空气电阻炉清洁化生产及应用

高晓婷

（中国空空导弹研究院，河南洛阳 471003）

0 前言

随着我国能源需求大幅增长，环境保护形势严峻，越来越多的企业需要清洁化生产。热处理行业是消耗能源的大户，其用电量约占机械工业用电总量的25%～30%。虽然我国热处理技术有了很大的进步，但至今仍大量使用着一些陈旧设备，热效率低，清洁化生产潜力很大。

目前，45 kW箱式炉、90 kW井式炉和160 kW井式炉，由于设备使用时间长，有炉衬材料落后、密封不严等缺点，设备存在升温时间增长、设备表面温度过高、加热元件维修频率高、能耗高、热效率低等问题，大大增加了生产运行成本。因此，通过技术改进，从设备炉衬结构、炉衬材料、密封和设备附件等方面入手，提高设备热效率和工作效率，降低生产运行成本，实现清洁化生产。

1 设备存在的问题及原因

45 kW箱式炉、90 kW井式炉和160 kW井式炉承担了合金钢、结构钢零件的淬火、回火、固溶、时效等热处理，使用频率高，每天工作12 h以上，是分厂耗能较大的设备。改造前电阻炉的基本情况见表1。

表1 电阻炉基本情况

1.1 密封不严，设备表面温度高，升温时间长

RJX－45设备炉门多数采用耐火砖砌造，有蓄热量大、保温性和炉门密闭不严等缺点，长时间使用时，炉砖变形脱落，在炉门开起与关闭时存在炉门松动、炉口封不严的问题，达不到理想的保温效果。当炉门开启0.2 m2，热能损耗会增加15%。45 kW箱式炉炉门处缝隙约为9～11 mm，热量从炉门处损失严重，造成设备表面温度较高（约60℃），高于国家标准。并且升温时间较长，冷炉升温时长约4 h，大大增加了能源消耗。90 kW和160 kW井式炉使用时间较长，炉盖处密封圈老化、变形，密封不严，同样会造成热量损耗（图1）。而且井式炉炉膛犹如烟囱，当炉门处密封不严时会溢出热空气，导致炉子温度偏低、升温缓慢等现象。

1.2 炉衬老化变形严重（图2）

黏土质耐火砖因为原料丰富，成本较低，使其在各种加热炉、热处理炉、冲天炉和干燥炉中得到了大量的应用，主要优点是热震稳定性较好，耐急冷急热次数可达10～15次，但在高温下抗机械振动性能差，容易造成炉砖

开裂，使得设备保温性能下降。造成炉砖开裂的主要原因有：

（1）线膨胀率低。在0～1000℃的范围内，线膨胀率仅为0.6%～0.7%。当温度达到1200℃后再继续升温时，体积开始收缩。残余收缩会导致砌体灰缝的松裂，最终导致砖体松裂。

（2）荷重软化温度低。

（3）高温下抗机械强度较差。电阻炉在长时间使用下，老化变形严重，电阻炉保温性能差。

（4）热导率较高，使电阻炉炉墙增厚，增加成本，且保温性能差。

图1 密封圈老化

图2 炉门砖脱落和炉砖老化变形

1.3 炉体侧面电阻丝损坏严重

工作时，操作者高温钩取零件时容易造成箱式炉炉体侧面托丝砖撞伤损坏，严重影响设备正常运行和产品加工质量。故障率高，是长期困扰热处理箱式炉加工的难题。

2 改进方案

2.1 主要改进内容

热处理设备的节能主要取决于炉衬的砌筑结构和耐火材料的选择，而耐火材料的选择，可显著提高热处理炉的节能效果。

2.1.1 炉衬结构改进

160 kW井式炉深3 m，炉衬要在保证炉子结构强度和耐热度的前提下，尽量提高保温能力和减少储蓄热，因此保证160 kW井式炉结构强度是改进难点之一。而单纯依靠增加炉衬厚度来降低内外壁温度是不合适的，因为这样不仅会增加炉衬储蓄热成本，还会减少炉底面积（或炉膛）的有效利用率。常用炉衬为炉砖砌筑、炉砖和耐火纤维混合砌筑、全部由耐火纤维砌筑。

