20T铝合金线卷退火炉应用研究

1 绪论

根据生产能力和规模，铝材退火炉分为单体退火和退火炉群组成的退火生产线。退火生产线一般由几台退火炉、复合装卸料车、炉外料台、冷却室(有些炉子带旁路冷却器)组成。炉体采用大风量风机对铝材进行循环加热，炉内的导流装置可有效保证气流均匀的通过铝材，使之加热均匀，加热器采用顶装整体式结构、拆装、维修很方便。炉门开闭采用气动压紧式或机械传动升降式，运行平稳，密封性好。炉子的排油烟系统可有效地去除铝材表面的油膜，调节炉内的压力。这种炉子的装料量一般为10～50t。

本机组主要由炉体、旁路冷却系统、装卸料车及可控硅微机控制系统构成，是机电一体化大型专业设备。最大装载量为20吨。由于炉体的密封性能好，强制空气循环的风机效率高，使得升温时间短、耗能低、温度均匀性好。备有的旁路冷却系统可实现控制冷却，使得热处理后的铝材质量优良。

利用退火炉将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)。目的是改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。

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2 热处理原理与工艺

2.1铝合金热处理原理

铝合金铸件得热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间以一定得速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工型能，获得尺寸的稳定性。

2.2铝合金热处理特点

众所周知，对于含碳量较高的钢，经淬火后立即获得很高的硬度，而塑性则很低。然而对铝合金并不然，铝合金刚淬火后，强度与硬度并不立即升高，至于塑性非但没有下降，反而有所上升。但这种淬火后的合金，放置一段时间（如4～6昼夜后），强度和硬度会显著提高，而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象，称为时效。时效可以在常温下发生，称自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围（如100～200℃）内发生，称人工时效。

2.3铝合金时效强化原理

铝合金的时效硬化是一个相当复杂的过程，它不仅决定于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中缩造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。

铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。

硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高，空位浓度越大，硬化区的数量也就越多，硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减小硬化区的尺寸。

沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度，即随温度增加固溶度增加，大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。沉淀硬化所要求的溶解度－温度关系，可用铝铜系的Al－4Cu合金说明合金时效的组成和结构的变化。铝铜系富铝部分的二元相图，在8℃进行共晶转变L→α＋θ（Al2Cu）。铜在α相中的极限溶解度5.65％（8℃），随着温度的下降，固溶度急剧减小，室温下约为0.05％。

2.4影响时效的因素

2.4.1从淬火到人工时效之间停留时间的影响

研究发现，某些铝合金如Al－Mg－Si系合金在室温停留后再进行人工

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时效，合金的强度指标达不到最大值，而塑性有所上升。如ZL101铸造铝合金，淬火后在室温下停留一天后再进行人工时效，强度极限较淬火后立即时效的要低10～20Mpa，但塑性要比立刻进行时效的铝合金有所提高。 2.4.2合金化学成分的影响

一种合金能否通过时效强化，首先取决于组成合金的元素能否溶解于固溶体以及固溶度随温度变化的程度。如硅、锰在铝中的固溶度比较小，且随温度变化不大，而镁、锌虽然在铝基固溶体中有较大的固溶度，但它们与铝形成的化合物的结构与基体差异不大，强化效果甚微。因此，二元铝－硅、铝－锰、铝－镁、铝－锌通常都不采用时效强化处理。而有些二元合金，如铝－铜合金，及三元合金或多元合金，如铝－镁－硅、铝－铜－镁－硅合金等，它们在热处理过程中有溶解度和固态相变，则可通过热处理进行强化。

2.4.3合金的固溶处理工艺影响

为获得良好的时效强化效果，在不发生过热、过烧及晶粒长大的条件下，淬火加热温度高些，保温时间长些，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体。另外在淬火冷却过程不析出第二相，否则在随后时效处理时，已析出相将起晶核作用，造成局部不均匀析出而降低时效强化效果。

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3 设备与控制系统

3.1产品内容

此套设备为三组20T铝合金线卷退火炉。其主体部分如下： 一台20T铝合金线卷退火炉。其规格如下：

线卷大小及数量：Φ2500 x 2000mm 二卷或Φ1800 x 2000mm 三卷； 最大装载：20吨；

处理温度在148～470℃（最大在500℃）。

3.2结构描述

根据天津加铝要求，本方案为应达工业（上海）有限公司为用户设计，制造，供货，安装调试铝合金线卷退火炉三套。

退火炉处理铝合金线卷，最大装炉量为20吨。退火炉由箱式炉体、炉门及炉门升降机构、炉门密封系统、热风循环系统、炉内气流导向系统、天然气烧嘴加热系统、电控系统等组成。

设备可保证在保温时金属各部温差不大于±5℃，为此，设备采取的措施有：炉门用气缸压紧的刀密封结构；炉墙用保温材料以降低热损失；炉顶安装2台高风压大流量轴流式循环风机，可以实现正反转变频控制；通过炉顶全长和炉子两端导流板，均匀地分配气流，使铝材得到均匀加热；炉内的导流装置可有效保证气流均匀地通过铝材，使之加热均匀；在铝材的两侧均匀布置辐射管烧嘴，辐射管与铝材之间有隔热层，以避免对铝材的局部辐射。

3.2.1炉体结构

退火炉主要有炉体（炉顶、炉底、前后左右墙、导流装置、保温层等）、炉门及升降和压紧机构、热风循环装置、燃烧系统、助燃系统、排气系统和气动系统等组成。

炉体结构为箱式炉体。炉壁、炉底、炉顶全部为双层钢板，炉墙外侧钢板为8mm厚普碳钢板，为抵抗炉内的高速气流，内侧安装2mm厚不锈钢板，中间填充陶瓷纤维毡，耐火材料用锚固件固定在外壁钢板上。外侧采用18#槽钢作加强筋，结构紧凑，刚性好，采用气密焊接结构。

