前陣子幫一家刀具廠做了一套液氮恒溫裝置，他們想對(duì)硬質(zhì)合金銑刀片做深冷處理，目標(biāo)溫度定在-120℃，要能保溫四個(gè)小時(shí)，溫度波動(dòng)要求控制在±1℃以內(nèi)，整個(gè)工作區(qū)里多點(diǎn)溫差也不能超過(guò)±2℃。當(dāng)時(shí)車間里原先用的只是一個(gè)簡(jiǎn)易的泡液氮槽，溫度根本穩(wěn)不住，處理出來(lái)的刀片壽命時(shí)好時(shí)壞，所以才想正兒八經(jīng)做一套帶程序控制的深冷箱子。這里就把整個(gè)設(shè)計(jì)的大致思路、怎么搭起來(lái)的、碰到哪些坑和實(shí)際跑出來(lái)的數(shù)據(jù)記一下，給有同類需求的朋友做個(gè)參考。
需求的明確還是比較關(guān)鍵。他們給的工藝是：從室溫用2到3℃每分鐘的速度降下去，到了-120℃穩(wěn)住四小時(shí)，然后慢慢回溫。一次處理三十到五十公斤刀片，大托盤尺寸不超過(guò)四百乘三百毫米。這個(gè)量說(shuō)大不大，但如果氣流組織不好，靠自然浸泡冷透，內(nèi)外層溫差就拉得很開，保溫階段的均勻性肯定不行。所以我們從一開始就沒(méi)打算做直接浸泡的箱子，而是做成帶強(qiáng)制循環(huán)的冷風(fēng)箱形式。
箱體結(jié)構(gòu)上，用的是臥式前開門，內(nèi)腔尺寸做到八百乘六百乘五百毫米，雙層不銹鋼，中間填高性能絕熱層，保證外殼不大量結(jié)霜。內(nèi)部底下放一個(gè)柵格托盤，讓工件和底面之間也能通氣。冷量來(lái)源是一臺(tái)自增壓液氮罐，液氮經(jīng)管路送到箱子背部的霧化噴嘴，直接噴進(jìn)一個(gè)混合腔里汽化。這里有個(gè)需要留意的點(diǎn)：液氮不能直接對(duì)著工件噴，不然局部會(huì)過(guò)冷，薄一點(diǎn)的刀片可能就裂了。所以混合腔后面接著導(dǎo)流板，讓冷氣均勻進(jìn)入工作區(qū)。
加熱補(bǔ)償這邊，我們?cè)谙潴w后部裝了不銹鋼鎧裝加熱器，總功率六千瓦，用可控硅無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。冷熱平衡的邏輯是：液氮比例調(diào)節(jié)閥負(fù)責(zé)投冷量，加熱器負(fù)責(zé)往里補(bǔ)充熱量，兩者對(duì)著調(diào)到剛好能穩(wěn)住目標(biāo)溫度。這個(gè)調(diào)節(jié)閥的選型當(dāng)時(shí)猶豫了一陣，開始想用電磁閥做通斷控制，但實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)那樣溫度一直在設(shè)定點(diǎn)上下跳，波動(dòng)能到三四度，根本達(dá)不到±1℃。后來(lái)?yè)Q成低溫線性比例調(diào)節(jié)閥，配上4到20毫安的信號(hào)，就能做到冷量無(wú)級(jí)可調(diào)。加熱器那邊也用固態(tài)繼電器配合溫控表的PWM輸出來(lái)連續(xù)微調(diào)，整個(gè)溫度曲線就平滑多了。
風(fēng)機(jī)這塊算是一個(gè)比較容易忽略的地方。低溫環(huán)境里普通電機(jī)沒(méi)法工作，我們用的是一臺(tái)耐低溫的直接驅(qū)動(dòng)離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)量按有效容積算保證了每小時(shí)十五次以上的換氣次數(shù)。風(fēng)道設(shè)計(jì)上，氣流從風(fēng)機(jī)出來(lái)先經(jīng)過(guò)弧形導(dǎo)流板穩(wěn)壓，然后通過(guò)兩側(cè)的穿孔均流板送入工作區(qū)，均流板上的開孔率從上到下逐漸減小一點(diǎn)，目的是讓氣流分配更均勻，下層的工件也能吹到足夠的冷氣?；仫L(fēng)口開在風(fēng)機(jī)吸口下面，形成一個(gè)比較規(guī)矩的循環(huán)回路。
