高曉婷

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471003）

0 前言

隨著我國能源需求大幅增長，環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻，越來越多的企業(yè)需要清潔化生產(chǎn)。熱處理行業(yè)是消耗能源的大戶，其用電量約占機(jī)械工業(yè)用電總量的25%～30%。雖然我國熱處理技術(shù)有了很大的進(jìn)步，但至今仍大量使用著一些陳舊設(shè)備，熱效率低，清潔化生產(chǎn)潛力很大。

目前，45 kW箱式爐、90 kW井式爐和160 kW井式爐，由于設(shè)備使用時(shí)間長，有爐襯材料落后、密封不嚴(yán)等缺點(diǎn)，設(shè)備存在升溫時(shí)間增長、設(shè)備表面溫度過高、加熱元件維修頻率高、能耗高、熱效率低等問題，大大增加了生產(chǎn)運(yùn)行成本。因此，通過技術(shù)改進(jìn)，從設(shè)備爐襯結(jié)構(gòu)、爐襯材料、密封和設(shè)備附件等方面入手，提高設(shè)備熱效率和工作效率，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)。

1 設(shè)備存在的問題及原因

45 kW箱式爐、90 kW井式爐和160 kW井式爐承擔(dān)了合金鋼、結(jié)構(gòu)鋼零件的淬火、回火、固溶、時(shí)效等熱處理，使用頻率高，每天工作12 h以上，是分廠耗能較大的設(shè)備。改造前電阻爐的基本情況見表1。

表1 電阻爐基本情況

1.1 密封不嚴(yán)，設(shè)備表面溫度高，升溫時(shí)間長

RJX－45設(shè)備爐門多數(shù)采用耐火磚砌造，有蓄熱量大、保溫性和爐門密閉不嚴(yán)等缺點(diǎn)，長時(shí)間使用時(shí)，爐磚變形脫落，在爐門開起與關(guān)閉時(shí)存在爐門松動(dòng)、爐口封不嚴(yán)的問題，達(dá)不到理想的保溫效果。當(dāng)爐門開啟0.2 m2，熱能損耗會(huì)增加15%。45 kW箱式爐爐門處縫隙約為9～11 mm，熱量從爐門處損失嚴(yán)重，造成設(shè)備表面溫度較高（約60℃），高于國家標(biāo)準(zhǔn)。并且升溫時(shí)間較長，冷爐升溫時(shí)長約4 h，大大增加了能源消耗。90 kW和160 kW井式爐使用時(shí)間較長，爐蓋處密封圈老化、變形，密封不嚴(yán)，同樣會(huì)造成熱量損耗（圖1）。而且井式爐爐膛猶如煙囪，當(dāng)爐門處密封不嚴(yán)時(shí)會(huì)溢出熱空氣，導(dǎo)致爐子溫度偏低、升溫緩慢等現(xiàn)象。

1.2 爐襯老化變形嚴(yán)重（圖2）

黏土質(zhì)耐火磚因?yàn)樵县S富，成本較低，使其在各種加熱爐、熱處理爐、沖天爐和干燥爐中得到了大量的應(yīng)用，主要優(yōu)點(diǎn)是熱震穩(wěn)定性較好，耐急冷急熱次數(shù)可達(dá)10～15次，但在高溫下抗機(jī)械振動(dòng)性能差，容易造成爐磚

開裂，使得設(shè)備保溫性能下降。造成爐磚開裂的主要原因有：

（1）線膨脹率低。在0～1000℃的范圍內(nèi)，線膨脹率僅為0.6%～0.7%。當(dāng)溫度達(dá)到1200℃后再繼續(xù)升溫時(shí)，體積開始收縮。殘余收縮會(huì)導(dǎo)致砌體灰縫的松裂，最終導(dǎo)致磚體松裂。

（2）荷重軟化溫度低。

（3）高溫下抗機(jī)械強(qiáng)度較差。電阻爐在長時(shí)間使用下，老化變形嚴(yán)重，電阻爐保溫性能差。

（4）熱導(dǎo)率較高，使電阻爐爐墻增厚，增加成本，且保溫性能差。

圖1 密封圈老化

圖2 爐門磚脫落和爐磚老化變形

1.3 爐體側(cè)面電阻絲損壞嚴(yán)重

工作時(shí)，操作者高溫鉤取零件時(shí)容易造成箱式爐爐體側(cè)面托絲磚撞傷損壞，嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)行和產(chǎn)品加工質(zhì)量。故障率高，是長期困擾熱處理箱式爐加工的難題。

