氫氣保護(hù)超寬幅鉬板加熱爐的設(shè)計和應(yīng)用

梁香寧

(西安博萊爐業(yè)科技股份有限公司，陜西 西安 710021)

0 引 言

目前，在鎢、鉬及其合金的加工行業(yè)中，主要廠家采用氫氣保護(hù)電阻加熱爐和感應(yīng)加熱爐來進(jìn)行加熱。氫氣作為鎢鉬加熱爐中的重要介質(zhì)，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本有重要影響。鎢鉬行業(yè)多采用氫氣保護(hù)加熱爐進(jìn)行加熱處理，過去常規(guī)感應(yīng)爐和電阻爐，只限于一些板幅較小的板材加熱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了目前超寬幅(1 m)以上板材的加熱需要。我公司根據(jù)使用單位的工藝要求，研制了鉬板加熱電阻爐，已投入使用多臺設(shè)備，取得了較好的使用效果，獲得用戶的認(rèn)可。目前國內(nèi)最大的鉬板加熱電阻爐由我公司設(shè)計制造，并投入使用。

1 氫氣在對鎢、鉬加熱爐使用中的影響

1.1 對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

常溫下鉬在空氣中是穩(wěn)定的，當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時開始發(fā)生輕微的氧化，當(dāng)達(dá)到600 ℃后則會發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)而生成三氧化鉬。常溫下，鎢在空氣中穩(wěn)定，但在400～500 ℃開始出現(xiàn)明顯氧化，形成藍(lán)黑色的致密的三氧化鎢[1]。因此在鎢鉬加熱過程中，為了防止鎢鉬制品在加熱過程中出現(xiàn)氧化，需要將加熱產(chǎn)品用氫氣作為保護(hù)氣體與空氣完全隔絕，避免影響產(chǎn)品的質(zhì)量。實踐證明，高溫下氫氣的量越足，處理產(chǎn)品的品質(zhì)越高。

1.2 對爐膛內(nèi)熱場的影響

鎢、鉬板材加熱電阻爐多采用鉬或鎢絲作為加熱元件，利用加熱元件對原材料進(jìn)行輻射加熱。在各種氣體中，氫氣具有較高的熱導(dǎo)率(見表1)[2]，因此在電阻爐中通入氫氣，利用氫氣的流動將加熱元件的熱量進(jìn)行了傳輸，增加了對流傳熱的作用，在加熱爐使用過程中通過對氫氣流量和壓力及氣流通道的控制，極大地提高了爐膛內(nèi)溫度的均勻性。根據(jù)我公司近年來為多家鎢、鉬廠家提供的電阻爐使用情況來看，電阻爐爐膛均溫區(qū)的溫度偏差均控制在±10 ℃。

表1 標(biāo)準(zhǔn)氣壓、0℃時各種氣體的相對熱導(dǎo)率 W/m. K

1.3 對生產(chǎn)成本的影響

對于鎢、鉬加熱設(shè)備，在生產(chǎn)過程中必須采用保護(hù)氣氛進(jìn)行加熱處理，有些廠家在實際生產(chǎn)過程中采用充氮氣或氬氣進(jìn)行保護(hù)。從原料成本上來說，氬氣的成本較高，使用氬氣作為保護(hù)氣氛最終會造成生產(chǎn)成本的增加。另外，充氮氣或氬氣，當(dāng)爐門打開進(jìn)出料時，爐口處不能做到完全密封，爐膛內(nèi)加熱元件會出現(xiàn)氧化，減低其使用壽命，從而增加了生產(chǎn)成本。有些廠家采用氮氣和氬氣進(jìn)行保護(hù)，爐內(nèi)加熱元件頻繁損壞(見圖1)。

圖1 加熱元件損壞

2 鉬板加熱電阻爐的設(shè)計和應(yīng)用

2.1 爐 殼

爐殼采用焊接式鋼結(jié)構(gòu)框架，保證焊接的密封性。由于氫氣密度小于空氣，爐殼進(jìn)氣口設(shè)置在上部，排氣口設(shè)置在下部，在排氣口處有長明火咀，工作時將排出的廢氣點燃，確保設(shè)備和工作環(huán)境安全。爐口處有水冷套，爐門采用新型結(jié)構(gòu)[2]，保證了爐口的氣密性。同時，出于安全考慮，在爐頂部設(shè)有防爆裝置。

2.2 爐 襯

爐襯采用磚砌爐襯和耐火纖維爐襯組合形式，磚砌爐襯由耐火層和隔熱層組成，根據(jù)不同的使用溫度選用剛玉、莫來石、氧化鋁磚等，爐底灰縫不大于2 mm。由于耐火纖維制品的熱導(dǎo)率低、密度小，比熱容與普通耐火磚接近，因此與磚砌爐襯相比，其散熱損失和蓄熱損失大大減小，因此爐體側(cè)墻和爐頂可采用耐火纖維爐襯[4]。