炉墙内侧钢板分块搭接，用锚固件与外壁钢板固定。结构充分考虑炉体在升温和降温过程中的热膨胀和收缩。内侧不锈钢板厚度2mm。

炉子的耐火材料设计使通过炉墙的热损失最小，蓄热量小，维持炉温恒定，提高炉子使用寿命。炉子外壁温升≤环境温度+35℃。炉子耐火材料整体厚度220mm。陶瓷纤维毡使用温度1000℃，导热系数≤0.153 W/（m·k），密度180 kg/m3。 3.2.2导流板装置

为了使炉内气流均匀分布，提高铝材温度均匀性，炉顶风机两侧安装了闸板式导流板，控制炉气换向，炉子两端也有导流板，组织炉内循环气流，加速传热过程，提高炉膛温度均匀性。导流板厚度3mm。

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3.2.3装出料炉门

炉子前墙上设有炉门，炉门由型钢框架、钢板和保温材料组成。炉门的导轮在导轨上运动，平稳升降。炉门开启到最高位，设有气缸安全插销，防止误操作等引起炉门下降。炉门两侧设有压紧气缸，当炉门关闭后，气缸压紧炉门，防止炉内气流外逸。炉门密封结构如图。密封圈为硅酸铝编织盘根，内部有不锈钢丝加强。

炉门不通水冷却，为了防止变形门框将采用通水冷却，冷却水采用工厂循环水源。炉门热面采用耐火纤维隔热。

炉门提升机构用电机和摆线针轮减速机，通过链传动提升炉门。行程靠主令控制器控制，限位准确，开启方便。

气动系统的管路配有过滤器、润滑器和调节器、消音器、双通／双向导向阀和速度控制器。

炉门的牢固密封是很重要的，应经常调节密封夹紧装置，以补偿正常的磨损。 炉门框开口尺寸：6300×3000mm 炉门最大行程：3500mm 炉门开启速度：～3m/min 炉门开启电机功率：5.5KW 3.2.4高温循环风机系统

为了对铝材快速且均匀加热，在炉顶设置了两台大功率轴流式风机，并在炉内设置相应的导流装置，炉膛内顶部设有风道，烧嘴安装在炉体侧墙顶部两侧风道内，风机排出的气体经加热器加热，通过导流弧板均匀进入炉膛，加热铝材，再进入风机吸风口，形成热风循环。风机变频调速，即使在低的均质温度或保温时，也能准确控制炉温。风机选用无锡或苏州特种风机厂成熟产品。

风机轴承为日本ASAHI轴承，与炉体相连处，设水冷套。采用工厂循环水冷却。

风机转速自动检测，并在PLC触摸屏上显示，有风机故障自动报警功能。

循环风机性能 叶轮直径 风量 风机静压 风机工作温度 风机转数 风机功率 空炉时炉膛气流流速 3.2.5燃烧系统 1829mm 220000 Nm3/min 862 Pa 470℃（500℃ max） 940 r/m 75KW 8m/sec 燃烧系统是由助燃空气风机 、空气管道、天然气管道、辐射管烧嘴、排烟

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系统、吹扫管道、压缩空气管道等组成。共设有10套U形辐射管，安装在炉顶循环风机两侧风道上。

煤制气最大消耗量：180Nm3/h。 辐射管烧嘴数量：10根、共分2组。

助燃风机风量5900m3/h，风压9KPa，电机功率37Kw。风机为上海德惠特种风机有限公司产品。

辐射管的材质3Cr24Ni7SiN，耐火度650℃。辐射管烧嘴带自动点火系统，火焰检测等安全报警装置。辐射管烧嘴为广州施能烧嘴厂产品，点火/监测系统为德国KROMSCHRODER产品。烧嘴每次点火工作时，通过小火点火、火焰检测、然后进行大火燃烧，达到工艺加热温度后，再调低阀门开度，进入小火保温等燃烧控制过程。在点火不着或火焰熄灭时，能自动报警和自动关闭，燃烧系统相互连锁，提高燃烧的安全性和可靠性。长期停炉后再次使用，需对燃气管道进行氮气吹扫。

烧嘴配有自预热装置，烟气和助燃空气热交换后，空气的温度可达300～400℃。采用自预热装置不仅节约了大量能源，还加快了升温时间，提高工作效率。

辐射管外壁温度均匀，燃烧产物为低NOx，烧嘴的调节比大，精确控制炉温。 辐射管烧嘴与炉气没有明火直接接触，炉内气氛清洁，不受燃烧产物的污染。排烟管道上设有电动蝶阀，控制排烟流量。

排烟换气系统是为及时排除燃烧系统燃烧时产生的废气，排放方式为自然排放，排烟管路中设有电动蝶阀，根据管道内压力和温度可自动调节排烟量的大小。排气管用隔热材料包裹。 3.2.6测温和温度控制系统

在退火炉两侧分别布置了3支热电偶，退火炉后墙布置了1支，在烧嘴排烟风机的前端管道布置了1支热点偶，全炉共8支热电偶。炉侧6支热点偶分别控制10只烧嘴的工作，调节炉膛温度。后墙热点偶用于超温报警和记录炉膛温度。另一支热点偶则用于控制排烟气体温度，使其不超过250℃。 3.2.7冷却水系统

向循环风机和排烟的轴承座、炉门框提供冷却水，入口设应急水接口，当停电停水时，应急水自动接入炉子的冷却水系统，防止停水造成设备损坏。

3.3主要技术参数

3.3.1 设备技术性能

1.热处理工件规格：∮2500×2000mm和∮1800×2000mm合金铝线卷

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2.最大装炉量：铝材净重20吨 3.炉膛最高温度：500℃ 4.金属加热温度：148～470℃ 5.安装燃气能力：180 Nm3/h

