PDF《基于 硅碳棒加热 的高 温钎焊设 备 的研 制》

科 学论 坛I基于硅碳棒加热 的高温钎焊设备的研制 马尧胡敏(西安航天发动机厂 工装设计所) [ 摘要] 本文主要介绍 了采用硅碳棒作为加热元件的高温钎焊设备的结构设计 , 并对实现高温工作时所需的加热元件的设计和新型耐火材料的应川等天 键技术进行了详细论述 .

[ 关键 词] 硅 碳棒 高温设备 中图分类号: TG

4 5

4 文献标识码 : A 文章编号:

1 0

0 9

9 1

4 X (

2 0

1 3 )

3 3 ―

0 4

0 2 ―

0 2 1前言本文研制的高 温钎焊设 备需满足 长期运行 在1

2 5

0 ~ C高温环境 中,能实现产 品测温、 炉膛测温、 产品内腔抽真空、 炉膛通氩气保护等多项功能. 同时, 需实现 精确的温度控制, 准确显示设备内环境温度和产品表面温度, 并对各项监测数 据实现计算机实时储存、 打印、 输出. 这样的复杂工艺过程对所需钎焊设备的结 构组成 、 各项功能提 出了更高的设计要求. 2设备组成 高温专用钎焊设备组成分为 : ①炉体 部分 : 包 括炉 门机构 、 炉子 主体 、 加热 元件 炉 门机 构:用来 是支 撑炉 门.炉子主体: 由炉壳和炉衬层组成 . 加热元件 : 采用进 口康泰尔u 型硅碳棒, 均布在炉体内左右两侧及后墙布 置.②加载装置 : 由真空系统、 承载大轴、 大轴驱动、 小车驱动、 及车体组成. ③电源部分 : 由中频电源和变压器组成. ④控制部分: 由温度调节仪、 温度记录仪、 真空计、 P L C 以及通用的电流、 电压、 功率表组成. 用于完成设备控温、 炉门开、 闭动作、 小车进退及大轴旋转等功能. ⑤氩气保护系统: 采用气瓶组集中供气 , 通过氩气控制柜给钎焊箱 内充氩 气.⑥水冷 系统 : 用 于冷 却小 车上真 空机 组.3关键技术

3 . 1加热 元件 的选 取 作为高温钎焊设备的核心元件加热体, 目前可以选用的加热体为金属元件 和非金属元件. 选择满足工作温度要求的加热体, 最重要的指标是工作温度和 加热元件的表面负荷率. 根据加热设备使用经验 , 加热体工作温度一般要比设备内环境温度高

1 0

0 ―

2 0

0 V, 如表

1 所示, 如常用的金属元件0 C r

2 7 A

1 7 Mo

2 , 在1

2 5

0 C时是极限 工作温度下使用, 严重影响使用寿命 , 而非金属元件的硅碳棒正常工作范围 表1工作温度 ~ ~ 一工{ 笮溢赝 ( ℃ ) 擞工f # 褪腰cc1200―1

3 0

0 1

4 o o 硅 碳棒 t

2 5

0 -

1 4

0 0

1 5

0 0 表2 不同温度的表面负荷率 表3 耐火砖制品主要性能指标 耐火度 葡重 化点 l 耐急冷息 I耐压强度 体积露壤 导热系教 材料名称 ( ℃) 《 ℃) I 趣性 i( k g / ) 《 g , c I , - K 轻质耐火糖土l2_.I弱i40.0,4~1.00.92砖制品1610Il嘉髓耐火牯土14∞I较 强125~船2.卜2 .

7 5

1 .

5 5 砖制品1670表4 陶瓷纤维制品主要性能指标 l 指标成分 数值 i 体积密度,g / c m : 毯,

1 2

6 ;

组较,

0 .

2 2 ;

棱025i耐火度 ( ℃ )

1 7

6 0 j 荷重软化点 ( ℃ )

1 6 ∞ l 坪维赢径, m

2 ~

3 . 2( 平均) l 拜雏长度,一20~8

0 '

重收靖率,% 《l

1 5

0 ( ) ℃X

6 h ) b 热,iAg・ K

1 .

2 4 '

温度 数值导燕 系数,w , m- K l

2 . . ℃

0 .

2 8 L

1 4

0 0℃ O.

3 6

4 0

2 } 科技博览1250-1

4 O

0 ℃是 热效率 利 用最佳 温 度区 域.加热元件的表 面负荷率是 单位面积所分 配的功率 , 每种加 热体根据使用 要 求都有最佳的表面负荷. 表面负荷率越高, 加热体本身的温度越高, 有利于加快 传热速度 , 但是同时加热体寿命会大幅降低. 表面负荷率过低, 将加热效率会降 低 同时增 加 电热元 件消耗 量,无法满足设备 快速温升 需求. 根据表2 N种 加热体 的不同温度 的表面负荷率可以看出, 金属元件0 C r

2 7 A

1 7 Mo

2 在1

3 0

0 ~ C时, 表面 负荷率只有0 .

7 W/ c mz , 而硅碳棒在

1 3

5 0 C时, 表面负荷率是l O W/ c mz .

