范昆

（自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，四川自貢 643011）

0 引言

H2脫除硬質(zhì)合金成型劑（石蠟、PEG、SBS等）是目前普遍采用的燒結(jié)工藝，該工藝是在微正壓（大于大氣壓2～3 kPa）狀態(tài)下通入2000～4000 L/h的H2，再從排氫點火口排出燃燒掉，在整個通氫過程中爐內(nèi)從常溫加熱至650℃左右，脫除成型劑的工藝時間為6～25 h（由具體產(chǎn)品來定），由于H2脫成型劑時間較長，經(jīng)常會遇到在長時間脫蠟過程中工廠停電等狀況。如果在H2脫蠟過程中突然停電，同時爐體或管道有較大泄漏時，外部空氣進入爐內(nèi)與熱H2混合，則極易引發(fā)爆炸，造成現(xiàn)場人身及設(shè)備傷害。國內(nèi)同類設(shè)備上就曾多次發(fā)生過因停電引起的H2爆炸事故，因此如何設(shè)計一種在停電狀況下自動回填惰性氣體的保護裝置來保證停電時H2脫蠟過程的安全顯得尤為重要，也是H2脫蠟壓力燒結(jié)爐以及H2脫蠟燒結(jié)工藝能否繼續(xù)在硬質(zhì)合金行業(yè)安全、可靠應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

1 目前國內(nèi)H2脫蠟壓力燒結(jié)爐在通H2過程中停電安全保護設(shè)計的空白

目前國內(nèi)H2脫蠟壓力燒結(jié)爐沒有考慮H2脫蠟過程中突然停電的自動安全聯(lián)鎖保護設(shè)計，基本上都是依靠停電后操作人員手動打開手動充氣閥往爐內(nèi)充微正壓的惰性氣體（氮氣或氬氣），這種手動充氣方式非常不可靠，因為壓力爐在停電后只能觀察機械式壓力表來判斷爐內(nèi)壓力（雖然有些壓力爐上配置有UPS，但UPS一般只能維持15～20 min，對于長時間停電來說不能起到保證安全的作用），而壓力爐的機械式壓力表量程較大，在微正壓時不能顯示，因此操作者不能通過觀察機械式壓力表來判定充入氣體是否達到微正壓3～5 kPa，若充入氣體壓力過大，則在設(shè)備恢復(fù)供電后較高壓力的H2和Ar的混合氣體不能從排氫點火口安全排出，造成爐內(nèi)有高壓Ar和H2混合氣體無法安全泄壓，引起其他安全隱患。同時手動充氣對操作者要求較高，需要操作人員一直守在設(shè)備旁邊定時手動充氣，手動充氣時不能確定爐內(nèi)氣體泄漏情況，充氣量和次數(shù)過多，造成爐內(nèi)有高壓不能安全排出，充氣量和次數(shù)過少，造成爐內(nèi)壓力為大氣壓，則爐內(nèi)有漏入空氣，引發(fā)爆炸的危險。因此設(shè)計一種在H2脫蠟停電狀況下的自動安全補氣保護裝置對于H2脫蠟燒結(jié)爐能否安全、可靠使用顯得非常重要，同時彌補了國內(nèi)H2脫蠟燒結(jié)壓力爐在通H2過程中停電安全保護的設(shè)計不足。

2 H2脫蠟壓力燒結(jié)爐在通H2過程中停電安全保護裝置結(jié)構(gòu)和原理

以6 MPa壓力燒結(jié)爐為例，爐體7的爐內(nèi)在不同工藝和溫度段下有以下幾種工況：1)微正壓氫氣（常溫～600℃）；2)真空（600～1400 ℃）；3)高壓氬氣（1400～1500 ℃）。

捕蠟器工況：微正壓氫氣或真空（常溫～100℃）。

在微正壓氫氣脫蠟階段遇到長時間停電時，爐體7的爐內(nèi)和捕蠟器9不能有空氣進入，須始終維持爐體7的爐內(nèi)及捕蠟器9為微正壓（3～6 kPa）。由于爐體7的爐內(nèi)有真空、微正壓、高壓三種狀態(tài)，停電時爐體7的爐內(nèi)的狀態(tài)是真空、微正壓還是高壓狀態(tài)是不確定的，因此停電充氣保護必須在停電前做程序判斷和相應(yīng)動作。

1）系統(tǒng)得電時。

系統(tǒng)程序?qū)t體7的爐內(nèi)是處于真空、氫氣微正壓、高壓氬氣這三種狀態(tài)進行判斷，捕蠟器9不需要判斷停電前的狀態(tài)，不論任何時候停電都往捕蠟器9充入微正壓氬氣即可。

a.若爐體7的爐內(nèi)處于真空或者氫氣微正壓，同時低壓氬氣壓力開關(guān)1檢測到氣源壓力信號時，爐體補氣保位閥6自動開啟；若爐體7的爐內(nèi)處于高壓或者低壓氬氣壓力開關(guān)1沒有檢測到氣源壓力信號時，爐體補氣保位閥6自動關(guān)閉。

b.爐體補氣常開閥4和捕蠟器補氣常開閥10在設(shè)備處于得電狀態(tài)時始終自動關(guān)閉。

c.減壓器2通過手動將出口壓力減壓至微正壓3～5 kPa，并且將氬氣轉(zhuǎn)子流量計3旋鈕調(diào)到能同時滿足爐體7爐內(nèi)及捕蠟器9的充氣流量設(shè)定，系統(tǒng)停電后，系統(tǒng)自動將進口0.2～0.3 MPa的低壓氬氣減壓至3～5 kPa，使?fàn)t體7的爐內(nèi)和捕蠟器9不會因為進口壓力太大，造成爐體7的爐內(nèi)既有高壓又有氫氣，帶高壓的可燃性氣體不能從排氫口正常點火排出，也不能直接從高壓排放口排出而引起嚴(yán)重的安全隱患，因此必須使用減壓器2將充入爐體7的爐內(nèi)的氣體減壓至安全微正壓。