6.加热方式：燃气辐射管加热并强制热风循环 7.保温时金属各部允许温差：±5℃

8.炉壁温升：不高于室温35℃（加热器和风机接口处除外） 9.升温时间：3～4小时；保温时间：5～16小时 10.炉内风机循环：2台 高温可逆轴流式风机 11.均质炉分区：6区控制 12.温控方式：PLC自动控制

13.有效炉膛尺寸：6290（长）×2800（宽）×3350（高）mm 14.炉门升降速度：～3m/min 15.装出料方式：叉车进出料 3.3.2设备动力消耗（单台退火炉）

1.供电电源：380V/3P/50Hz 退火炉电机总功率：255.5KW/台 循环风机75KW×2台 助燃风机37KW

烧嘴烟气排烟风机 22KW 炉膛排烟风机 37KW 炉膛吹扫风机 4KW 炉门升降机构5.5KW

2.燃烧介质：天然气 8350KJ/ Nm3 天然气耗量：30～180 Nm3/h

供气压力：0.12MPa，要求干燥、除杂、除油

3.压缩空气耗量：1.2 Nm3/min （间隙使用） 供气压力 0.7MPa，要求干燥、除杂、除油

4.冷却水：15m3/h，入口水温≤30℃，0.4～0.6Mpa，要求除杂、净化，可采用车间循环水。

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4 操作与规范

1.不要在设备运行期间进行维修工作。

2.首次使用或长期停炉（一周以上）后，燃气管道需要经过氮气吹扫。 3.在炉子内部处于高温状态时，不要打开炉门，否则可能损害炉门压紧气缸和安全销伸缩气缸。

4.炉子升温至150℃时，要进行炉膛换气。换气后炉膛温度会有所下降，再次升温则不需要换气。

5.退火炉装载量不要超过20吨（净料），操作温度不要超过500℃的最高使用温度。

6.炉膛温度在150℃以上，不要关闭炉顶搅拌风扇。

7.炉子使用之前，要确认冷却水处于循环流动状态，直至炉温下降至常温才能关闭冷却水。

8.正常作业时，操作人员或维修人员不得进入炉内。 9.停炉维修，维修人员进入炉内前，要确认下列措施被执行： （1）电源处于断开状态 （2）燃气切断阀处于关闭状态

（3）炉门开启，炉门安全销气缸处于伸出状态

4.1启动和关闭程序

4.1.1初步检查 1.常规说明

（1）给炉子电气柜送电。

（2）检查炉子电气柜供电电压，注意电压的变化。如果观察有任何电压不稳定，应做记录，并报告上级。

（3）检查所有现场操作箱按钮正常工作，显示灯正确显示。 2.每个电机单独启动 （1）检查旋向。

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（2）记录每个电机的安培数。 （3）检查电机运转是否正常。

3.检查风机和减速机是否适当的润滑。必须按照制造商操作指南推荐使用。 4.控制器

（1）确定热电偶延长导线是正确的，热电偶类型是正确的，控制器应该有校

验。

（2）检查热电偶极性。

（3）在打开控制器的时候让他们稳定，应显示周围的温度。 5.检查警报系统正常运转。

6.连接天然气到管道上的入口，通过的手动阀将把手取下，以免误操作。如果气体补给压力不稳定，用户必须提供适当的气压调整器。给管道内提供恒定气压。调整器上应该安装手阀。

7.通过打开系统中气动锁阀启动气动系统。检查全部气动装置的运行。 8.打开冷却水手阀气动水冷系统。检查全部水冷装置的运行。 9.超温控制器功能是炉子操作温度的。

超温检测器设定高于使用温度10℃，炉子过热保护温度设定为500℃。 4.1.2上位机部分的操作程序

1.触摸屏上电后，上位机WINCC FLEXIBLE程序自动运行，首先出现开始画面。

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画面主要包含几个显示部分和几个操作部分。显示部分有右上方的日期时间，助燃风压，排烟压力，排烟温度，天然气瞬时流量和累计流量，天然气压力，以及几个烧嘴温度。主要的按钮分为上部的中英文切换，点击可以切换画面上的中文和英文的显示，开和关按钮用来操作阀门。

下排按钮属于画面切换按钮，用于各个画面之间的切换，属于所有画面通用的按钮。

2.燃烧副画面如下：

主要操作的部分位于画面主体的开关，用于启停炉膛排烟风机，炉膛吹扫风机，1#轴流搅拌风机和2#轴流搅拌风机。 3.点击下方的工艺设置，可以进入工艺画面：

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这个画面主要用于对工艺曲线的设定以及自动控制的执行。

如上所示，为设定工艺曲线的表格。输入部分为3排，左起第一排，为升温时间，第二排用于本段落升温最终的温度，第三排是本温度段的保温时间。其中第一排和第三排的时间部分，灰色底框的是用于输入设定值的，白色底框的是用于显示当前段工艺进行时间，方便操作人员记录时间。如果本段不含有保温时间，那么在保温部分可以忽略，输入为0。

曲线设定完成以后，可以点击参数确认，程序会自动计算出曲线的相应参数。工艺启动和工艺结束用于开始和结束自动控制逻辑。可读数部分还包括段剩余时间和总剩余时间。

4.点击参数设置，可进入参数画面：

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主要用于手自动干预，以及PID控制的比例积分微分值的更改。用于更好的控制燃烧曲线。（PID参数为重要自控参数，修改可能产生不可预料的后果，请谨慎修改，建议修改前先备份参数）。 5.点击报警画面，进入：

如若触发报警条件，这里会显示报警文本，表内主体部分显示报警的编号，时间，日期，状态等等。用于确认系统故障出处。 6.温度趋势：

在这里可以看到设定曲线与实际温度的比较，直观的看到实际烧成是否符

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合理想数据。下方部分为曲线对应的参数，数值，以及数值对应的时间。 7.控温曲线设置和工艺启动

