中國熱回收型熱處理爐的創新和發展

江蘇LGD軸承研究所（南通 226001）黃 培

一、緒言

對于熱處理節能途徑的關注，長期以來人們都集中在工藝裝備和管理技術諸方面，最新文獻的歸納更加具有代表性，西安電爐研究所的袁芳蘭等指出：電熱裝置的主要節能途徑有以下8個方面，其中：

（1）合理選擇電加熱方式和爐型。

（2）減少電熱設備的熱損失。

（3）提高電效率。

（4）提高裝置的自動化程度。

（5）余熱的回收和利用。

（6）改革工藝流程和采用節能工藝。

（7）提高裝置的利用率。

（8）加強節能管理和對設備能耗狀況的監測。

眾所周知這些措施無疑都是正確的，問題在于，文中第五項所述余熱回收和利用，僅僅指出“回收生產過程中排出的高于環境溫度的氣態、液態等流體所載的熱能，并加以重復利用，如利用外排高溫煙氣預熱爐料，罩式爐采用一罩多爐充分利用爐罩余熱，采用熱泵技術回收低溫熱采用汽化冷卻技術利用其所產生的蒸汽”。這是遠遠不夠的，應該有效補充，作為當今的先進節能技術高溫固體熱回收技術，才能錦上添花。當今世界的發達國家，無論歐美還是日、俄（蘇聯），余熱利用早已不僅限于回收爐窯有關的氣體、液體熱能，更是著眼于回收作為有效熱存在的高溫固體工件的有效熱，因為后者數值可觀，節能潛力更大。

二、國外技術的消化與吸收

1.熱回收型電爐的異軍突起

筆者從事熱處理50年，近30年集中關注國際上節能熱處理設備的發展，根據追蹤：早在1962年，前蘇聯薩科羅夫在其專著《熱處理車間的機械化和自動化》中披露，由于使用熱回收型退火爐，銅材的熱處理能耗降低到130kW·h/t。

1983年，日本的大同特鋼研發成功熱回收型軸承鋼連續球化退火爐；當年在日本工業爐手冊中介紹的熱回收型推桿式電爐與從前的形式相比較，單位耗電量大幅度降低到原先的1/4左右。或是因為普及，或是因為保密，在1997年新版日本工業爐手冊中，卻將該技術內容隱去。

2008年，美國專著論述工業爐原理、設計和操作中，著重闡明高溫固體工件熱回收技術的潛力和廣泛應用前景。指出高溫產品熱回收的可能性存在該產品保溫之后需要冷卻的場合，對熱態固體而言，其熱量為hc=CPd△T。

在2011年德國杜塞爾多夫國際熱工展會上，電爐名家奧地利EBNER公司首次公開了罩式爐兩爐一器的熱回收技術，使退火節電達到47kW·h/t。

2.基本原理探討與考證

通過綜合分析發現，熱回收型熱處理電爐的理論基礎就是在熱處理工藝的加熱、保溫、冷卻3個過程中，將加熱和冷卻過程有機結合，分析熱平衡方程，創造性地將工件冷卻過程放出的熱量用來加熱新進爐的工件，使爐子產生“重能”以減少供給能的方法，從而大大提高電爐的熱效率。如用數學式表達，則有熱平衡方程為Qt=Qeff+Qw。熱效率方程為ηt=Qeff/En，正如文獻所述，一般情況下，電熱裝置的熱效率為0.5～0.8。

至于熱回收，此處指的是高溫固體工件的熱回收，就是回收熱量，通過熱回收，可大大提高熱效率，甚至ηt≥100%，建立起新的熱平衡，使設備中出現重能，能實現這一功能的設備才稱得上先進節能的熱處理設備。