（1）从炉衬厚度选择。炉砖砌筑的炉衬厚度最厚，炉砖和耐火纤维混合砌筑次之，耐火纤维砌筑炉衬最薄，约150 mm，能够节约空间一半以上。

（2）从保温效果选择。各种耐火材料内外壁温差如表2所示[3]。其中，耐火纤维厚度最小，内外温差最大，保温效果最好。

表2 各种耐火材料内外壁温差

（3）从蓄热量选择。炉砖砌筑的炉衬单位面积蓄热量qx是全纤维炉衬3.5倍左右，混合砌筑处于中间，因此全纤维炉衬蓄热量最小，升温速度最快。

（4）从全热损失选择。全纤维炉衬热损失最小，约为黏土炉砖的一半左右。

（5）从电能节约方面选择。连续工作一周（144 h）后，对比发现全纤维炉衬节能效果最好。

综上所述，实现炉衬纤维化和轻质化，有节能效果。最后一种方案最优，应优先考虑。

2.1.2 炉衬材料改进

炉衬材料的作用是保持炉膛温度，使炉膛形成良好的温度均匀度和减少炉内热量损失。目前，耐火纤维由于其具有优异的保温隔热性能而成为了节能材料的开发热点[4－6]。

耐火纤维也称陶瓷纤维，除了具有柔软、有弹性、有一定抗拉强度等优点外，还具有耐腐蚀性能、耐高温性能，还具有良好的热能力和红外加热效应。生产实践证明，将耐火纤维应用于连续加热工业炉可节能15%以上，用在间歇式工业加热炉可节能30%以上。同时，可以提高生产效率和改善产品质量，实现炉体结构轻型化、大型化。

从耐火纤维基本特性出发，根据热处理设备日常使用温度，选择工作温度为1260℃的高铝硅酸铝耐火纤维，对3台设备炉衬进行重新砌筑，改造后设备情况如图3所示。

2.1.3 密封改进

改进后，45 kW箱式炉炉门采用全纤维炉衬，替换了之前耐火砖砌筑的炉门，炉门密封紧密，保温性能大大提高（图4）。

2.1.4 炉底板改进

为了不影响炉温均匀性，将炉底板加高200 mm，并在周围均匀分布Φ20 mm的孔（图5），有效减少了炉丝的损坏频率，操作者几乎不会碰坏设备底部炉丝。

2.2 改进后效果

2.2.1 45 kW箱式炉

改进后设备表面温度降为室温；炉温均匀性变好；室温升至800℃需要2 h，比改造前减少2 h；保温阶段功率输出为45%，比改造前减少10%；由于升温时间缩短，平均每天工作时常缩短至10 h，工作效率提高17%左右，如表3所示。

2.2.2 90 kW井式炉

炉膛全部采用耐火纤维保温，炉盖密封压紧时采用石棉盘根。改造后设备表面温度降为室温；炉温均匀性变好；室温升至800℃需要2 h，比改造前减少3 h；保温阶段功率输出为20%，比改造前减少10%；由于升温时间缩短，平均每天工作时常缩短至8 h，工作效率提高25%左右（表3）。

图3 改造后的炉衬

图4 改进后炉门

图5 炉底板改进前后对比

表3 改进前后设备指标对比

2.2.3 160 kW井式炉

炉膛全部采用耐火纤维保温，炉盖密封压紧时采用石棉盘根。改造后：设备表面温度降为室温；炉温均匀性变好；室温升至800℃需要2 h，比改造前减少3 h；保温阶段功率输出为25%，比改造前减少7%；由于升温时间缩短，平均每天工作时常缩短至7h，工作效率提高30%左右。如表3所示。

3 节约能源计算

设备每年耗费电能计算公式：

式中 W——电能，kW·h

k升——升温时输出功率比例，100%

k保—— —保温时输出功率比例，%

P —— —设备功率，kW

t升—— —工作时间中升温时间，h/d

t保—— —工作时间中保温时间，h/d

表4 改进前后工作时间内保温时间对比h/d

从经济效益、运行成本方面考虑，空气电阻炉采用全纤维炉衬时，比采用耐火砖炉衬更节能。因此，热处理应优先选择采用全耐火纤维炉衬的电阻炉，以满足企业清洁化生产要求。

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

经改进，每年节电 27 720+73 260+155 584＝256 564 kW·h，3台设备节约电能如图6所示。

4 经济效益评价

图6 设备改造前后消耗电能对比

炉底板改进后，有效减少了箱式炉底部炉丝的损坏频率。按每台设备每次维修0.2万元人民币，每年进行6次维修，每年3台设备合计可以节省大修费用3.6万元人民币。炉衬改进后，设备炉温均匀性提高，设备更加精确，增加了零件热处理质量一致性，减小了因设备温差造成的不合格因素。改进后，设备升温速度提高50%以上，工作时间缩短，工作效率提高17～30%。

改进后，设备每年节电256 564 kW·h，按目前尖峰电平均价格0.8元/kW·h计算，每年可节约电费20.5万元人民币。项目费用为16.8万元人民币，静态投资回收期为0.8 a。

5 结论

［1］许建选.加热炉节能改造评价［J］.石油石化节能，2014（1）：21－22.

［2］张云江.升降式全耐火纤维炉门挤压密封装置［J］.金属加工热加工，2013（S1）：79－80.

［3］中国机械工程学会热处理学会.热处理手册——热处理设备和工辅材料［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［4］赵镇魁，哈志强.试谈耐火纤维窑炉内衬［J］.砖瓦，2014（3）：13－18.

［5］王鲁.陶瓷纤维模块在工业炉中的应用与实践［J］.耐火材料，2011，4（45）：146－148.

［6］李世光，王晓红.全纤维加热炉炉衬的设计、施工与应用［J］.应用能源技术，2014（4）：30－31.