最左边一排为设定升降温时间，中间一排为设定温度，最右边一排为保温时间。 设定时间段下面白色的为这一段实际运行时间。设定时间段为绿色说明当前正在运行这一段。 第1段：升温时间，设定温度，保温时间； 第2段：升温时间，设定温度，保温时间； 第3段：升温时间，设定温度，保温时间； …………………

举例说明加热曲线设置，假设工艺曲线如下图所示：

1210℃ 2小时

3.5小时 900℃ 1小时

2小时 600℃ 2小时

0.5小时

第一段：升温设定时间为0.5小时，设定温度为600℃，保温设定时间为2小时； 第二段：升温设定时间为2小时，设定温度为900℃，保温设定时间为1小时； 第三段：升温设定时间为3.5小时，设定温度为1210℃，保温设定时间为2小

时；

在参数设定完成之后，按“参数确认”按钮会弹出确认对话框，按“确定”按钮后，新设置的加热曲线参数就能正式下发下去。如果新设置的加热曲线参数中有错误时，按“确定”按钮后，会出现红色的提示条，说明曲线设置有问题。

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需从新设置参数后，再按“参数确认”按钮加以确认。

加热曲线的参数设置需要注意以下几点：

①在设定的加热曲线参数中如果有某一段的温度设定值为0，那么程序上就会判定这一点为加热曲线的终点，如果后面还有温度设定值的话，将视为无效值，不予执行。

②升温时间段不能设为零，保温时间段可以为零，保温时间段为零说明在这点温度上不需要保温。

③在加热曲线的设定中，如果设定了某一段的温度设定值，那么这一段的时间设定值也必须设定。

④第1段的温度设定值应大于炉膛内8个温度实测值的平均值，否则工艺启动不会执行。

⑤当前运行段之前的设定值不能修改，当前运行段的时间设定值不能设为零，在当前运行段之后的设定值可以修改，修改后要按“参数确认”按钮。

当加热曲线设置完成后就可以点火升温了。

在工艺启动之前，炉门开着的时候，先手动点起几个小火。待炉门关上后再按“工艺启动”按钮，在弹出的确认对话框中按“确定”按钮后，加热曲线正式启动。启动后，“工艺启动”按钮的底色会变绿，字体颜色变成灰色,在工艺结束之前，不能再次操作。然后将所有的烧嘴手/自动状态打到自动运行状态。在加热曲线运行过程中，运行过的设定数值不能再次修改，只有正在运行的和之后运行的设定数据可以改动。

在最后一段运行完后，以最后一点的温度设定值进行保温。直到按“工艺结束”按钮，在弹出的对话框中按“确定”后，炉子开始关火。所有的烧嘴手/自动状态自动切换到手动状态。

4.2燃气操作规程

4.2.1开启燃烧器前的检查：

1.天燃气已经引到炉前,且所有的燃烧嘴前端燃气阀门为关闭状态,但燃气旋塞阀在设定位置。

2.控制柜上燃烧器电源为关闭状态,每个烧嘴的点火开关为关闭状态。鼓风机电源为关闭状态。

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4.2.2燃烧器的开启： 1.给控制柜送电。

2.接通空气鼓风机电源,吹扫5分钟。

3.缓慢开启燃气可锁紧手动阀,并观察进口压力为1.2bar减压后为50—100mbar.

（1）燃气低压开关应该是工作的。 （2）燃气主管道电磁阀是关闭的。 （3）各烧嘴燃气供给电磁阀是关闭的。

4.在控制系统上设定目标温度小于显示测量值10℃的程序并执行,并观察燃烧空气电动阀打开角度为最小位置。

5.吹扫结束后,在控制柜上接通燃烧器电源： （1）燃气低压开关应该是工作的。 （2）燃气主管道电磁阀打开。

（3）各烧嘴燃气供给电磁阀是关闭的。

6.手动打开1#燃烧器球阀,再打开1#点火开关, 1#燃烧嘴开始燃烧： （1）燃气低压开关应该是工作的。 （2）燃气主管道电磁阀打开。

（3）1＃烧嘴燃气供给电磁阀是打开的。

7.当1#燃烧器燃烧稳定后，以同样方法开启其他燃烧器： （1）燃气低压开关应该是工作的。 （2）燃气主管道电磁阀打开。

（3）各烧嘴燃气供给电磁阀是打开的。

8.燃烧器工作正常后,在控制系统上设定工作程序并执行。 4.2.3燃烧器的关闭：

1.确定退火工艺结束后，可以停止加热。

2.在控制系统上设定目标温度小于炉内显示温度的程序并执行，并观察空气电动阀打开角度为最小位置.燃烧器处以低火状态。 （1）燃气低压开关应该是工作状态。 （2）燃气主管道电磁阀是开启的。 （3）各烧嘴燃气供给电磁阀是开启的。

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3.关闭1#燃烧器点火开关和1#燃气进口球阀： （1）燃气低压开关应该是工作状态。 （2）燃气主管道电磁阀打开。

（3）1＃烧嘴燃气供给电磁阀是关闭的。

4.当1#燃烧器关闭后，以同样方法关闭其他燃烧器： （1）燃气低压开关应该是工作状态。 （2）燃气主管道电磁阀打开。

（3）各烧嘴燃气供给电磁阀是关闭的。 5.关闭燃烧器电源.及各烧嘴管道球阀。 （1）燃气低压开关应该是工作状态。 （2）燃气主管道电磁阀关闭。

6.关闭燃气可锁紧手动阀,并取下钥匙,拧紧锁盖。 （1）燃气低压开关应该是非工作状态。 7.当炉温低于150℃关闭空气鼓风机电源。

4.3控制系统

4.3.1控制系统简介

控制室控制柜内系统采用西门子S7-300系列，通过CP343-1以太网模块和上位机连接。现场每个烧嘴都有一个烧嘴控制箱，烧嘴控制器采用德国霍科德（KROM SCHRODER）的IFS-258控制器，IFS-258控制器能控制烧嘴的点火，检测有火信号，熄火报警和复位等功能。