2 改進(jìn)方案

2.1 主要改進(jìn)內(nèi)容

熱處理設(shè)備的節(jié)能主要取決于爐襯的砌筑結(jié)構(gòu)和耐火材料的選擇，而耐火材料的選擇，可顯著提高熱處理爐的節(jié)能效果。

2.1.1 爐襯結(jié)構(gòu)改進(jìn)

160 kW井式爐深3 m，爐襯要在保證爐子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐熱度的前提下，盡量提高保溫能力和減少儲(chǔ)蓄熱，因此保證160 kW井式爐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是改進(jìn)難點(diǎn)之一。而單純依靠增加爐襯厚度來降低內(nèi)外壁溫度是不合適的，因?yàn)檫@樣不僅會(huì)增加爐襯儲(chǔ)蓄熱成本，還會(huì)減少爐底面積（或爐膛）的有效利用率。常用爐襯為爐磚砌筑、爐磚和耐火纖維混合砌筑、全部由耐火纖維砌筑。

（1）從爐襯厚度選擇。爐磚砌筑的爐襯厚度最厚，爐磚和耐火纖維混合砌筑次之，耐火纖維砌筑爐襯最薄，約150 mm，能夠節(jié)約空間一半以上。

（2）從保溫效果選擇。各種耐火材料內(nèi)外壁溫差如表2所示[3]。其中，耐火纖維厚度最小，內(nèi)外溫差最大，保溫效果最好。

表2 各種耐火材料內(nèi)外壁溫差

（3）從蓄熱量選擇。爐磚砌筑的爐襯單位面積蓄熱量qx是全纖維爐襯3.5倍左右，混合砌筑處于中間，因此全纖維爐襯蓄熱量最小，升溫速度最快。

（4）從全熱損失選擇。全纖維爐襯熱損失最小，約為黏土爐磚的一半左右。

（5）從電能節(jié)約方面選擇。連續(xù)工作一周（144 h）后，對(duì)比發(fā)現(xiàn)全纖維爐襯節(jié)能效果最好。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)爐襯纖維化和輕質(zhì)化，有節(jié)能效果。最后一種方案最優(yōu)，應(yīng)優(yōu)先考慮。

2.1.2 爐襯材料改進(jìn)

爐襯材料的作用是保持爐膛溫度，使?fàn)t膛形成良好的溫度均勻度和減少爐內(nèi)熱量損失。目前，耐火纖維由于其具有優(yōu)異的保溫隔熱性能而成為了節(jié)能材料的開發(fā)熱點(diǎn)[4－6]。

耐火纖維也稱陶瓷纖維，除了具有柔軟、有彈性、有一定抗拉強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)外，還具有耐腐蝕性能、耐高溫性能，還具有良好的熱能力和紅外加熱效應(yīng)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，將耐火纖維應(yīng)用于連續(xù)加熱工業(yè)爐可節(jié)能15%以上，用在間歇式工業(yè)加熱爐可節(jié)能30%以上。同時(shí)，可以提高生產(chǎn)效率和改善產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)爐體結(jié)構(gòu)輕型化、大型化。

從耐火纖維基本特性出發(fā)，根據(jù)熱處理設(shè)備日常使用溫度，選擇工作溫度為1260℃的高鋁硅酸鋁耐火纖維，對(duì)3臺(tái)設(shè)備爐襯進(jìn)行重新砌筑，改造后設(shè)備情況如圖3所示。

2.1.3 密封改進(jìn)

改進(jìn)后，45 kW箱式爐爐門采用全纖維爐襯，替換了之前耐火磚砌筑的爐門，爐門密封緊密，保溫性能大大提高（圖4）。

2.1.4 爐底板改進(jìn)

為了不影響爐溫均勻性，將爐底板加高200 mm，并在周圍均勻分布Φ20 mm的孔（圖5），有效減少了爐絲的損壞頻率，操作者幾乎不會(huì)碰壞設(shè)備底部爐絲。

2.2 改進(jìn)后效果

2.2.1 45 kW箱式爐

改進(jìn)后設(shè)備表面溫度降為室溫；爐溫均勻性變好；室溫升至800℃需要2 h，比改造前減少2 h；保溫階段功率輸出為45%，比改造前減少10%；由于升溫時(shí)間縮短，平均每天工作時(shí)?？s短至10 h，工作效率提高17%左右，如表3所示。

