內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐廣泛應(yīng)用于二元合金的分離中，但由于爐膛冷凝罩內(nèi)溫度均勻性差而影響了產(chǎn)品質(zhì)量。真空爐溫度控制水平不高是導(dǎo)致真空爐爐溫均勻性差，制約真空爐廣泛應(yīng)用和發(fā)展的重要原因。本文以內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐溫度控制為研究對象，利用模糊算法離線整定PID(由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成的控制器)參數(shù)，得到了較為理想的控制效果。同時利用有限元法分析真空爐溫度場分布規(guī)律并依此安裝測量熱電偶，在未加料的情況下測量結(jié)果表明：利用模糊算法整定PID參數(shù)后爐膛內(nèi)各測試點溫度偏差較改善前明顯縮小，偏差降低率最小為2.38%，最大為6.35%。提高了真空爐冶煉合金的種類范圍和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　爐溫均勻性是真空冶金爐的主要性能指標(biāo)，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要工藝參數(shù)。內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐作為真空冶金的代表性設(shè)備之一，應(yīng)用于多種二元合金的分離，特別在分離Sn-Pb二元合金中，因其處理流程短、產(chǎn)品質(zhì)量高、幾乎零污染等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。雖然在工業(yè)生產(chǎn)中投用多年，但冷凝罩內(nèi)物料溫度難以在線檢測，溫度均勻性和穩(wěn)定性難以保證，影響了產(chǎn)品質(zhì)量，制約了該爐在不同合金分離中的應(yīng)用和發(fā)展。近年來關(guān)于真空冶金爐數(shù)值模擬方面的研究比較多，但真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)發(fā)現(xiàn)未見關(guān)于改善真空冶金爐溫度場均勻性方面的文獻。

　　本文根據(jù)有限元法分析真空爐溫場分布規(guī)律，對內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐冷凝罩內(nèi)物料分離段安裝雙鉑銠高溫?zé)犭娕紲y量爐內(nèi)溫度。設(shè)計了一種模糊整定PID參數(shù)控制器，通過對真空爐溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化，有效降低了溫度突變區(qū)域，改善了爐溫均勻性，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1、內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐溫度場均勻性測定

　　1.1、內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐模型的物理描述及爐溫有限元分析

　　內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐由12級蒸發(fā)盤、3層冷凝罩、供電裝置、抽真空系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)等組成。利用石墨電柱將電能轉(zhuǎn)換為熱能對坩堝內(nèi)熔體進行加熱。其中水冷系統(tǒng)既使?fàn)t殼溫度保持在相對低的溫度下，又使?fàn)t膛內(nèi)形成溫度差，使蒸發(fā)盤上的金屬分子向冷凝盤上富集，達到分離提煉金屬的目的。真空爐示意圖如圖1所示。

圖1　內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐冷凝罩分析簡圖

　　抽真空后，爐膛內(nèi)仍存在稀薄氣體。在輻射換熱中，假設(shè)氣體只有氮氣和氧氣混合物，從工程熱輻射角度分析，氧氣、氮氣均為對稱的雙原子結(jié)構(gòu)分子，無吸收熱輻射的能力，可看作不參與輻射換熱的透明體，石墨電柱的熱輻射能直接穿過稀薄空氣介質(zhì)到達爐壁，爐壁吸收輻射能而升溫，爐壁和加熱體之間形成輻射場，對放入輻射場中的物體產(chǎn)生輻射溫度。為了利用有限元法分析爐膛內(nèi)溫場分布情況，將圖1冷凝罩以內(nèi)的部分簡化為圓柱狀，如圖2所示。由于該爐爐膛內(nèi)溫度場主要由石墨電柱和爐壁之間的熱輻射形成，因此忽略石墨電柱和爐壁分別與空氣介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)。

4、結(jié)論

　　本文根據(jù)有限元法分析了內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐溫度場的分布，并結(jié)合真空爐體積，安裝了四組測量高溫?zé)犭娕紲y量冷凝罩內(nèi)的實際溫度。以內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐的溫度為被控對象，利用模糊算法離線整定PID各個參數(shù)設(shè)計控制器。通過對控制器改進前后溫度數(shù)據(jù)的比較，結(jié)果說明：

　　①改善后，爐膛溫度控制效果得到明顯提高。

　　②根據(jù)測溫?zé)犭娕嫉臏y量，控制器在改善后，冷凝罩內(nèi)溫度偏差降低率最高下降了6.35%。

　　針對目前真空爐溫度測量難度大，控制水平低和溫度場均勻性差等現(xiàn)狀，本文以內(nèi)熱式多級連續(xù)真空爐為研究對象，在提高生產(chǎn)效益的同時也對不同類型真空冶金爐的改善有一定的參考意義。