张越
宝钛集团有限公司 陕西省宝鸡市 721014
摘要：设计了一种双层炉丝高温炉，用于高温蠕变持久试验领域。高温炉炉丝由工作炉丝和备用炉丝组成，炉丝采用直径5ｍｍ的电炉丝，当试验机系统检测到工作炉丝断裂时，可自动快速地将炉丝的供电电路由工作炉丝切换到备用炉丝，此时备用炉丝启动加热高温炉继续正常工作，可以减少因炉丝断裂导致试验中断带来的损失。试验结果表明，工作炉丝断裂后，备用炉丝可以快速切换，提高了高温炉的整体使用寿命，同时也能有效满足高温超长时间测试高温蠕变的需求。
关键词：高温炉 双层炉丝 高温蠕变
1引言
随着材料科学技术和航空技术的不断发展，对于材料的要求提出新的挑战，需要确保材料在高温条件、一定负载下能够长期保证良好的塑性和韧性。高温长期作用负荷会对材料的力学性能产生影响，如果负载和温度超过一定的限度，随着时间的延长，材料会发生缓慢的变形，此过程或现象称为材料的蠕变。因此，需要对材料的高温蠕变进行测试，以评判材料能够满足使用要求。高温炉是材料高温蠕变测试的重要设备。
高温蠕变持久试验是检测金属材料、合金材料等在一定温度、一定强度拉力条件下的蠕变性能和持久性能。在整个测试中，需要在高温炉内进行，通过高温炉提供热量。高温蠕变试验机具有应用广泛、自动化程度高的优势，近年来需求量激增，主要用于材料的高温蠕变测试。高温蠕变测试用高温炉设备的温度控制精度、波动度、温度梯度及高温炉外壳温度控制程度均对最终的测试数据精度产生影响。高温蠕变持久实验中的高温炉结构一般由三段炉丝组成，分别是上、中、下三段炉丝，每段炉丝均有一条，如果在试验过程中，出现某一炉丝损坏的情况，将直接导致试验终止，但因该试验进行的时间较长，如果一旦停止，可能会对用户带来极大的时间浪费和经济损失。因此，本文对高温蠕变持久试验用高温炉进行设计改造，将每组炉丝设置为两条，通过设置一备用炉丝的方式提升设备的稳定性，同时每段炉丝的控制采取独立控制。在试验过程中，如果出现某段炉丝断裂的情况，系统可以快速将对应的备用炉丝投入运行，确保高温蠕变持久测试不会受到影响。
2技术方案及路线
2.1 技术方案
为提升高温炉的工作稳定性，将上中下三段炉丝均采取冗余方式，设置备用炉丝的方式改善稳定性，如果出现某段炉丝断裂的情况，系统可以快速将对应的备用炉丝投入运行，使得试验过程不受影响。每段炉丝均采用5mm大直径加热炉丝，以低电压高电流进行供电，与传统的小直径炉丝相比，大直径炉丝更能够提升电炉丝的使用寿命和使用稳定性。
设计的炉丝的结构如图1所示。每段炉丝由工作炉丝和备用炉丝组成，两炉丝分别缠绕在炉瓦上，每段炉丝均通过温控调控系统单独控制，高温炉的炉丝接线端呈两列引出，组成工作炉丝和备用炉丝的接线端。
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图1 双层炉丝结构图
2.2 实现路线
正常状态下，每组炉丝的工作炉丝和备用炉丝的外接线端通过双电源转换开关系统分别与变压器输出端进行连接，此双开关电源系统集开关和控制于一体，能够对电压、频率等数据进行监测处理，可以实现电源的快速切换。在高温炉运行过程中，双开关电源转换系统监测到工作炉丝工作异常，将快速切断工作炉丝的工作，被将备用炉丝加热电源进行启动，并将其投入使用。整个切换过程可以在3s时间内完成，从而有效保证高温炉的工作不受影响，从而保证高温蠕变持久测试不会中断。
3试验及结果?
3.1 温度控制试验验证
对上述改进后的高温炉进行温度控制试验，试验方法为将高温炉的温度设定为600℃，烘炉6h，然后依次升高温度至650℃、950℃、1300℃，观察测试温度稳定程度，然后降温至600℃，记录温度的控制情况。
高温炉在试验阶段，升高至600℃，烘炉6h过程中，温度在600℃附近存在波动。烘炉时间结束后，将温度升高至650℃，保温18h过程中观察温度的控制情况，从650℃保温阶段来看，高温炉的不同段控温效果均较好，温度的波动范围较小，基本维持在±2℃范围，能够达到规定要求。完成650℃试验后，将温度升高至950℃，保温18h过程中观察温度的控制情况，从950℃保温阶段来看，高温炉的不同段控温效果均较好，温度的波动范围较小，基本维持在±1℃范围，能够达到规定要求。进而将温度提升至1300℃，保温3h，温度的波动范围较小，基本维持在±1℃范围，能够达到规定要求。表1为实测温度的偏差数据，通过表1中的数据可以看出，不同的温度情况下，高温炉的上中下三段的控温效果均能满足规定要求，能够满足高温或超高温条件下高温蠕变性能测试的要求。
表1 实测温度偏差数据
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3.2 电源切换时的温度控制效果试验
根据高温炉的设计，在试验过程中，如果出现某段炉丝断裂的情况，系统可以快速将对应的备用炉丝投入运行，确保高温蠕变持久测试不会受到影响。因此，测试电源切换时的温度控制效果对评价高温炉是否达标至关重要。在此次试验过程之前，进行一个假设，即高温炉的上中下三段炉丝均断裂，同时切换电源，判断测试此时的温度控制效果。本次试验选择的温度是600℃，在高温炉丝断裂后，电源快速切换到备用炉丝，从图2可以看出在切换的起初时期，存在一定的温度波动，小于±2℃，高温炉炉膛温度变化很小。温控系统采取的温控表精度为0.1，电源切换后温控表能够及时进行整定，实现温度的有效平稳控制。
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图2 电源切换过程中的温度曲线
3.3 高温炉外壳温度分布测量
高温炉设定为1050℃时，分别测试不同保温时间的高温炉炉外壳的温度，保温40min的外壳温度33℃、保温100min的外壳温度65℃、保温180min的外壳温度68℃，其中最高的温度为86℃，满足试验要求的温度。
4结语
通过上述的改造后的高温炉作用原理的介绍，以及针对改进高温炉进行的一系列的温度控制精度测试，可以看出：双层炉丝高温炉能够满足试验要求的温度精度控制需求，并且在高温炉炉丝发生断裂时可以快速切换备用炉丝，有效解决传统炉丝断裂后试验终止的情况。另外，炉丝选用直径为5mm的材质，能够有效提升炉丝的使用寿命。炉丝的控制采取单独控制，工作炉丝断裂后，备用炉丝可以快速切换，提高了高温炉的整体使用寿命，同时也能有效满足高温超长时间测试高温蠕变的需求。
另外，高温炉的制造和应用发展上也表现出新的趋势，如优质的耐火材料、高效的加热模块及高测温精度的热电偶等，高温炉向着节能、智能、安全、高效和低成本方向发展。
参考文献
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