大型数显式温控加热油炉设计制造

1 引 言

宝鸡石油机械有限责任公司依据自身的加工特点和优势，为满足钻机配套的需求，开发、研制了系列转盘。按照工艺要求，转盘中的轴承、大齿圈、转台组件都必须热装并保温处理，制作一台既能加热轴承，又能加热转台组件的加热炉成了当务之急。经过调查了解，公司常用的加热设备有二类，一是箱式炉，二是油炉。箱式炉成本较高，不能加热轴承类零件；而油炉不仅造价低，易于制造，而且升温均匀，温度可控制在0℃～300℃范围内，能满足转盘热装工艺的要求。为此，笔者设计了一台90kW 大型温控加热油炉，该油炉投入使用以来，已累计完成了上千台转盘的组装任务，为转盘的批量化大生产提供了有利的保障，结束了我公司长期外购转盘的历史，提高了我公司钻机在市场上的竞争力。

2 加热油炉的设计

2.1 确定加热油炉尺寸规格

加热油炉采用金属电加热元件加热，加热介质选用闪点较低的机械油。为避免加热元件与被加热零件之间接触、碰撞，考虑将加热元件安装在炉子底部，在加热管上部用支架和均布小孔的钢板分隔开被加热零件。

所设计的转盘中转台的最大直径是1730mm，高度为510mm，考虑到炉子底部加热管的安装，将炉子尺寸确定为：2000mm×2000mm×1700mm。

2.2 加热油炉功率的计算

（1）将油加热至工作温度所需热量［1］：

式中：Q-被加热介质所吸收的热量，kJ；ρ-被加热介质的密度，kg/m3；选用46#机械油，ρ=0.95×103kg/m3；V-被加热介质的体积，m3；T2-被加热介质的工作温度，℃，根据ZP-375 转盘工艺要求，同时为保证安全生产，取T2=170℃；T1-被加热介质的初温，℃；取冬季车间温度T1=10℃；C-被加热介质的比热容，C=2.1kJ/（kg·℃）。（2）根据油炉所需热量计算油炉功率

式中：P-总功率，W；t-加热时间，h。

通过计算，为满足转盘工艺要求，油炉设计功率确定为90kW。

2.3 金属电加热元件的设计计算

（1）金属管状电加热元件

金属管状电加热元件是将电能转变为热能的发热元件［3］。它用金属管作外壳，内置合金电阻丝作发热体，填充具有良好绝缘和导热性能的结晶氧化镁。其工作原理是：电阻丝通电后产生热能，经氧化镁绝缘，传递至金属外壳，被加热介质吸收。它可加热静止的或流动的空气、水及其它液体。最高工作温度达300℃。形状有棒形、U型、W 型等。

油炉设计功率是90kW，则选择两组三相380V 三角形接法，每组功率为45kW。通过计算得知，并联三角形接法的功率最大，总功率P=3nP0（P0 为单个加热元件的功率）。

（2）功率分配

加热元件选择并联三角形接线方法，按照P0=P/3n 进行计算，那么每相功率就是15kW。假设每相是两个加热管并联，每个加热管的功率是7.5kW；若每相是3 个加热管并联，每个加热管的功率是5kW；若每相是4 个加热管并联，每个加热管的功率是3.75kW；依次类推。可见，加热管的功率选择得越小，数量就越多，为避免油的渗漏，加热元件数量不宜过多。综合考虑，将每个加热管的功率选定为5kW，即每相3 个加热管并联，每组9 个加热管，两组共计18 个加热管。

（3）油炉功率的调节

常用的功率调节方法有：间断供电、改变炉子供电电压、采用两组电热元件控制，如表1 所示。通过对比得知采用两组三相电热元件加热，功率可调节范围大且常用，即选择方案3 最好。具体实施方案：炉子在升温阶段使用两组电热元件加热，达到工作温度后，切断一组电热元件进行保温，由另一组实现自动温控。加热元件必须均匀分布，以保证在切断一组时，炉子温度均匀。