燃烧需要燃气和助燃空气。燃气的压力由自力式减压阀手动调节控制，在自力式减压阀后有一个燃气快切阀用于控制燃气的通断，助燃空气压力由助燃风机进口处的风阀控制。在燃气管道和助燃空气管道上除装有压力变送器外还装有压力开关。烧嘴上有些阀门不是电动的还需要有工作气源氮气，在氮气管道上装有电接点压力表。当燃气、助燃空气、氮气压力其中有一个没达到要求时，是不能点火的。如在加热的过程中出现上述情况，烧嘴控制箱的电源和燃气快切阀将关闭。只有当燃烧条件满足只后才能再次点火。

一个热处理炉有多个烧嘴，按照炉体结构可将2烧嘴分成一个分区（有的分区只有一个烧嘴），每个分区设有一个控温热电偶。一个分区的温度由一个连续

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PID温度控制块（FB58“TCONT—CP”）进行控制，PID的运算输出传给分区内的每个烧嘴，经大小火分配后，将点火用脉冲输出块（FB43“PULSEGEN”）加以输出，同时分区内的个各烧嘴还可以分别切换手/自动控制。切到手动时可以手动点火。如果一个分区有两个烧嘴，则只有当两个烧嘴均切换为手动控制时，分区PID才会切换为手动控制。可通过设置PID参数来调节控制效果。

控温曲线可以根据实际工艺加以设定，最多可以有10个升降温段和10个保温段，还没有运行过的时间段和温度设定值可以根据实际需要加以修改。

最后说一下炉压。炉压是一个微差压信号，信号波动很大，不仅要平均值滤波，还需要一阶贯性滤波。炉压由烟道阀门的开度来控制，炉压一般控制在微正压。炉压为负压时炉外围的冷空气为就会吸入炉膛内，造成热量的损失；当炉压为正压较高时，炉内燃烧产生的废气就不能及时排出，造成炉内燃烧不充分，当炉压高到一定程度时甚至会从炉门四周喷火。

通过上述控制系统，可以提高了炉温控制精度，降底了能耗，同时提高了燃气炉的安全性。

系统网络结构图如下：

4.3.2控制系统可靠性分析

可编程控制器由于抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。而西门子PLC更是其中的佼佼者之一。 控制系统可靠性降低的主要原因

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虽然上位机监视器上（触摸屏）和可编程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成损失。 影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：

1.造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错；

2.机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果；

3.现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。

影响执行机构出错的主要原因有：

1.控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作；

2.控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作； 3.各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。 设计完善的故障报警系统：

在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯等指示设备正常运行和故障情况，当该设备运行有故障时指示灯变亮，现场操作箱的蜂鸣器报警，PLC柜内讯响器报警。为防止指示灯灯泡、讯响器等损坏不能正确反映设备工作情况，设立了故障消音按钮，以确认和消除报警。 2级故障显示设置在上位机监视器上（触摸屏），当设备出现故障时，有文字显示故障类型，部分工艺流程图上对应的设备变色报警，历史事件表中可以记录该故障。3级故障显示设置在现场，当设备出现故障时，现场报警器将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将

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故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。 输入信号可靠性研究：

要提高现场输入给PLC信号的可靠性，首先选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。如有需要可在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十毫秒，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。 执行机构可靠性研究 ：

当现场的信号准确地输入给PLC后，PLC执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？我们采取以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是我们关心的。我们设计了相关程序来判断接触器是否可靠动作。另外，当电机断路器脱扣或者热继电器脱扣保护后，会出现电机输出命令仍然存在的隐患，我们设计了相关电机控制回路和程序来消除这些隐患。 以上对提高系统可靠性的方法大都经过长时间的实践证明是行之有效的。所以我们大可放心的使用！

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5 维护与维修

5.1引风机，送风机，减速机和循环风扇

引风机，送风机，减速机和循环风机应该定时检查，保证平稳和自由的旋转。建议按照如下处理： 1.视觉检查。

2.检查轴承上润滑油，是否与推荐润滑油需求或经验中的一样。 3.检查皮带是否磨损，固定方式是否正确。

5.2减速机维护

在多数情况下，正常维护只需定期更换油。减速机运行2～3周后，必须更换润滑油，以去除由于齿轮磨损产生的微小金属粒子。此后，如果正常使用，则每隔2500小时更换一次润滑油。如果工作环境尘埃较多或温度较高（如夏天），则更换频率会快一些。

每隔2～3周检查油位，特别是在有泄漏的时候。使用初期偌有轻微泄漏现象，一段时间后泄漏会停止。运行数周后，减速机的固定螺栓会有所松动，必须重新拧紧。

检查减速机油箱通风塞是否开启，避免润滑油热胀冷缩使油箱产生压力。

5.3仪表维护

1.热电偶应该是每六个月检测一次。 2.仪表应该是每六个月校准和测试一次。

3.所有的电气柜应该是关闭的，灰尘最容易造成电器损坏。

5.4润滑油和润滑脂添加

5.4.1蜗轮蜗杆减速机

减速机应该用CKE/P680蜗轮蜗杆润滑油。润滑油绝对不能腐蚀齿轮；润滑油应该是中性的；不能有沙粒或杂质。润滑油可能运行于高温环境中，所以需要有优良的抗氧化性。

长期使用后，灰尘、污垢等会产生垃圾，需要清除，保证正常的使用寿命。

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5.4.2搅拌风扇

轴承润滑脂用法：轴承制造厂已经用高品质油脂润滑，并适合正常的保养条件。

正常使用环境：清洁，干燥，温度在－20℃～80℃之间。工作状态和停止状态，轴承均可以添加润滑脂。以下情况属于非正常使用条件：温度在－20℃～80℃以外；轴承暴露在潮湿，尘埃较多，有腐蚀的环境下，或者轴承需要有极长的使用寿命等。在非正常使用条件下，轴承加润滑脂的周期会缩短。 5.4.3轴承润滑脂添加周期

