電極鹽爐改造方向與節(jié)能潛力

文 // 孫書靜 沈陽市遼中通達(dá)機(jī)械廠

1 鹽爐改造概況

內(nèi)熱式電極鹽爐(以下簡稱鹽爐)應(yīng)用中存在有兩大問題：啟動升溫時間長和爐口熱損失大，使鹽爐成為耗費(fèi)能源大的熱處理加熱設(shè)備。

當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，已為鹽爐的綜合改造創(chuàng)造了良好條件。我國近幾年來，采用新型耐火材料、新型保溫材料的鹽爐，使?fàn)t壁熱損失大大減少，爐膽熱平衡時間向后推遲，延長了鹽爐使用的壽命。可控硅電源、電子儀表、單片計(jì)算機(jī)在鹽爐上的應(yīng)用，使鹽爐的控溫精度和爐溫穩(wěn)定性都得到了提高，且使用方便，還能有一定的節(jié)能效果。可見，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)改造鹽爐是一個重要課題。

近幾年，我國在鹽爐改造中著重于推廣自激型快速啟動技術(shù)和爐口液面保溫技術(shù)，從而使鹽爐應(yīng)用中的兩大問題得以較好的解決，尤其在鹽爐電極結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，使自激快速低壓啟動技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，鹽爐的各項(xiàng)性能得到了很大的提高，達(dá)到了不用提高電壓也可以隨用隨開爐的水平。

但是，改造中也存在一些不同觀點(diǎn)，主要的反對意見是：①快速法是采用大功率啟動升溫，雖然時間縮短了，但“耗電同樣多”；②快速法是因?yàn)闋t膽吸熱不足而節(jié)約的電，是“先節(jié)后補(bǔ)”；③在爐膽吸熱不足條件下加熱工件會出“廢品”。

為了弄清這三個問題，我們對鹽爐進(jìn)行了五項(xiàng)主要指標(biāo)的測試：①爐膽吸熱差量的對比；②爐口液面不同保溫材料與節(jié)能的關(guān)系；③冷卻水帶走的熱量；④主電極柄及銅排的溫升變化；⑤與箱式電阻爐的能耗對比。通過對中溫和高溫鹽爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，得出以下結(jié)果。

1.1 各臺鹽爐均省時節(jié)電

兩臺鹽爐節(jié)約時間為69%～85%，節(jié)約電能為35%～75%。它們之間存在著差異是由于爐體結(jié)構(gòu)不同，耐火保溫材料不同，以及各自在改前的傳統(tǒng)方法耗電水平基礎(chǔ)不同。測試結(jié)果只是各臺鹽爐改前與改后自身能耗的縱向?qū)Ρ取?/p>

通過數(shù)據(jù)分析得出：傳統(tǒng)法平均每臺耗時為261.4min，快速法為66.7min，節(jié)時194.7min，節(jié)時率為74%；傳統(tǒng)法平均每臺耗電數(shù)為130kWh，快速法為53.9kWh，節(jié)電85.1kWh，節(jié)電率為61%。

省時節(jié)電的主要原因是自激型電阻發(fā)熱元件由浴鹽及預(yù)導(dǎo)質(zhì)所組成的離子導(dǎo)體通電后，能在爐渣中開始發(fā)熱升溫，并將主電極很快導(dǎo)通而導(dǎo)致迅速升溫。因?yàn)閱由郎厥菑臓t底向上逐層通過固體鹽，所以爐口熱損失到最后階段才出現(xiàn)，可使電能大部分用于化鹽與升溫。又因?yàn)閱由郎貢r間大幅度縮短且爐膽吸熱少，所以使熱損失減少到最低限度。

1.2 爐膽吸熱不足在節(jié)電總量中的比重很小

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)爐膛達(dá)到指定工藝溫度時，再用此工藝溫度使?fàn)t膛靜態(tài)(保溫)工作6h，以此測出比傳統(tǒng)法在爐膽吸熱方面平均每臺多耗17.4kWh，只占節(jié)電總數(shù)的20%。雖然各臺差量大小不同，但其熱量由兩條曲線表示趨于重合，各臺鹽爐兩種方法比較均屬同一規(guī)律，因此實(shí)驗(yàn)測試是可信的。

