空氣電阻爐清潔化生產及應用

高曉婷

（中國空空導彈研究院，河南洛陽 471003）

0 前言

隨著我國能源需求大幅增長，環境保護形勢嚴峻，越來越多的企業需要清潔化生產。熱處理行業是消耗能源的大戶，其用電量約占機械工業用電總量的25%～30%。雖然我國熱處理技術有了很大的進步，但至今仍大量使用著一些陳舊設備，熱效率低，清潔化生產潛力很大。

目前，45 kW箱式爐、90 kW井式爐和160 kW井式爐，由于設備使用時間長，有爐襯材料落后、密封不嚴等缺點，設備存在升溫時間增長、設備表面溫度過高、加熱元件維修頻率高、能耗高、熱效率低等問題，大大增加了生產運行成本。因此，通過技術改進，從設備爐襯結構、爐襯材料、密封和設備附件等方面入手，提高設備熱效率和工作效率，降低生產運行成本，實現清潔化生產。

1 設備存在的問題及原因

45 kW箱式爐、90 kW井式爐和160 kW井式爐承擔了合金鋼、結構鋼零件的淬火、回火、固溶、時效等熱處理，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，設備表面溫度高，升溫時間長

RJX－45設備爐門多數采用耐火磚砌造，有蓄熱量大、保溫性和爐門密閉不嚴等缺點，長時間使用時，爐磚變形脫落，在爐門開起與關閉時存在爐門松動、爐口封不嚴的問題，達不到理想的保溫效果。當爐門開啟0.2 m2，熱能損耗會增加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重，造成設備表面溫度較高（約60℃），高于國家標準。并且升溫時間較長，冷爐升溫時長約4 h，大大增加了能源消耗。90 kW和160 kW井式爐使用時間較長，爐蓋處密封圈老化、變形，密封不嚴，同樣會造成熱量損耗（圖1）。而且井式爐爐膛猶如煙囪，當爐門處密封不嚴時會溢出熱空氣，導致爐子溫度偏低、升溫緩慢等現象。

1.2 爐襯老化變形嚴重（圖2）

黏土質耐火磚因為原料豐富，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用，主要優點是熱震穩定性較好，耐急冷急熱次數可達10～15次，但在高溫下抗機械振動性能差，容易造成爐磚

開裂，使得設備保溫性能下降。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，線膨脹率僅為0.6%～0.7%。當溫度達到1200℃后再繼續升溫時，體積開始收縮。殘余收縮會導致砌體灰縫的松裂，最終導致磚體松裂。

（2）荷重軟化溫度低。

（3）高溫下抗機械強度較差。電阻爐在長時間使用下，老化變形嚴重，電阻爐保溫性能差。

（4）熱導率較高，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 爐體側面電阻絲損壞嚴重

工作時，操作者高溫鉤取零件時容易造成箱式爐爐體側面托絲磚撞傷損壞，嚴重影響設備正常運行和產品加工質量。故障率高，是長期困擾熱處理箱式爐加工的難題。

2 改進方案

2.1 主要改進內容

熱處理設備的節能主要取決于爐襯的砌筑結構和耐火材料的選擇，而耐火材料的選擇，可顯著提高熱處理爐的節能效果。

2.1.1 爐襯結構改進

160 kW井式爐深3 m，爐襯要在保證爐子結構強度和耐熱度的前提下，盡量提高保溫能力和減少儲蓄熱，因此保證160 kW井式爐結構強度是改進難點之一。而單純依靠增加爐襯厚度來降低內外壁溫度是不合適的，因為這樣不僅會增加爐襯儲蓄熱成本，還會減少爐底面積（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，能夠節約空間一半以上。

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

表2 各種耐火材料內外壁溫差

（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）從電能節約方面選擇。連續工作一周（144 h）后，對比發現全纖維爐襯節能效果最好。

綜上所述，實現爐襯纖維化和輕質化，有節能效果。最后一種方案最優，應優先考慮。

2.1.2 爐襯材料改進

爐襯材料的作用是保持爐膛溫度，使爐膛形成良好的溫度均勻度和減少爐內熱量損失。目前，耐火纖維由于其具有優異的保溫隔熱性能而成為了節能材料的開發熱點[4－6]。

耐火纖維也稱陶瓷纖維，除了具有柔軟、有彈性、有一定抗拉強度等優點外，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。生產實踐證明，將耐火纖維應用于連續加熱工業爐可節能15%以上，用在間歇式工業加熱爐可節能30%以上。同時，可以提高生產效率和改善產品質量，實現爐體結構輕型化、大型化。

從耐火纖維基本特性出發，根據熱處理設備日常使用溫度，選擇工作溫度為1260℃的高鋁硅酸鋁耐火纖維，對3臺設備爐襯進行重新砌筑，改造后設備情況如圖3所示。

2.1.3 密封改進

改進后，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

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，操作者幾乎不會碰壞設備底部爐絲。

2.2 改進后效果

2.2.1 45 kW箱式爐

改進后設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%；由于升溫時間縮短，平均每天工作時常縮短至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，爐蓋密封壓緊時采用石棉盤根。改造后設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%；由于升溫時間縮短，平均每天工作時?？s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 改進后爐門

圖5 爐底板改進前后對比

表3 改進前后設備指標對比

2.2.3 160 kW井式爐

爐膛全部采用耐火纖維保溫，爐蓋密封壓緊時采用石棉盤根。改造后：設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%；由于升溫時間縮短，平均每天工作時?？s短至7h，工作效率提高30%左右。如表3所示。

3 節約能源計算

設備每年耗費電能計算公式：

式中 W——電能，kW·h

k升——升溫時輸出功率比例，100%

k?！?—保溫時輸出功率比例，%

P —— —設備功率，kW

t升—— —工作時間中升溫時間，h/d

t保—— —工作時間中保溫時間，h/d

表4 改進前后工作時間內保溫時間對比h/d

從經濟效益、運行成本方面考慮，空氣電阻爐采用全纖維爐襯時，比采用耐火磚爐襯更節能。因此，熱處理應優先選擇采用全耐火纖維爐襯的電阻爐，以滿足企業清潔化生產要求。

（1）45 kW 箱式爐 W節＝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＝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＝W前－W后＝（100%×160×6+32%×160×6）×220－（100%×160×2+25%×160×6）×220＝155 584 kW·h。

經改進，每年節電 27 720+73 260+155 584＝256 564 kW·h，3臺設備節約電能如圖6所示。

4 經濟效益評價

圖6 設備改造前后消耗電能對比

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

改進后，設備每年節電256 564 kW·h，按目前尖峰電平均價格0.8元/kW·h計算，每年可節約電費20.5萬元人民幣。項目費用為16.8萬元人民幣，靜態投資回收期為0.8 a。

5 結論

［1］許建選.加熱爐節能改造評價［J］.石油石化節能，2014（1）：21－22.

［2］張云江.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］中國機械工程學會熱處理學會.熱處理手冊——熱處理設備和工輔材料［M］.北京:機械工業出版社，2013.

［4］趙鎮魁，哈志強.試談耐火纖維窯爐內襯［J］.磚瓦，2014（3）：13－18.

［5］王魯.陶瓷纖維模塊在工業爐中的應用與實踐［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計、施工與應用［J］.應用能源技術，2014（4）：30－31.