舉例：當一臺電爐的熱平衡有如下數據時

100（供給能）＝60（有效能）+40（能損失）

該電爐的熱效率為η＝60%

熱回收技術的本質描述是熱平衡方程中各項目中部分能量的增減或轉移。

（1）在單純改善電爐絕熱時

100＝60+40變成（100-10）90＝60+30（40-10），此時絕熱工程使熱效率上升到67%。

（2）在單純熱回收時（熱回收率50%）

100＝60+40變成（100-30）70＝60+40。熱效率η＝60/70＝86%。

（3）兩者綜合作用時

100＝60+40改變成（100－30－10）60＝60+30。此時η＝100%。

因此，難怪2008年的美國人聲稱熱回收是一種奇妙的加能器（Capitallg intensive），道理就在這里。

三、自主創新研發專利推進產業化

21世紀十多年來，筆者通過合作攻關，先后將4項實用新型專利實施成功，探索開辟了中國熱回收型熱處理電爐的創新發展之路（見表1）。

表1 熱回收型電爐的研發狀況（截止2013年底）

下面以后三項為代表詳細說明。

1.雙向蓄熱型連續球化退火爐

該設計2011年獲得專利權，當年轉讓河南正恒爐機科技有限公司實施，目前已有兩臺套ZHRTd—400—8電爐在山東衛海公司及河南洛陽興峰軸承公司正常運行，平均單位電耗由原來的300kW·h/t降低到125kW·h/t左右，節能率近60%。

（1）電爐結構設計 新研發的電爐廣泛應用于軸承生產中鍛件的球化退化，具有獨特的熱能回收結構，它有兩個平行反向設置的爐道，每個爐道依次排列有預熱段、加熱保溫段、快冷段、等溫段和冷卻段。兩上爐道中，一個爐道的預熱段與另一個爐道冷卻段之間設置熱交換機構，以空氣作傳質充分利用爐道高溫工件冷卻放出的熱量，對另一個爐道的進爐工件預熱，余熱可以將新進爐工件加熱到450℃以上，使熱效率大大提高。

（2）主要技術參數 設備型號：ZHRTd-400-8；額定功率：400kW(200×2)；額定溫度：850℃；加熱室有效空間：9000mm×700mm×600mm；技術生產率：1000kg/h；熱交換器有效空間：6100mm×700mm×600mm；爐用料盤數量：88（44×2）；外形尺寸：27000mm×2800mm×1850mm；總重量：48t。

（3）結構及特點 加熱室為方形雙通道結構，外殼用δ＝6mm厚鋼板和型鋼密封焊接而成，由兩臺RJT—200節能型等溫退火爐反向布置，相互獨立復合一體設計而成。爐襯是全纖維結構，首次采用變厚度的爐襯設計，由于等溫退火爐依次排列著加熱區、保溫區、快冷區、等溫區和爐冷區，因此，在電爐前兩區的爐襯厚度為380mm，后三區的爐襯厚度為270mm。

熱交換器：雙通道等溫退火爐的兩端設計有兩臺高效熱交換器，以實現工件等溫結束后顯熱的熱回收，即熱量循環再利用。每臺熱交換器由6個熱交換室組成。熱交換室使得冷工件的預熱借相鄰爐道中金屬冷卻時的放熱實現。為了改善熱傳效果，在該區頂部安裝有離心風機和專門的通道。

爐內快冷管路：電爐內設計有快冷區，以保證等溫冷卻時，工件能均勻快速地冷卻到等溫保持溫度。快速冷卻既能縮小爐體長度，減少爐壁散熱，又能使工件的內部組織更為細化和均勻。

該電爐結構另一個特點就是采用兩個閉式縱向的循環通道，將工件快冷降溫區放出的熱量不足排空，而是有效地另以利用，其循環回路為：熱交換器出料端→加壓送風機→快冷風管總管（流經5支管）→爐內熱風總管→熱交換器進料端→熱交換器出料端。其風量大小靠閥門調節。

2.熱回收型連續正火爐

熱回收型連續正火爐構思10年、方案論證3年，在熱回收型連續退火爐成功運行的基礎上研制開發，2009年獲得專利授權，同年轉讓蘇州工業園區華新電爐廠開始制造，2010年5月首臺樣機在江陰耐土鐵金屬制品有限公司運行，該公司共采購了三臺替代了全部20臺臺車爐，之后又有兩臺分別在安徽和廣東同行業工廠投入運行，狀態良好。