0 C r

2 7 A1

7 Mo

2 需要布置的面积是硅碳棒的l O ÷0 .

7 =1 4.

3 倍, 选用硅碳棒 可以减少 占用空间, 炉体更加紧凑. 综合上述 , 在新研制的高温专用钎焊设备中应选择硅碳棒作为加热元件 , 这 样满足 加热使 用要 求.32新型 耐火材 料 的应用

3 .

2 . 1耐 火材 料 的选取 目前国内高温焊接设备广泛采用的是耐火粘土制品和陶瓷纤维制品. 我厂 现有钎焊炉炉衬基本为耐火砖制品, 这些耐火材料使用温度较低, 整体成型困 难, 这样就不可避免的存在一些如耐压强度低、 荷重软化点低、 抗化学腐蚀性较 差等缺陷, 长时间使用会出现大面积断裂、 坍塌, 部分衬体砖高温下与加热器粘 接在一起 , 无法满足正常生产使用. 耐火砖制品主要性能指标如表3 所示 . 陶瓷纤维制品是国内近几年研制出来的一种由高纯度的硅酸铝纤维加入 少量结合剂、 用高温真空成型法制成的新型节能材料, 可长期使用温度在1

6 0

0 ℃左右 , 高温下线收缩系数较大( I O

0 0 C时2 %,

1 3

0 0 C时接近4 %) , 属于不定形 耐火隔热材料, 主要制品有陶瓷纤维组块、 陶瓷纤维板、 陶瓷纤维毯. 陶瓷纤维 制品由于其体积密度小、 导热系数低、 重量轻、 良好的隔热性能、 可分块固定、 更 换等优点被广泛使用, 逐渐取代了普通耐火粘土制品, 主要性能指标见表4 . 从上表3 和表4 可以看出, 陶瓷纤维制品与耐火粘土制品相比, 导热系数低, 能更快速的升温, 更加节能;

使用温度高, 炉衬使用寿命增加;

体积密度小、 减小 了炉衬占用空间, 并且产品形状上陶瓷纤维制品有毯、 板、 组块, 可根据钎焊炉的 要求进行组合安装, 更换时只需将损坏处拆除, 不需整体重做 , 降低了设备成本. 根据以上分析比较, 炉衬耐火材料选择陶瓷纤维制品.

3 .

2 .

2 隔热 耐火 层 的结构 设计根据钎焊炉长期工作在1

2 5

0 1

2 的工况, 如图I N示设计中钎焊炉三侧的耐 火面和炉底的耐火层材料使用1

4 0

0 U Y=

2 .

1 的致密砖和 Y= O .

8 的轻质高铝 砖, 保证内表面砌后平整. 隔热保温层选用不同温度梯度的陶瓷纤维板、 纤维毯 组合成的全纤维结构, 炉顶则采用1

4 0

0 C陶瓷纤维组块. 其密度低、 导热系数小 的性能可以大大减轻衬体重量 、 缩短升、 降温时间, 同时具有 良好的机械强度和 抗气流冲刷性能, 能满足工作过程中热态进、 出炉要求. 根据Ⅸ 热处理设备及设计》 手册, 一般加热设备外表面冷面温度一般不高于 室温以上6

0 ℃. 按室温为2

5 C, 冷面温度不应高于8

5 ℃, 计算结果中冷面温度最 高为炉底7

9 ℃, 满足设计要求. 图1炉衬 示意 图Chi n a s c i e n c e a n d Te c h n o l o g y R e v i e w 浅析煤矿开挖巷道 锚杆支护 参数的合理选择姚泉(淮北矿业集团工程建设公司 安徽 淮北

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5 0

0 0 ) 科 学论 坛l[摘要] 对于开挖巷道的支护, 我们可以根据岩体力学和锚杆支护原理, 按照围岩松动圈理论和锚杆支护机理 , 结合围岩松动圈的分类与测定, 针对不同围 岩稳定条件, 合理选择锚杆的支护参数. 通过此思路选择锚杆支护参数 , 能实现既安全 , 又经济的支护效果. [ 关键词] 开挖巷道 ;

锚杆支护 ;

围岩松动圈;

性质 ;

参数选择 中图分类号 : U4

5 5 .

7 +1 文献标识码: A 文章编号:

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0 9 ―

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4 X(

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1 3 )

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0 4

0 3 ―

0 1 1引言近几年来 , 锚杆支护已是煤矿巷道主要的支护方式. 要保障锚杆支护的安 全和经济性, 在选择锚杆支护时, 关键问题就是如何正确的选择锚杆支护参数, 以实现既经济合理 , 又能较好的达到支护效果的目的. 在此, 引入围岩松动圈和 锚杆支护机理为基础理论 , 论述锚杆支护的参数选择问题 . 2圈岩松动圈理论和锚杆支护机理

1 ) 围岩松动圈理论. 对于地下岩体来说, 在开挖之前是处于原始应力平衡 的状态, 当开挖后这种平衡状态遭到破坏, 由原来的单向应力状态变为双向应 力状态, 并在巷道周围产生了应力集中. 而巷道的周边变为单向应力状态, 此时 径向应力 o r 下降为零 , 切 向应力 o t 则集中. 当围岩集中应力 o v J , 于岩体强度 时,围岩处于弹性变形状态;

当围岩集中应力 . 吠 于岩体强度时 , 则围岩就会 产生破裂松动 , 并由巷道周边开始 向深部发展 , 这种破裂松动深入围岩深部的 距离则称为围岩松动区的厚度 , 这个破裂区也就常称为围岩松动圈.