2.3 加熱元件

加熱元件是電阻爐的核心，關(guān)系到爐子的工作性能和使用壽命。由于鉬在還原氣氛中，抗腐蝕性極好，耐高溫，電阻率較小，電阻溫度系數(shù)高，因此在高溫氫氣爐中選擇鉬作為加熱元件非常合適。表2列出了鉬在不同溫度時的電阻率。

表2 鉬在不同溫度下的電阻率

加熱元件通常為鉬帶或鉬絲，鉬帶雖然使用壽命長，可靠性高，但制造成本高。綜合考慮，鉬板加熱電阻爐采用鉬絲作為加熱元件[5]。

3 其他附屬設(shè)備

3.1 爐口火封裝置

傳統(tǒng)的鎢、鉬加熱爐只是在爐內(nèi)通有保護(hù)氫氣，在爐外沒有保護(hù)，因此在高溫材料從爐內(nèi)取出時，因為爐膛內(nèi)壓力的降低，造成爐外空氣進(jìn)入爐內(nèi)，增加的火封裝置能夠在爐口形成火簾，阻止空氣進(jìn)入爐內(nèi)，保持爐內(nèi)氣氛穩(wěn)定，同時避免爆炸。

火封裝置設(shè)置在爐口進(jìn)出料的位置，在爐口進(jìn)出料位置通入氫氣形成一道屏障將爐外與爐內(nèi)隔開，保持爐內(nèi)有足夠的氫氣進(jìn)行保護(hù)，使原料在爐口不會瞬間氧化，提高產(chǎn)品成品率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

火封裝置供氣系統(tǒng)見圖2，首先打開氮氣管路閥門，對管道進(jìn)行吹掃，20 s后火簾管氫氣管路閥門打開，火簾管道的氫氣被長明火引燃，調(diào)節(jié)至使噴出的火焰高度能封住爐口為限。

火簾管的結(jié)構(gòu)形式有鉆孔噴口式、開槽噴口式、豎管噴口式和套筒噴口式等，噴口直徑一般取φ2～3 mm，噴口間距5～12 mm，火簾管有效長度與被封孔洞寬度一直。火簾管流通截面應(yīng)為噴口總截面的2～3倍，一般采用DN40～DN65的低壓流體輸送鋼管。具體見圖3。

圖2 火封裝置供氣系統(tǒng)圖

圖3 火簾管結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 防爆裝置

防爆裝置的作用是，當(dāng)可燃?xì)怏w意外爆炸(急劇燃燒)時使膨脹氣體能迅速排出，避免發(fā)生事故。對于氫氣保護(hù)電阻爐，必須設(shè)置防爆裝置。防爆口的面積按照經(jīng)驗公式和計算：

A=0.025V

式中:A—防爆口面積(m2)

V—可燃?xì)怏w的容積( m3)

3.3 排 氣

為了調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力使之維持一定值，鉬板加熱電阻爐通常要求爐膛壓力保持在101 kPa左右。排氣裝置通常有水封排氣和閥門排氣，閥門排氣簡單，但容易吸入空氣，安全性差，因此在實際使用中常采用用水封排氣，如圖4所示。

圖4 水封結(jié)構(gòu)圖

3.4 加熱電阻爐充氣

在加熱爐內(nèi)通氫氣保護(hù)之前，首先要充入氮氣(20 kPa)進(jìn)行爐腔內(nèi)空氣的置換，通過合理調(diào)節(jié)氮氣流量的大小，向爐腔內(nèi)充氮氣進(jìn)行置換，時間根據(jù)爐膛的尺寸和氮氣流量以及壓力的大小具體確定。氮氣置換結(jié)束后，充入氫氣(20 kPa)置換爐腔中的氮氣，結(jié)束后要在爐底的取樣口和水封排氣口出分別取樣做鳴爆實驗，實驗合格后方可進(jìn)行水封排氣點火。

4 鉬板加熱電阻爐在使用中注意的問題

(1)在加熱升溫過程中，要嚴(yán)格控制升溫速度，由于加熱絲為鉬絲，鉬的溫度系數(shù)大，如果升溫速度太快，容易導(dǎo)致局部過熱，降低加熱絲使用壽命，增加故障率和維修率，提高了生產(chǎn)成本。

(2)電阻爐加熱過程中，首次打開爐口爐門之前應(yīng)確保爐口長明火完全點燃，否則不能進(jìn)行開關(guān)爐門操作。

(3)必須保證水封排氣內(nèi)水面的高度。水位過高，爐內(nèi)壓力增加，水封有可能不能順利排氣。水位過低，水封密封效果降低，一旦無水，后果非常嚴(yán)重。

5 結(jié) 論

氫氣作為保護(hù)氣氛在鎢、鉬加熱爐中使用，從生產(chǎn)成本，產(chǎn)品質(zhì)量各方面都有重要的影響。我公司開發(fā)的鉬板加熱電阻爐，結(jié)合近年來多臺設(shè)備的實際生產(chǎn)使用情況，相比傳統(tǒng)的生產(chǎn)線上的加熱爐，生產(chǎn)效率高，電能消耗低，爐體密封性好，加熱元件使用壽命延長，設(shè)備運(yùn)行安全可靠，維護(hù)成本顯著降低，取得了良好的成效。