环境 环境清洁较好 环境清洁一般 轴承使用温度 0～50℃ 50～70℃ 50～100℃ 0～150℃ 润滑脂添加周期 4 个月 1～2 个月 1～4 个星期 1～4 个星期 5.5检查和维护时间表

经验告诉我们，预防性的维护是必要的。严格的预防性的维护程序可以延长设备使用寿命。 5.5.1每周检查目录

以下检查应该是每周检查一次。 机械部分：

（1）检查全部的安装轴，调整各部件到适当的位置和彻底的固定。记录下来，以便将来参考。

（2）检查全部的安装螺栓适当的紧密。

（3）检查风机和搅拌风扇V形传动皮带是否平稳运转，并且进行必要的调节拉紧。

（4）检查炉门是否适当的封闭。如果过多的气体泄漏，调节炉门压紧气缸磁性开关位置使其紧密的封闭。

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（5）检查炉门压紧气缸和炉门提升安全销气缸正常工作。

（6）检查全部引风机，排风机和搅拌风机的正常运转。有没有不寻常的噪音或过多的振动。

（7）是否听到轴承有不寻常的噪音或过多的振动。

（8）检查全部的防护装置，栏杆，电源盒盖子，和重锤护罩在正确的位置。 管道系统：

（1）检查流量计是否自由运转。清洁流量计表面，必要时给流量计添油。 （2）检查全部气体管道上的压力表，并记录读数。 （3）检查全部的压力开关。

压力开关和量程设置 燃气总管道高压压力开关 燃气总管道低压压力开关 助燃风机出口管道低压压力开关 150mbar 50mbar 50mbar （4）检查全部手动蝶阀，切断阀，是否在正确的位置。 电气仪表

（1）在炉子和辅助设备上，检查温度控制仪器是否处于正确的操作设置和温度设置。

（2）检查温度控制仪器上读取的数据，并与正常的操作环境下的读数相比较。 （3）打扫炉子电气柜周围的灰尘，垃圾等。

（4）检查所有现场操作箱的按钮和显示灯正常工作。 （5）比较炉膛测量的温度和烧嘴测量的温度，并记录下来。 5.5.2每月检查目录

以下检查应该是每月检查一次。

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机械部分：

（1）检查炉门提升链条是否损坏或过多的磨损现象。 （2）检查链条与链轮的配合是否有松动，进行必要的调整。

（3）检查引风机，排风机和循环风机是否有不寻常的轴承噪音，或轴振动。 （4）检查炉门压紧气缸和炉门提升安全销气缸正常工作。 （5）检查全部电机是否温度过高或振动。 （6）检查全部热电偶和保护管。 管道系统：

（1）检查手动复位切断阀和主管道切断阀是否能严密切断气体。 （2）检查全部气动蝶阀，电动蝶阀能否灵活，平稳的开关。 （3）给每个烧嘴的流量孔板前后测压口测量压力，记录下数据。

（4）检查炉子顶部烧嘴本体和换热器温度，如果温度过高，请通知应达公司。 （5）检查调压阀是否正常工作，读取前后管道压力表压力，记录下来。 （6）清理燃气主管道过滤器内的垃圾。

（7）清理压缩空气管道气源三联件，如果有必要，给油雾器加油。 电气仪表：

（1）保持炉子电气柜周围干净，干燥。 （2）检查全部的警报灯和警报铃正常的运转。 （3）测量并记录火焰传感器最近对火焰的传递。 5.5.3半年检查目录

以下检查应该是每半年检查一次。 机械部分：

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（1）检查燃烧空气送风机过滤器，必须保持清洁。 （2）给减速机油箱换油，注意润滑油的型号。

（3）检查全部电机与引风机，排风机，减速机结合处是否牢固，如有松动应适当调节。 炉子内部：

（1）检查全部炉内内衬钢板是否完好，如有缺损或焊接脱开，要及时处理。 （2）检查全部伸至炉内的管接头是否有开裂，焊接是否完好。清理接头周围集灰。

（3）清扫炉内垃圾。

（4）检查耐火炉膛，是否有任何的变形或腐蚀。

（5）检查全部的热电偶和保护管，如有损坏，要及时更换。 （6）检查炉子循环风扇是否有任何的变形或破裂。 （7）检查辐射管是否连接牢固。 管道系统：

（1）拆去烧嘴和换热器，查看辐射管内部是否积累污垢或变形。如果有，必须清理或替换。

（2）检查各燃气管道，压缩空气管道，冷却水管道等是否有泄漏。 （3）检查全部流量计，压力表等测量是否准确，是否需要清洁或更换。 电气仪表：

（1）检查炉子的控制设置和操作设置是否正确。检查炉子高温报警温度是否正确，如果高温报警温度低于炉温，则会导致高温报警，燃气电磁阀会关闭，炉子不能正常工作。

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（2）测试设备各互锁逻辑是否正常动作。手动测试，如果有互锁失败，及时停炉或汇报上级停炉。