2 ) 锚杆支护机理. 对于这类的开挖岩体, 在现有的支护条件下, 若试 图采用 支护手段来阻止围岩的松动破坏则是不可能的, 而支护的作用只是限制围岩松 动圈形成过程 中破碎力所造成的有害变形. 所以, 采用锚杆支护, 若要达到较好 的支护效果 , 那么其锚杆的布置和参数就必须考虑松动圈内岩体的变形及破坏 情况. 锚杆支护的主要作用 , 也就是通过巷道周边的数根锚杆, 使岩体互相挤 压, 从而形成一个接近原岩强度的组合承载结构 , 既锚固围岩的表层 , 防止 冒落, 又能利用岩体本身强度来实现稳定的支护效果. 显然 , 锚杆支护参数的选 择, 必须适应围岩松动圈岩体的特性. 确定松动圈的性质, 才能以此为依据 , 正确、 合理选择锚杆支护的基本参数 . 3围岩松动曩的分类与测定 根据上述围岩松动圈支护理论的分析可知 , 各个煤矿可根据具体实测资料 来进行围岩的详细分类. 通常情况下, 将围岩分成三类 , 即稳定围岩 动圈L P ≤4

0 c m) 、 中等稳定 围岩(

4 o c m1

5 0 c m) . 在被开挖巷道 中, 围岩松动圈是由围岩应力和围岩强度所决定的, 由于各 个煤矿的地质条件不同, 而围岩松动圈的参数也不尽相同. 因此, 确定围岩松动 圈的最好办法就是通过现场来实测. 可采用围岩裂隙探测仪, 并根据声波波速 和振幅, 做出巷道围岩岩体声速振幅变化曲线 , 这就可以很容易地确定松动圈 的范围. 对于采准巷道来说 , 其测站可以间隔5

0 m以上设置 , 而每个测站要设几 条测线, 每个测线布置6 ~8 个测孔. 顶板测 L 要垂直顶板的层理方 向, 其它测孔 可以沿煤层倾斜方向来布置. 测孔长度按煤层柱状图来确定 , 一般为2 ~3 m. 钻 孔钻好后要用水将孔冲洗干净 , 并将探头插入钻孔内, 并注水封闭后即可进行 测试. 其测试的实例布置 , 见图1 、 图2 所示. 4锚杆支护参数的合理选择 根据三种围岩的稳定类型和性质, 分别可对不同情况下的锚杆参数选择与 确定.{张啦瓣燕 撵 由于松动圈围岩的自重有限, 而锚杆将不起大的作用 , 所以, 对于整体性较 好、 耐风化的围岩, 可进行不支护, 必要时可用单一的喷射混凝土来支护. 如此 处理 , 工程实践表明, 其混凝土的最大厚度可以不超过2

0 c m为宜 .

4 2 中等稳定围岩条件下的锚杆参数选择 根据理论分析和实践表明, 在 中等稳定围岩条件下 , 围岩碎胀变形也比较 明显, 而围岩的收敛变形将使巷道岩体表层产生裂缝或破坏, 所以必须用锚杆 来控制其变形. 锚杆锚固端为松动圈以外的岩体时, 锚 固端则位于塑性区, 因此 可采用悬 吊理论来确定其锚杆的参数. 这时, 锚杆起到拉伸、 挤压、 加固的作用, 从而使松动圈内岩体保持较为稳定 的状态.

1 ) 锚杆的长度确定方法. 根据如下公式进行 : L = LP + Ll +L

2 式中:I广一锚杆 长度 , m;

L 口――围岩松动圈厚度 , m;

L . ― ― 锚杆锚人松动圈以外稳定围岩的深度 , 这里可取值0 .

2 ~0 .

3 m;

L , ― ― 锚杆在巷道中外露长度, m.

2 黼 杆间排距的确定. 当选取锚杆间排距相等时, 则锚杆锚固力应满足以 下条件 : Q ≥up '

D, '

v D≤[ Q …/ ( U p ・ Y) 式中:D―――专苗杆的间排距, m, Q ~― ― 锚杆的最小 锚 固力 , k N;

v― ― 围岩的重力密度值, k N/ m .

3 ) 锚杆的直径确定. 这里可以按照每根锚杆悬吊的岩石重量来计算锚杆的 直径, 其公式如下 : D ・ k ・ v≤ 丁rd2[口V4 d≥2 D[ ( L 口・v) / ( Ⅱ[ o】 ) 】 】 式中: d―――锚杆的直径, mm;

[ o - H 占 杆体的许用应力, N/ r am .

4 3 不稳定围岩条件下的锚杆参数选........