由此可知，傳統(tǒng)法是在裝爐加熱工件前比快速法多輸給爐膽17.4kWh，可稱它為“預(yù)付數(shù)”。快速法是在裝爐后，再用6h的實(shí)際工作時間給爐膽補(bǔ)上17.4kWh，可稱它為“現(xiàn)付數(shù)”。如果實(shí)際工作時間小于6h，傳統(tǒng)方法就有一部分電要浪費(fèi)掉，而快速法則可以節(jié)約下來。因此，它的節(jié)電率61%～49%。不難看出，快速法在爐膽吸熱及通過它向外散熱方面有主動權(quán)，這對間歇性生產(chǎn)鹽爐節(jié)電有利。所以，“節(jié)電來自爐膽吸熱不足”，或“應(yīng)將爐膽吸熱不足部分從節(jié)電總量中減去”的見解是與實(shí)際不符的。

1.3 快速法可確保被加熱工件的產(chǎn)品質(zhì)量

由于鹽爐與電阻爐及火焰爐的綜合給熱方式不同，爐膽吸熱與爐襯蓄熱兩者間有著本質(zhì)的區(qū)別。爐膛中的高熱浴鹽與爐膽內(nèi)壁四周及爐底表面緊緊相貼，爐膽的這些界面及其向內(nèi)的一定深層必定與浴鹽同溫，始終是受液態(tài)高熱浴鹽的溫度所左右。工件就是在這樣條件下裝爐的。浴鹽在能量轉(zhuǎn)換過程中有一小部分熱量要經(jīng)過爐膽界面不斷地逐層地向爐膽深層，并且最終向外散發(fā)出去，這一現(xiàn)象通稱為爐膽散熱損失。爐膽熱穩(wěn)定的時間向后推遲就意味著散熱損失小，這本身就是節(jié)能，并不會影響被加熱工件的質(zhì)量。

工件裝爐后，在比自身體積大3倍以上的高熱浴鹽熱量庫中加熱。850℃熔鹽的熱容量比同溫度的空氣熱容量大數(shù)千倍。鹽爐在加熱工件時的爐溫回升速度取決于鹽爐的功率與浴鹽能量轉(zhuǎn)換熱效率。幾年來的生產(chǎn)實(shí)踐證明，只要爐膛達(dá)到指定工藝濕度，并且爐膛上下的溫度一致，鹽爐運(yùn)行正常并遵守加熱工藝規(guī)程，所有被加熱處理的軍品、民品和工裝產(chǎn)品都是合格的。

據(jù)5個工廠的間歇生產(chǎn)作業(yè)測試，在鹽爐和箱式電阻爐上，用相同數(shù)量的同樣工件，總重為400kg的條件下試驗(yàn)，結(jié)果表明，鹽爐生產(chǎn)比箱式電阻爐生產(chǎn)可節(jié)省電力23%以上，這是對敞開爐口的鹽爐而言，如加用爐口液面保溫技術(shù)，其節(jié)電效果會更大。

2 實(shí)現(xiàn)鹽爐自激啟動的措施和效果

當(dāng)前我國鹽爐啟動技術(shù)分為自激加熱啟動和他激加熱啟動兩大類。

具有小溶池結(jié)構(gòu)的自激加熱啟動方式的鹽爐，在小溶池工作時，難熔固態(tài)粒子在液、汽兩態(tài)運(yùn)載下混流，以高速方式向小熔池外的固態(tài)鹽噴射沖擊，從而使主電極工作面上鄰近熔化的固融體鹽加快溶化，以擴(kuò)大電極工作面上的送電面積與送電量，盡早實(shí)現(xiàn)主電極的滿負(fù)荷工作，盡早完成啟動升溫。