（1）概述 針對普通正火爐工件空冷存在熱能大量浪費、污染環境的情況，研制出在密封環境下快速仿真空冷的熱回收型連續正火爐，相比臺車爐節能40%左右，產能提高。

空調壓縮機用缸缸體常用FCD25共晶灰鑄鐵經金屬型鑄造而成，其化學成分見表2。在鑄造狀態得到的D型石墨坯件，一般均施行正火處理，以得到珠光體+鐵素體基底，正火的技術要求為：抗拉強度≥230MPa；硬度為170～219HBW；金相組織中依ASTM標準，D型石墨含量為80%以上，珠光體含量為15%～30%。一般多采用臺車式電阻爐（多達20臺）加熱，保溫后抽出臺車，翻轉臺面，傾倒后吹風噴冷。此方法能耗高（420kW·h/t左右），勞動強度大，環境熱污染嚴重，冬季車間溫度都高達50℃以上。

表2 缸體的化學成分（質量分數） （%）

針對上述情況，對高溫固體顯熱通過傳質實現熱交換回收進行研究，在熱回收型連續退火爐的基礎上，研制出了熱回收型連續正火爐，該正火爐已有5臺投產運行，各項狀態運行穩定。

（2）電爐設計原理 新型連續正火爐具有雙層爐道結構。爐子的上層爐道前端為預熱段，后端為加熱區和保溫段，下層爐道依次設置有快冷段和緩冷段；上層爐道有一條主傳送帶，下層爐道有兩條傳送帶，即2#和3#傳送帶。電爐的核心技術是將正火冷卻時金屬放出的熱量用于熱交換器內新進爐工件的預熱，由于所有傳送帶都沒有直接裸露在爐體外，因此，大大減少了封閉爐內熱量循環的熱能損耗。

①主要技術參數。設備型號：SHRN-380-9；定額功率：380kW；額定溫度：930℃；加熱室有效空間：8000mm×800mm×200mm；生產效率：800kg/h；熱交換器有效空間：5000mm×800mm×1200mm；外形尺寸：13800mm×2500mm×3800mm；總重量：48t。

②結構特點。加熱室為托輥支撐型網帶加熱爐，瓷管芯螺旋電熱體加熱器總功率為380kW，由72支加熱管均勻分擔，爐內呈4個加熱區布置，按工藝要求，獨立控溫，爐襯采用陶瓷纖維氈加輕質耐火磚復合結構；噴冷正火冷卻室位于加熱爐的下方，由返回的一級網帶機構和噴冷箱、噴風嘴及高壓風機等組成。為了調節風冷強度，正火冷卻配備“2+3”結構的風機裝備。為了節約能源，優化工作環境，噴冷室對外是絕熱的；熱回收室由4臺循環風機和專用風道承擔空氣工質的循環運動，由于灼熱工件熱量的回收，可方便新進爐工件在進入電熱區之前工件表面溫度達到350～400℃。工件經由二級網帶輸出爐外；電器控制系統采用智能儀表控制，溫控精度優于±2℃。

（3）使用效果

冷態調試：所有機構動作（包括自動上料），均按完整的操作程序聯動，準確定位各傳送帶速度、控制位置；調整噴冷機的各風機風量和各區段傳送帶的水平度及張緊度（3長傳送帶的結構、張緊方式和傳送速度均不同）。

熱態調試：①烘爐，打開電爐外門，按30℃/h速度升溫到200℃保持48h，400℃保持48h，600℃保持48h。②裝料入爐，將缸體以兩層方式平鋪于傳送帶上，工藝制度為一區850℃、二區900℃、三區900℃、四區900℃，總加熱為90min開始進行工藝試驗，全部工藝正常達產為止。

工藝試驗：按照FCD-25共晶鑄鐵的典型正火工藝進行試驗，正火溫度穩定為880℃，加熱保溫80min，根據實際情況調節快冷各風機閥門。經兩個月生產統計，正火工件的日產量可達18～20t，工件硬度為170～219HBW，金相組織均符合技術要求；單位耗電為260～270kW·h/t，比臺車爐（420kW·h/t）節電約40%。