2）系統(tǒng)停電后。

a.爐體補氣常開閥4和捕蠟器補氣常開閥10自動打開。

b.爐體自動補氣保位閥6在系統(tǒng)停電前，程序自動判斷爐內(nèi)有氫氣且低壓氬氣氣源有壓力時，閥門處于開啟狀態(tài)，該閥為保位閥，因此在爐體7的爐內(nèi)有氫氣且有低壓氬氣時，在停電后該閥仍然保持開啟狀態(tài)。

圖1 停電自動充氣保護裝置示意圖

c.第一充氣回路A和第二充氣回路B在系統(tǒng)停電后自動開啟，并按照減壓器2設(shè)定的系統(tǒng)安全微正壓以及氬氣轉(zhuǎn)子流量計3設(shè)定的氣體流量，沿回填充氣方向F，通過第一充氣回路A向爐體7的爐內(nèi)充入氬氣，通過第二充氣回路B向捕蠟器9充入氬氣，以保證停電后爐體7的爐內(nèi)及捕蠟器9始終為安全微正壓，使?fàn)t體7的爐內(nèi)和捕蠟器9不會有空氣滲入，確保爐體7的爐內(nèi)及捕蠟器9內(nèi)的氫氣安全。

該裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3 H2脫蠟壓力燒結(jié)爐在通H2過程中停電安全保護裝置PLC程序設(shè)計

4 結(jié)論

該實用新型主要針對6 MPa壓力爐在H2脫蠟過程中，發(fā)生長時間停電情況后自動充入安全微正壓Ar保護爐內(nèi)及捕蠟器內(nèi)H2安全，消除了H2脫蠟壓力爐在長時間停電后的安全隱患，確保了H2脫蠟工藝在壓力燒結(jié)爐上的安全可靠運行，該設(shè)計實用性已在公司生產(chǎn)的H2脫蠟壓力燒結(jié)爐上使用近5 a生產(chǎn)的20臺次壓力爐上經(jīng)5 a多時間的安全、可靠運行，得到用戶對該設(shè)備停電安全保護的一致好評，確保H2脫蠟壓力燒結(jié)爐在停電狀態(tài)的設(shè)備和人身安全。

[1] 王力民,張榮文.WC-Co硬質(zhì)合金H2保護脫蠟工藝的探討[J].硬質(zhì)合金,2003,20(4):212-215.

[2] 賴高惠.大型硬質(zhì)合金壓力燒結(jié)爐[J].粉末冶金技術(shù),1987(4):62.

[3] 戴煜,鄧軍旺.新型多功能硬質(zhì)合金壓力燒結(jié)爐[C]//2010中國材料研討會.2010.

[4] 陳躍輝,郭淳,羅毅.ZYS-50/50/130壓力燒結(jié)爐設(shè)備的研制[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金,2008,36(1):42-46.

[5] 劉余慶.硬質(zhì)合金燒結(jié)-熱等靜壓爐內(nèi)溫度場仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].長沙:中南大學(xué),2006.

[6] 趙渤亭,聶杰,張連仲,等.壓力燒結(jié)爐的設(shè)計及制造[J].化工設(shè)備與管道,2009,46(2):14-17.

[7] 張德明,曹勇家,李陽,等.中國設(shè)計制造的先進壓力燒結(jié)爐[C]//2007'全國有色金屬加工裝備技術(shù)創(chuàng)新大會.2007.

[8] 李亞東,羅景輝.有關(guān)氫氣的安全性分析與思考[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(25):295.

[9] 嚴(yán)武華.一種硬質(zhì)合金擠壓棒材的燒結(jié)工藝:CN102921948A[P].2013-02-13.

[10] 楊萍,劉云飛,齊亞軍,等.1650℃高溫氫氣燒結(jié)爐的研制[J].工業(yè)加熱,2009,38(4):32-35.

[11]彭常戶,薛濤.HSF-1800℃氫氣燒結(jié)爐的研制[J].真空,2003(5):49-52.

[12]楊迅.硬質(zhì)合金真空/壓力燒結(jié)爐差壓脫蠟的研究[J].裝備制造技術(shù),2013(3):249-251.

[13]付軍.國產(chǎn)硬質(zhì)合金壓力燒結(jié)爐改進提高的方向[J].裝備制造技術(shù),2014(6):249-250.

[14]陳躍輝.進口壓力燒結(jié)爐設(shè)備的技術(shù)改進[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金,2008,36(2):37-38.

[15]嚴(yán)磊.國產(chǎn)壓力燒結(jié)爐改進與提高[J].建材與裝飾,2016(46):180-181.