shè)備的維修保養(yǎng)成本。采用敞焰爐結(jié)構(gòu)，加熱爐的熱效率高，熱慣性小，爐溫控制精確，爐溫均勻性好。爐膛尺寸增加到φ100，試驗(yàn)機(jī)不僅可以做高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)，而且可以接入引伸計(jì)進(jìn)行高溫蠕變?cè)囼?yàn)，增加了試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)試項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)幾年的使用，在100℃～1200℃不同溫度進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)時(shí)加熱的試驗(yàn)時(shí)間均超過(guò)20000h，而且試驗(yàn)溫度穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所述的改造后的高溫加熱爐在試驗(yàn)室經(jīng)過(guò)幾年的使用，控溫精確，爐溫均勻性好，使用壽命長(zhǎng)，獲得了良好的使用效果。近幾年試驗(yàn)室新購(gòu)置試驗(yàn)機(jī)的高溫加熱爐都是按照該改造技術(shù)要求配置的，而且，該高溫加熱爐可用于不同廠家生產(chǎn)的不同型號(hào)的持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上，通用性好，是一種值得推廣的長(zhǎng)時(shí)、穩(wěn)定、可靠的持久蠕變?cè)囼?yàn)用高溫加熱爐。

[1]HB5150-1996 金屬高溫拉伸持久試驗(yàn)方法[S].

[2]HB5151-1996 金屬高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法[S].

[3]中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院.一種蠕變、持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)加熱爐:中國(guó),CN200910250637.5[P].2010-5-12.

[4]馮全,趙迪,黃新躍,等.一個(gè)高溫持久/蠕變測(cè)控溫及試驗(yàn)管理系統(tǒng)[J].材料工程,2011,(7):70-74.

Improvements of High Temperature Heating Furnace for Creep and Stress Rupture Testing Machine

Wu Anmin1,2,3, Zhang Zhihua1,2,3, Qiu Peng1,2,3, Zhong Hanping1,2,3, Zhang Yanming1,2,3

(1.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China;2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China;3.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China)

In an effort to improve the high temperature heating furnace of creep and stress rupture testing machine, the shape, size and specification of furnace chamber, furnace tile and the resistance heating element as well as the arrangement mode of the resistance heating element and the power supplying mode of the furnace are modified, whereby the uniform temperature region of the furnace is widened, so that the heating efficacy and the thermal stability of the furnace are optimized, the upper limit temperature thereof can reach 1200℃, and the service life of the heating furnace is also prolonged.

high temperature heating furnace; furnace wire; service life

2016-07-07

吳安民(1981-)，男，漢族，本科，工程師，主要從事航空材料高溫力學(xué)性能的測(cè)試與研究工作。

TM924.36

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.018