對GCr15鋼軸承鍛件進行正火工藝試驗，其目的是細化組織，消除網狀碳化物，節省能源。鍛坯型號為6308/01，加熱規范為900℃×60min，冷卻速度同鑄鐵缸體工藝，工件正火后硬度為294～302HBW（31.5～32.5HRC），顯微組織為100%索氏體，金相組織等完全達到了工藝目的。

3.U式熱回收型連續正火爐

2011年12月12日申報了一項最新的專利，名稱為“U式熱回收型連續正火爐”。當年轉讓蘇州工業園區新凌電爐有限公司投產制造，2013年12月新型正火爐XLZH-400-9在浙江天元機械制造有限公司通過驗收，驗收報告指出：合同正火能耗≤260kW·h/t，實際結果為211.7（凈252.3）kW·h/t（GW）；產品正火后能達到工藝要求，質量和耗電量達到設計要求。這一結果填補了國內空白，在世界上也屬首創。

其原理結構：U式熱回收型連續正火爐中設置有左右兩個爐道，左右兩個爐道通過保溫橫向轉移小車連續成U型，左右爐道中依次設置有預熱段、加熱段和保溫段，在右爐道中依次設置有快冷段和緩冷段，左爐道的預熱段與右爐道的緩冷段對稱設置，兩者之間通過熱交換結構相連通，在左爐道中設計有使料盤工件移動的滾輪導軌，爐外有推料杠，在右爐道中設置有料盤移動的鏈條機構，在電爐的加熱段和保溫段中設置電加熱體，在快冷段中設置風冷卻系統，在熱交換系統中有循環風機和風道。

工作時，電爐事先加熱到工藝規定的溫度，然后依次將工件推進爐內，按自動程序進行，其推料節拍為20～40min/次。

U式熱回收型連續正火爐技術數據如表3。

表3 XLZH-400設備設計技術數據

2013年5月在浙江天元機械有限公司安裝調試，情況如下：

（1）爐子性能測試 爐子加熱并充分保溫后，對II、III區分5個溫度段進行爐溫均勻性、爐壁溫升及其他相關性能的測試結果分別是：800℃時爐內溫差為±8℃，爐壁溫升20℃；850℃時爐內溫差為±7.5℃，爐壁溫升26℃；900℃時爐內溫差為±7.5℃，爐壁溫升30℃；工作出爐溫度10～230℃；預熱室溫度360～430℃（儀表測溫顯示）；空爐升溫時間≤2.5h。

（2）工藝試驗及實際生產運行 加工產品及材質種類（汽車零部件）：35鋼制動法蘭、板簧下座；45、20Mn2鋼各種調整臂；40Cr鋼蝸輪、蝸桿、角度調節板、聯軸器；20CrMnTi鋼扇形自鎖塊、前進擋撥塊。

四、新爐型與傳統爐型的比較

1.新老爐型單位能耗

目前，國內機械行業普遍采用的是箱式爐、臺車爐、推桿式爐等傳統爐型，鑄鍛件正火工序產品單位電耗約400kW·h/t；本熱回收爐型正火爐產品單位電耗245.7kW·h/t（不含料筐）。

2.新老爐型主要技術及經濟指標比較

設備生產率按750kg/h，負荷率按80%（全年可處理5256t），電費按0.9元/kW·h計算。熱回收型正火爐與老爐型主要性能及經濟指標比較見表4。

由表可見，采用熱回收型正火爐熱處理爐連續正常生產，運行兩年左右即可從節約電費中收回全部設備投資。

五、結語

（1）綜上所述，熱回收型正火退火爐填補了我國先進熱處理設備的空白，優質、高效、節能環保，具有良好的經濟和社會效益。

表4 正火爐新、老爐型主要性能及經濟指標比較

（2）建議政府對先進節能設備加大扶持力度，加速節能產品更新換代及其產業化。

（3）本課題始終得到中國工程院潘健生院士、中國科學院徐祖耀院士、蔡美良教授、恩師陳仲連等的關心、指導和支持，相關企業的有效合作對專利實施成功至關重要，特此致謝。