表1 油炉功率的调节方法

3 加热油炉的电气控制设计

3.1 电气原理图的设计

（1）采用三相50Hz、380V电源，操作回路采用220V电源。

（2）数字式温度指示调节仪

采用XMT-122 型数字温度指示调节仪，进行温度测量和自动控制，配上相应的传感器，可用于温度的显示和调节。

（3）传感器

传感器选用热电阻，测量范围：0℃～300℃，分辨力：1℃。使用前在室温下测其电阻值为110Ω。

（4）金属管状电加热元件

本设计采用一批非标准的安装距为400mm 的双W型电加热管。使用前应测其绝缘电阻，不可低于1MΩ。

3.2 油炉工作原理

（1）推上低压隔离刀闸，将主令开关搬至开的位置，控制柜上红色指示灯亮。

（2）合上空气开关，A组加热管得电工作，指示灯XD1亮。

（3）调整数字式温控仪，首先将开关拔至“下限设定”处，旋转相对应的下限设定旋钮，此时数字显示的是所需的下限温度值，按工艺要求调至80℃；再把开关拔至“上限温度”处，旋转相对应的上限设定旋钮，此时数字显示的是所需的上限温度，如果加热轴承，可调至120℃，如果加热大齿圈可调至170℃。调好后，把开关拔至“测量”处，此时数字显示的是油炉的实际温度值。

（4）当油温低于下限温度80℃时，控制柜上绿灯亮，温控仪的下限继电器“总低”通，B 组加热管得电工作，此时油炉功率为90kW。

（5）当油温高于80℃而低于120℃时，温控仪的下限继电器“总低”断，接触器触头自锁，油炉继续加热。

（6）当油温高于上限温度120℃（或170℃）时，控制柜上红灯亮，温控仪的上限继电器断开，自动温控仪控制的B 组加热管自动断电。此时将控制A 组加热管的空气开关断开，油炉处于保温状态。

（7）当油温低于80℃时，下限继电器又一次接通，B组加热管工作，此时油炉功率仅为45kW。当油温高于120℃时，B 组加热管断电，一直到保温结束，切断控制柜电源。

3.3 电源线的安全选用

为保证油炉正常工作，避免因线路过热引发火灾事故，必须合理选择导线截面积，达到安全运行，降低电能损耗的目的。

（1）线路中电流的计算

式中：I-线电流；P-总功率，P=45kW；U-线电压，U=380V。

（2）选择导线的截面积

选择导线截面积，主要是根据导线的安全截流量，对于纯电阻性负载，还应考虑其环境温度对安全载流量的影响，与上面计算的电流比较接近的安全截流量如表2所示，考虑到油炉的环境温度，选择25mm2 塑料铜芯软线，管子内径为32mm。

表2 聚氯乙烯绝缘电线安全载流量

4 技术优势及经济效益

4.1 技术优势

（1）它在我公司同类加热油炉中，体积最大，功率最大，达到90kW。可广泛用于加热各类大型轴承、齿轮件和转台组件。

（2）采用数字式温度指示调节仪，通过传感器，自动显示油炉加热温度。

（3）该油炉不仅能按工艺要求自动升温，还具有自动保温功能，实现了双温控制。

（4）电器系统操作简单，安全可靠。油炉的上、下限温度可根据工艺要求在0～300℃范围内任意调节。由于采用了双温控制线路，可避免大接触器频繁启动造成的安全隐患，延长了接触器的使用寿命，基本上达到零故障。

4.2 经济效益

该油炉自几年前投入生产以来，使用情况良好，转盘的组装工序全部在分厂内部进行，加快了系列转盘产业化的进程。从2002 年至2010 年底累计生产各类转盘上千台。该油炉的投入使用，节约产品周转费、热装费用共约上百万元，是公司节能减排的拳头产品之一。