2.2.2 90 kW井式爐

爐膛全部采用耐火纖維保溫，爐蓋密封壓緊時(shí)采用石棉盤根。改造后設(shè)備表面溫度降為室溫；爐溫均勻性變好；室溫升至800℃需要2 h，比改造前減少3 h；保溫階段功率輸出為20%，比改造前減少10%；由于升溫時(shí)間縮短，平均每天工作時(shí)常縮短至8 h，工作效率提高25%左右（表3）。

圖3 改造后的爐襯

圖4 改進(jìn)后爐門

圖5 爐底板改進(jìn)前后對(duì)比

表3 改進(jìn)前后設(shè)備指標(biāo)對(duì)比

2.2.3 160 kW井式爐

爐膛全部采用耐火纖維保溫，爐蓋密封壓緊時(shí)采用石棉盤根。改造后：設(shè)備表面溫度降為室溫；爐溫均勻性變好；室溫升至800℃需要2 h，比改造前減少3 h；保溫階段功率輸出為25%，比改造前減少7%；由于升溫時(shí)間縮短，平均每天工作時(shí)常縮短至7h，工作效率提高30%左右。如表3所示。

3 節(jié)約能源計(jì)算

設(shè)備每年耗費(fèi)電能計(jì)算公式：

式中 W——電能，kW·h

k升——升溫時(shí)輸出功率比例，100%

k?！?—保溫時(shí)輸出功率比例，%

P —— —設(shè)備功率，kW

t升—— —工作時(shí)間中升溫時(shí)間，h/d

t?！?—工作時(shí)間中保溫時(shí)間，h/d

表4 改進(jìn)前后工作時(shí)間內(nèi)保溫時(shí)間對(duì)比h/d

從經(jīng)濟(jì)效益、運(yùn)行成本方面考慮，空氣電阻爐采用全纖維爐襯時(shí)，比采用耐火磚爐襯更節(jié)能。因此，熱處理應(yīng)優(yōu)先選擇采用全耐火纖維爐襯的電阻爐，以滿足企業(yè)清潔化生產(chǎn)要求。

（1）45 kW 箱式爐 W節(jié)＝W前－W后＝（100%×45×4+55%×45×8）×220－（100%×45×2+45%×45×8）×220＝27 720 kW·h。

（2）90 kW 井式爐 W節(jié)＝W前－W后＝（100%×90×5+30%×90×7）×220－（100%×90×2+20%×90×7）×220＝73 260 kW·h。

（3）160 kW 井式爐 W節(jié)＝W前－W后＝（100%×160×6+32%×160×6）×220－（100%×160×2+25%×160×6）×220＝155 584 kW·h。

經(jīng)改進(jìn)，每年節(jié)電 27 720+73 260+155 584＝256 564 kW·h，3臺(tái)設(shè)備節(jié)約電能如圖6所示。

4 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

圖6 設(shè)備改造前后消耗電能對(duì)比

爐底板改進(jìn)后，有效減少了箱式爐底部爐絲的損壞頻率。按每臺(tái)設(shè)備每次維修0.2萬元人民幣，每年進(jìn)行6次維修，每年3臺(tái)設(shè)備合計(jì)可以節(jié)省大修費(fèi)用3.6萬元人民幣。爐襯改進(jìn)后，設(shè)備爐溫均勻性提高，設(shè)備更加精確，增加了零件熱處理質(zhì)量一致性，減小了因設(shè)備溫差造成的不合格因素。改進(jìn)后，設(shè)備升溫速度提高50%以上，工作時(shí)間縮短，工作效率提高17～30%。

改進(jìn)后，設(shè)備每年節(jié)電256 564 kW·h，按目前尖峰電平均價(jià)格0.8元/kW·h計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)20.5萬元人民幣。項(xiàng)目費(fèi)用為16.8萬元人民幣，靜態(tài)投資回收期為0.8 a。

5 結(jié)論

［1］許建選.加熱爐節(jié)能改造評(píng)價(jià)［J］.石油石化節(jié)能，2014（1）：21－22.

［2］張?jiān)平?升降式全耐火纖維爐門擠壓密封裝置［J］.金屬加工熱加工，2013（S1）：79－80.

［3］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊(cè)——熱處理設(shè)備和工輔材料［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［4］趙鎮(zhèn)魁，哈志強(qiáng).試談耐火纖維窯爐內(nèi)襯［J］.磚瓦，2014（3）：13－18.

［5］王魯.陶瓷纖維模塊在工業(yè)爐中的應(yīng)用與實(shí)踐［J］.耐火材料，2011，4（45）：146－148.

［6］李世光，王曉紅.全纖維加熱爐爐襯的設(shè)計(jì)、施工與應(yīng)用［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2014（4）：30－31.