（3）测试各高低压压力开关，压力过高或过低能否切断电磁阀。 （4）获得每个电机在各个阶段的安培指数，并且记录下来。 5.5.4每年检查目录

强力推荐每年最少在炉子停炉的情况下进行一次系统的检查。这样会避免大量的潜在问题。

5.6控制系统故障模式处理

常出现的故障有如下几个方面： 电源故障：

1.控制柜电源消失：由于是供电系统故障，将导致所有控制功能的丧失，通信中断，数据无法采集，整个系统处于瘫痪状态，应及时查明原因，恢复供电。 2.电源模块故障：电源模块是给PLC模块供电或是给其它用电设备，如数显表，巡检仪，变送器、限位开关等，一旦出现故障，与该电源模块连接的设备将无法正常工作，应马上确认故障电源模块，及时进行更换。

3.监控系统电源故障：工程师站电源是指上位监控器的电源，一旦出现故障，监控系统就无法工作，应及时恢复。 系统硬件故障：

1.数字量输入输出模块故障：数字量模块用来输入输出开关量信号，一旦出现故障则相应指令无法执行，如果是某通道坏了，则是该通道无法输入输出，应及时更换模块。

2.模拟量输入输出模块故障：模拟量模块用来输入输出模拟量信号，一旦出现故障则相应指令无法执行，如果是某通道坏了，则是该通道无法输入输出，应及时更换模块。

3.PLC故障：PLC故障将导致所有控制都无法实现，确认后应检修或是更换。 外部设备故障：

外部设备一般包括电动门、电动执行器、电磁阀、变送器、两位开关、热电偶、热电阻等。外部设备是控制系统最基本的组成部分，一旦发生故障，将直接影响

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控制效果。如果就地电动门、电动执行器和电磁阀故障，则相应的阀门拒动，使控制无法实现;如果一次元件变送器、两位开关、热电偶和热电阻故障，采集信号不正确，使现场设备状态及控制效果无法反馈到控制中心，PLC无从控制，很有可能发出错误指令。所以，外部设备一旦发生故障，应及时处理。

1.电动执行器、电磁阀：电动执行器、电磁阀故障分电气故障和机械故障两种。电气故障主要指电源故障。当控制电源失电时，控制回路无法接收控制指令，电磁阀无法动作。从画面上操作电机时，会出现超时故障，说明电动门没有按操作指令动作。此时，应及时检查各路电压。如果正常，则作相应处理，如果各路电压都正常，则检查线路和外部设备。电机电源是否缺相，变频器是否有故障报警，电机是否过载等。电磁阀一般分为交、直流两种。电磁阀的电源一般由外部电源直接供给，控制回路通过继电器来控制电磁阀的电源回路。机械故障一般有机械卡涩、限位调整不正确等，根据机械原理处理。

2.变送器、两位开关、热电偶、热电阻：变送器、两位开关、热电偶和热电阻属于一次元件。一次元件故障，应首先检查采样电压、电流是否正常，然后再检查就地元件的工作情况。如果采样板件故障，则更换相应板件;如果就地元件故障，可能是一次元件本身故障，也可能是线路问题，根据实际情况分别处理。

通信故障：

通信故障通常有两种情况：

1.软件故障：该故障通常是设置错误造成的，但如果是设备正常运行一段时间后出现的通信故障，经重新启动还无解除的话，则不是软件问题引起的。

2.硬件故障：一旦出现硬件故障，应该检查线路是否连接正确，是否有插头没插紧，通信线断路，同时也要注意是不是参与通信的设备本身的问题，应根据具体情况采用不同的措施。

上位机故障：

上位机死机，导致画面无法操作，这时只需要重新启动组态软件或是重新启动计算机（触摸屏）即可。

要正确区分是组态软件的问题还是下面硬件的问题，因为两者其一出现问题，都将导致无法控制，要根据具体的情况进行处理。

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6 安全与环保

6.1进入设备的安全预防

下列各项中只要有任何一项没有完成都不可进入设备，直到全部完成才可进入：

1.确定下列各项被关闭：

电源开关（关闭所有断路接触器）； 执行中的设备； 所有燃气； 所有工业气体。

在各个部位贴上维护标志，“设备维护，禁止操作”

2.进入之前，必须确定进入的设备内部是否存在危害人体健康和生命的有毒气体、窒息气体，下面是一些气体的含量：

 一氧化碳（CO）低于50ppm  二氧化碳（CO2）低于5,000ppm；  氧气（O2）含量21%  有机溶剂在评估极限以下；

 如果确实要进入危险区域内，必须使用呼吸设备或隔开一段安全

空间，对设备内部全部区域通风换气。

3.设备必须降温至人员可进入温度。 4.开门之后，插上安全销。

5.安置一个大型的风扇，在进入炉室之前，往炉室内送入气流。

6.利用多人作业，在人员进入炉内区域时，系上安全索。由炉外人员协助及救援。

7.在内部维护完成后，全部人员移出设备，撤除维护标志 8.煤气中毒症状的了解：

 头昏眼花  头痛  斜颈  两腿发软

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 恶心呕吐。

如果明显出现上述任何一种症状，及时将中毒人员 移至通风区域。 9.如情况严重，请立即进行下列急救处理：

 立即将中毒人员移至通风区域；  迅速通知医生援救；

 要是呼吸困难或停止，进行人工呼吸或在条件具备时进行输氧；  当气温低时，用毯子保持中毒人员体温。

6.2人员，设备安全措施

安全技术的最根本目的，就是实现生产过程中的本质安全。即便是人的本身发生不安全行为而违章作业，或者由于个别部件发生了故障，都会因为安全的可靠性作用而避免事故的发生。为了达到这个目的，就要研制在各种生产环境下能确保安全的装置。因此，必须相应采取有效的安全技术措施，以控制事故的发生。 （一）装设防护装置。主要是采取阻隔、保护有效距离和屏蔽的办法，保护作业不受伤害，这种装置分为三类。

1.直接防护。主要是利用防护装置保护人身安全的目的。凡是不能采取机械化和自动化的场所，在采取安全技术措施时，首先要考虑采用安全护装置来隔离危险因素，而且要做到美观、适用，不防碍操作，不降低生产效率。

