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真空炉石墨毡绝热方案的比较——PAN和Rayon
时间:2021年04月08日 来源:本站原创  作者:佚名 浏览次数:

作者:Reàl J. FradetteWilliam R. Jones – Solar制造有限公司;美国宾夕法尼亚州索德顿

 

 

        热处理行业如今使用的大多数真空炉都采用了某种石墨毡绝热材料或材料组合,并在炉内高温区热面使用石墨箔或石墨板。高温炉使用的石墨毡或者是PAN基,或者是Rayon基。其中,PAN(聚丙烯腈)基石墨毡最常用,因为它的成本要比Rayon基绝热层低20%左右。

 

        Solar制造公司在近期对这两种材料的节能效果和使用性能进行了测试,以确定它们各自在真空炉中使用的优点。本文将介绍我们的测试结果。

 

热性能

 

        测试是在我们的一台实验炉中进行的,目的是评估使用这两种石墨毡材料的相对热效率。这台立式炉采用了全石墨绝热层,有效工作空间为12英寸深 x 18英寸高。对该炉进行了改造,包括上部的一个加长段,以便有足够的空间适应高温区上盖板的厚度变化,同时也为安装热电偶留出了足够的位置。

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2. 水冷真空炉的辐射表面

 

        我们制作了两块炉室上盖板,一块使用了40.5英寸的PAN毡,另一块使用了40.5英寸的Rayon毡。两种情况下都在不锈钢盖板上安装了一支热电偶,以模拟普通炉型外支承环的辐射温度(2A)

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  1列出了在高温下保温时记录到的两种石墨盖板的温度。数据表明,使用Rayon的热效率比使用PAN提高了大约6%。我们的结果反映的是图2中向真空室侧壁B点辐射热量的A点的情况。

 

        虽然这一辐射表面温度改善的结果是在小规模测试条件下获得的,但根据斯蒂芬-玻尔兹曼辐射定律(公式1),在使用典型真空炉(高温区尺寸为36英寸宽x 36英寸高 x 48英寸深)的实际生产中,降低辐射表面A的温度具有重要的意义。

 

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    关键在于,辐射表面温度的影响力达到4次方。可以据此计算不同保温温度下的总能量损失(2),以对不同绝热方案的效果进行比较。根据测试数据,Rayon绝热方案的节能幅度比PAN高出大约15%

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式中,

• P = 净辐射能

• e = 辐射表面的发射率(不锈钢为0.55)

• σ = 斯蒂芬常数(5.6703 x 10-8W/m2K4)

• A = 辐射表面积

• T = 支承环的辐射表面温度(开尔文)

• Tc = 炉室内壁的环境表面温度(开尔文)

 

        根据这些数据,Rayon石墨毡用于需要长时间保持高温的工艺时,效果也要远好于PAN石墨毡。

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使用性能

 

        热效率固然重要,不过,在真空工艺中,还必须考虑绝热设计方案在周期时间和残余污染物(可能影响部件纯净度)方面的总体效果。如果一种设计方案需要很长的抽真空时间,因而延长了整个工艺的周期时间,则对工艺运行成本不利。

 

        更重要的是,如果绝热设计在热处理工艺过程中释放出不希望的残余气体,可能会使特定金属受到污染,产生不希望的表面污染物。PAN石墨毡和Rayon石墨毡的性能分析表明,两者对抽真空性能可能会产生不同的影响,因为它们的密度和灰分含量不同(3)

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     为进行性能测试,我们使用PANPayon石墨毡材料分别制作了10个直径13.5英寸的样品。我们还将另一台实验炉(与图1所示炉类似)的标准盖板分别换成了这两组10层样品,以模拟大型生产用炉上石墨毡的有效表面积。在进行测试之前,所有石墨毡样品都在2,400˚F高温和高真空的条件下进行了持续1小时的烘烤。在炉内冷却下来的样品被分开装在密封袋中,以最大限度降低湿度造成的任何影响。

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1. 加长改造后的实验炉

 

        测试在一台采用了全金属高温区的炉内进行,并且使用了如图1所示的同一个加长段。之所以采用全金属高温区进行这些测试,是为了保证任何污染和抽真空问题都只是由石墨毡盖板样品造成的,而与石墨毡在标准的全石墨实验炉中的使用无关。如前所述,每个盖板由10PANRayon石墨毡组成,它们都被支承在一块钼板上。每种材料的测试都执行了如下真空热处理操作:

 