控制系統(tǒng)就是整套裝置能恒溫的核心。主控制器是一臺(tái)多段程序溫控儀表，帶PID自整定還有分段參數(shù)功能。主探頭取了工作區(qū)中心點(diǎn)的一個(gè)A級(jí)鉑電阻PT100，輔助探頭放在風(fēng)機(jī)出口做前饋參考。程序編好后，降溫的時(shí)候液氮閥保持較大開度，加熱器低功率待命;等溫度降到離目標(biāo)值還有十來(lái)度的時(shí)候，自動(dòng)切到另一組精控參數(shù)，閥和加熱器的動(dòng)作幅度都收小，讓溫度慢慢靠上-120℃，不會(huì)有大幅度過(guò)沖。進(jìn)入保溫段后，儀表自動(dòng)限制冷熱輸出的波動(dòng)幅度，這樣實(shí)測(cè)下來(lái)中心點(diǎn)溫度波動(dòng)基本能穩(wěn)定在±0.6℃以內(nèi)。
安全保護(hù)方面，箱體設(shè)了超壓排氣口，液氮供給壓力過(guò)高會(huì)自動(dòng)旁通，風(fēng)機(jī)過(guò)熱也會(huì)停機(jī)。另外開門的時(shí)候有連鎖，馬上切斷深冷供給，免得操作人員被大量冷氣傷到。整個(gè)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)通訊口傳到上位機(jī)，能實(shí)時(shí)畫曲線和記錄報(bào)表，方便以后追工藝。
裝好之后我們拿三十公斤刀片試了多爐。從室溫降到-120℃大約用了三十八分鐘，降溫斜率控制得挺準(zhǔn)。保溫階段幾個(gè)測(cè)溫點(diǎn)一對(duì)比，大溫差在1.5℃以內(nèi)，中心點(diǎn)波動(dòng)在±0.6℃上下，液氮消耗每小時(shí)十二到十五升，經(jīng)濟(jì)性也算不錯(cuò)。連續(xù)幾爐的數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性很好，廠里工藝科抽檢了處理后的刀片，性能波動(dòng)比原來(lái)用簡(jiǎn)易槽的時(shí)候小了不是一點(diǎn)。
這套東西說(shuō)白了，核心就是“冷熱平衡+精細(xì)比例調(diào)節(jié)+合理風(fēng)道”三個(gè)點(diǎn)抱在一起。液氮恒溫如果不做冷熱雙向調(diào)節(jié)，單靠通斷冷源是很難把波動(dòng)壓到一兩度以內(nèi)的。另外，循環(huán)風(fēng)道如果沒(méi)設(shè)計(jì)好，有效工作區(qū)的溫差就控不住，大一點(diǎn)或者密一點(diǎn)的工件就會(huì)處理不均。這些看似簡(jiǎn)單的細(xì)節(jié)，其實(shí)決定了整臺(tái)設(shè)備能不能真正達(dá)到工藝要求。
如果有朋友也在做類似的深冷設(shè)備，建議一開始就把需求量化清楚：要多高的恒溫精度、降溫速率有沒(méi)有要求、工件尺寸和一次裝爐量多少。然后在這個(gè)基礎(chǔ)上再選方案，不求配置多高，但求匹配剛好。把液氮閥、加熱器、風(fēng)道和控制參數(shù)琢磨透了，做出來(lái)的液氮恒溫系統(tǒng)就能把溫度穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)毓茏。皇恰安畈欢嗑托小薄?
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