同時，當(dāng)小熔池內(nèi)的三態(tài)物質(zhì)在高溫高壓下被噴射出去時，小溶池內(nèi)所空出的空間立即由鄰近小溶池兩側(cè)的低溫液鹽和難熔固體粒子填充。它們又經(jīng)小熔池瞬間自激加熱形成三態(tài)高壓向外噴射。如此快速循環(huán)，直到小熔池工作停止。所以，小溶池是造熱基地，由此實(shí)施高速攪拌與撞擊，這是其它自激加熱啟動法無可比擬的。

為使主電極盡快實(shí)現(xiàn)大電流滿負(fù)荷工作，確保鹽爐快速升溫。在啟動小溶池之后，可增設(shè)若干個升溫小熔池，經(jīng)此來實(shí)施從主電極導(dǎo)通到主電極工作面全面投入工作這一段時間內(nèi)的升溫任務(wù)。

由于自激加熱啟動首先從爐底開始，所以，當(dāng)鹽爐過渡到工藝溫度要求時，爐底已完全具備了撈渣條件。采用這種自下而上的啟動加熱法，爐口液面的散熱損失在啟動升溫過程的最后階段才出現(xiàn)。因此，爐膛越深越節(jié)電，且隨啟動升溫時間的縮短而越節(jié)電。

自激加熱啟動是由電子導(dǎo)體組成的金屬電阻螺旋發(fā)熱器，或使用石墨棒間形成電孤發(fā)熱，以此來熔化鄰近的固態(tài)鹽，直至將鹽爐主電極間的固鹽熔化成一個小的通道，實(shí)現(xiàn)主電極的局部導(dǎo)通。之后，再以開放式向周圍加熱擴(kuò)大，熔化全爐膛固態(tài)鹽。這種他激加熱方式，在鹽爐主電極間導(dǎo)通前，因發(fā)熱體(金屙電阻螺旋器或石墨棒)的加熱是從上而下將周圍的固態(tài)鹽熔化并擴(kuò)展開來，且固態(tài)鹽表面沿發(fā)熱體電極柄周圍的局部地方先熔、升溫并向四周擴(kuò)大散熱面，所以其爐口熱損失很大。它與爐膛深度及啟動升溫時間的延長成正比例增加。還常出現(xiàn)浴鹽上部達(dá)到工藝溫度要求，而底部固態(tài)鹽尚未熔化的現(xiàn)象。據(jù)測定，其爐口熱損失與溫度升高(熱幅射)成4次方增加。同時，暴露在鹽面外的發(fā)熱體電極柄始終向空間散發(fā)熱量，這也加劇了熱損失。因此啟動升溫過程中的電能大部分被損失掉，這種啟動方式耗電多。

近年來，各種自激加熱啟動的方法不斷涌現(xiàn)，但是如何更好地實(shí)現(xiàn)自激加熱啟動呢?這可以從分析下述關(guān)系式入手。導(dǎo)通電壓V和電極間距L，電極間電阻率的關(guān)系式為：

對于一般冷態(tài)鹽爐來說，電極間充滿著固態(tài)鹽，故極間電阻率ρ很大，埋入式極間距離L也很大。在這種情況下，導(dǎo)通電壓是極高的。若單純用提高電壓的方法來實(shí)現(xiàn)自激啟動，顯然投資大，且操作運(yùn)行復(fù)雜，還常出現(xiàn)啟動不靈。

顯然，減少極間距離L和減少電阻率ρ都可使導(dǎo)通電壓V降低。在電極構(gòu)造設(shè)計(jì)上采用小極間距離L，并在極間內(nèi)使用預(yù)導(dǎo)質(zhì)，使極間電阻R小于3Ω。兩者的結(jié)合，就是目前推廣使用的小熔池低電壓自激加熱啟動技術(shù)。

3 爐口液面保溫是鹽爐節(jié)能的重要環(huán)節(jié)