1. 开始操作之前记录环境温度、湿度和露点。

2. 对炉室抽真空,达到5 x 10-5托。

3. 每小时升温20˚F,达到2,250˚F

4. 2,250˚F保持30分钟。

5. -5英寸汞柱下用氮气冷却到130˚F

6. 移除绝热盖板,通入压缩空气并保持60分钟。

7. 记录环境温度、湿度和露点。

8. 将石墨盖板放回炉内。

9. 抽真空到1 x 10-5托,记录抽真空所用时间。

10. 回充炉室并将其清空。

 

        测试达到的真空度和所用时间的完整记录见图3。虽然对于抽速计算来说从图中的曲线并不能明显看出抽真空时间的差别,但可以发现,Rayon的真空性能相比于PAN有大约20%的改善。

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PAN/Rayon修正测试

 

        在使用石墨毡绝热的真空炉时,吸湿性会成为氧污染的一个重要原因。为了进行测试,每组毡层在放入炉内之前都在环境空气中放置了10 – 12小时。如下所述,测试每组毡层时都在炉内放入了一个洁净的钛试件。每次测试后,借助于冶金分析手段,根据钛表面的阿尔法层来确定PANRayon绝热材料的吸湿性造成污染的程度,并同全金属高温区的洁净结果进行对比。

 

        这些测试的操作步骤如下:

 

1. 在装炉之前记录温度、湿度和露点。

2. 装上炉室加长段。

3. 将钛试件放入炉内。

4. 放入10PAN(Rayon)毡制成的测试用盖板。

5. 记录当前测试的石墨毡类型。

6. 关闭炉室,开始测试步骤。

7. 在加热之前抽真空到5 x 10-5托。

8. 30˚F/分的速度加热到1,750˚F,然后保持1小时。

9. 在整个过程中记录真空/温度指标。

10. 用氮气回充炉室,冷却到适当温度打开炉室。

11. 移除石墨盖板和钛试件,确认完成的是PAN还是Rayon测试。

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        在同标准的全金属高温区进行对比时,可以看到两种绝热方案的真空性能(4)都不如前者,表明有更多的残余气体存在。我们应当指出的是,进行Rayon测试当天的湿度和露点明显高于PAN测试当天。即使存在这个事实,图4所示结果也表明,PAN绝热毡对吸湿性的反应要比Rayon毡敏感得多。

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 由此生成的阿尔法层的测量结果(4)也支持这一结论,因为尽管Rayon毡层比PAN样品接触到了更高的湿度,但Rayon绝热测试中所用钛试件生成的阿尔法层接近于全金属高温区的结果。

 

使用这些绝热毡材料的优缺点

 

        在使用PAN石墨毡时,立刻就能发现3个明显的缺点:

 

1) 这种材料在裁切时容易破裂,使边缘参差不齐。

2) 这种材料在处理时很脏。

3) 这种材料厚度不均匀,制作叠层较为困难。

 

        Rayon石墨毡则完全相反。

 

1) 它很容易裁切成需要的尺寸,边缘不会破裂。

2) 它在处理时干净得多。

3) 它非常平整,很容易整齐地堆叠。

 

        因此,从制造角度来说,Rayon石墨毡是首选。

 

结论

 

        根据以下结论,Solar制造公司已经决定,在将来的加热炉设计中将选择Rayon毡作为绝热材料:

 

 在正确使用的情况下,Rayon石墨毡的节能效果比PAN石墨毡高出20 – 30%之多。这对那些需要长时间保持高温的工艺来说是一大优势。

 

• PAN石墨毡的灰分含量高于Rayon石墨毡,可能对产品的表面质量造成影响。

 

• Rayon石墨毡的释气指标好于PAN毡,有利于更快地达到更好的真空度指标。

 

• PAN石墨毡相比于Rayon石墨毡对钛样品的影响更大,使其更容易生成不希望的阿尔法层。

 

• Rayon石墨毡的价格水平比PAN石墨毡高出20%左右,所以经济性是真空炉高温区设计的一个考虑因素。

 

• Solar制造公司已将Rayon石墨毡作为降低能耗和提高真空性能的标准方案。

 

 

欲了解更多资料,请联系:Reàl J. FradetteSolar制造有限公司高级技术顾问,1969 Clearview Rd.,Souderton, PA 18964;电话:267-384-5040;电子邮箱:real@solaratm.com;网址:www.solaratm.com

 

 

备注:本文刊登于《IndustrialHeating》中文版杂志2020年10月刊。

 

 

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