根据用途和工作条件的不同，防护装置可分为简单防护装置和复杂防护装置。复杂的防护装置是安装在机器设备上的连锁装置，我们的设备上亦有相关的连锁开关等；简单的防护装置指防护挡板、防护罩、防护栅栏和防护网等。防护装置一旦安装到机器上，就视为机器设备的一部分，不得随意拆卸，比如说控制柜的柜体就是一个防护罩，非维修等情况，请尽量避免打开控制柜。

2.距离防护。生产中的危险因素和有害因素的的作用程度，一般都是依照与距离有关的某种规律而增减。许多因素的这一性质可以有效地加以运用。例如，对高压电、电离辐射和噪声的防护，均可以通过自动控制和遥控的作业方式，使操作者远离作业地点，来达到减少危险因素和有害因素的对人体的不利影响。 而我们的远程控制正是这一目的的体现。

3.屏蔽保护。在危险因素和有害因素的作用范围内设置屏蔽，防止人员与之直接或间接接触，即为屏蔽保护。可分为机械的、光电的、吸收的和反射的等种类。

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我们的控制柜做好相关的接地保护，不会让操作人员出现被静电电击的情况。 （二）保险装置。是能自动消除因整个生产设备或个别部件发生故障或损坏而导致人身伤害的安全装置。按作用原理保险装置可以分为两类型。

1. 薄弱环节型。这是利用薄弱的元件，在危险因素接近危险数值时，先损坏元件自身泄漏或释放能量，以保护设备安全，避免人身事故，例如，我们控制控制系统中所使用的熔断器等。

2.自动断电型。这种装置的作用原理是在机电设备达到危险状态之前，由装置自动切断电源，从而避免事故的发生。例如，自动空气开关、漏电保护器和行走器、热继电器、断路器等。

（三）信号装置。是应用信号的警告预防事故的装置。它本身不排除危险，只能提醒人们对危险的注意，以便能及时采取预防措施去排除危险或避免危险。信号装置能否取得良好的效果，取决于人们对信号的辨别和对信号含义的了解。信号装置可分为色彩信号、音响信号和指示信号三种。

1.色彩信号。就是利用色彩学知识而设置的信号装置。国家标准《安全色》（GB23——82）中规定，安全色为红、蓝、黄、绿四种颜色。其中红色的含义为禁止、停止、也表示防火；蓝色的含义为指令、必须遵守的规定；黄色的含义为警告、注意；绿色的含义为指示、安全状态和通行。我们根据此规定和我们系统中具体信号的含义配备了相对应的带色彩的指示灯，按钮等！ 2.音响信号。我们配备了声光报警器，可以及时提醒操作人员！

（四）安全标志。针对生产现场实际情况，我们将会设立符合作业情况的含义明确、字迹鲜明的各种安全标志，以提醒人们注意避免危险。

以上列举的均为预防事故的直接安全技术措施。此外，定期进行设备维护保养和检测检验，合理布置工作场地，搞好文明生产，都是安全技术不可缺少的措施。同时，还要十分注意加强个人防护。

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7 结束语

我所在的加铝（天津）铝合金产品有限公司主要从事先进铝合金产品的生产、销售、新型铝合金产品的研究和开发，同时提供相关的配套服务。公司的核心产品包括铝效用传输，配电裸导线，高架和地下绝缘铝导线以及赛德合金TM型建筑电缆，是电气行业所有部门的主要供应商。

本厂现有两个车间:电缆车间和铝杆车间。拥有很多生产铝合金电缆的先进设备，如拉丝设备、框绞设备、双绞设备、退火炉、挤塑设备、桑拿设备、单绞设备、盘绞设备、成缆设备、护套设备、铠装设备、复绕设备等。

我在框绞生产线工作，是将37根或61根铝丝绞在一起，中心为一根，第二层6根，第三层12根，第四层18根，最后一层24根。生产出电缆芯后绕在线轴上，然后必须经过退火炉退火，退火的目的是为了改善电缆芯塑性和韧性,去除残余应力,得到预期的物理性能。

对于我厂退火是制造铝合金电缆的一个重要工序,经过退火后才能进行外层绝缘皮的包裹进行以后的工序,可见退火炉的重要性.

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参考文献

[1]武文斐,向顺华,等.全氢罩式退火炉退火过程传热的研究[J].工业加热.

[2]程素森,孙磊,杨天钧.异常炉况高炉冷却板及炉衬非稳态温度场[J].北京科技大学学报,2004,26(4):360-365.

[3]刘鉴民.传热传质原理及其在电力科技中的应用分析[M].北京:中国电力出版社,2005. [4]屠传经,沈珞婵,胡亚才.高温传热学[M].浙江:浙江大学出版社,1997.65-69.

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致 谢

大学生活即将结束，十几年求学生涯走到今天，无数的风风雨雨、愁苦与欢欣都已经成了美好的回忆。三年来，既体会过成功的喜悦，也有过未完成的遗憾，然而给我印象最深的却是师生之间、同学之间的融融情谊。在此，我向所有帮助过我的人们表示深深的谢意。

本论文是在我的导师柴书彦老师的悉心指导下完成的。从论文选题到论文最终完成，每一个环节，柴老师都付出了辛勤的汗水和心血。他不厌其烦的帮助我修改论文，提出了许多中肯的意见。柴老师渊博的学识，严谨的治学态度，兢兢业业的工作精神深深地激励着我，是我终生学习的楷模。柴老师在学习上对我严格要求，谆谆教诲使我受益匪浅;在生活中也对我虚寒问暖，关怀备至。在论文完成之际，谨向柴老师致以崇高的敬意和由衷地感谢。

最后，衷心感谢论文的评阅老师、专家和答辩委员会的诸位委员，感谢你们所付出的辛勤劳动。

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