爐口液面保溫材料有多種，以“654”保溫粉劑為較好。為了準(zhǔn)確了解其節(jié)能效果，針對不同地區(qū)、不同行業(yè)的中溫鹽爐，用不同保溫材料與節(jié)能關(guān)系進(jìn)行對比測試，結(jié)果表明都有較好的節(jié)能效果。例如，1臺100kVA中溫爐，爐膛尺寸為400×400×430mm，在850℃鹽爐靜態(tài)(不加熱工件使液面不被破壞)工作中，當(dāng)敞開爐口時每小時耗電24kWh，用木炭粉耗電18kWh，用硅酸鋁纖維保溫爐蓋每小時耗電15kWh，用“654”保溫爐蓋每小時耗電12kWh。又據(jù)另1臺75kVA鹽爐的數(shù)據(jù)，爐膛為Φ325×670mm的中溫粉劑和硅酸鋁爐蓋一起進(jìn)行保溫時每小時耗電8kWh，而敞開爐口時每小時耗電28kWh，節(jié)電為71%。在1臺100kVA、爐膛尺寸為500×450×600mm的中溫爐上，用900℃進(jìn)行測試，在“654”保溫粉劑結(jié)殼的表面溫度只有260℃，可見鹽爐液面保溫技術(shù)對節(jié)能有相當(dāng)大的作用。

4 鹽爐改造與推廣的建議

4.1 繼續(xù)研究改進(jìn)電極構(gòu)造

為使鹽爐升溫時間實(shí)現(xiàn)每升固體浴鹽由25℃升溫至850℃的時間縮短為45s(中溫鹽爐)或60s(高溫鹽爐)，就要求鹽爐主電極盡快全面投入工作。采取的措施可以是在電極構(gòu)造上實(shí)現(xiàn)多個小熔池自激加熱啟動和半埋式主電極相結(jié)合，且在鹽爐設(shè)計(jì)時，以爐膛面積能滿足最大截面的工件加熱為依據(jù)，盡可能縮小爐膛面積，加大爐膛深度，合理決定爐膛尺寸。

另外，要使主電極的工作面積與變壓器額定容量合理匹配。主電極在爐膛的分布也極為重要。如果設(shè)計(jì)合理，制造精細(xì)，使用得當(dāng)，可使中溫鹽爐電能單耗降至0.9kWh，高溫鹽爐降至1.5kWh／L，電流不平衡值在5%以內(nèi)，爐膛溫差在兩式脈沖控溫條件下也將低于49℃。

4.2 鹽爐液面保溫技術(shù)應(yīng)向方便實(shí)用和無污染方面發(fā)展

鹽爐爐溫在1000℃以內(nèi)的爐口鹽液面保溫，應(yīng)在“654”保溫粉劑的基礎(chǔ)上，研制推廣粒子狀液面保溫層技術(shù)。粒子保溫層不必結(jié)殼，因此比粉劑要燒結(jié)才能成殼更簡便，污染少、消耗少，不會粘附于加熱工件表面，不會污染淬火介質(zhì)，且保溫性能好，是一項(xiàng)很有前途的值得開發(fā)的新技術(shù)產(chǎn)品。如果研制、應(yīng)用得當(dāng)，鹽爐動態(tài)工作時可節(jié)電35%左右；靜態(tài)工作時可節(jié)電80%。

4.3 采用接觸器調(diào)整變壓器檔位

為方便使用與維修且達(dá)到好的節(jié)能效果，原有八個檔位的鹽爐變壓器的一檔、三檔和七檔可以舍去。凡少于五個檔次的鹽爐變壓器應(yīng)按上述各檔位的電壓要求增設(shè)。故應(yīng)在快速啟動技術(shù)中盡可能用接觸器替代手輪調(diào)整。

4.4 積極應(yīng)用新技術(shù)新材料

鹽爐改造是一項(xiàng)綜合工程，涉及各種新型耐火、保溫材料，以及一些先進(jìn)的儀器儀表的應(yīng)用，因此，在鹽爐改造中應(yīng)該盡量采用當(dāng)代新技術(shù)、新材料，不斷完善鹽爐技術(shù)和控溫的自動化。

4.5 研究推廣微機(jī)在鹽爐上的應(yīng)用

微處理機(jī)發(fā)展很快，在鹽爐技術(shù)改造中應(yīng)盡早引入微機(jī)來推動鹽爐自身的技術(shù)改造，并及早建立鹽爐加熱工件和滲層的生產(chǎn)線。