熱處理爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)研討

南京攝爐(集團(tuán))有限公司(江蘇 210033)吳光治 吳 越 劉忠國 袁 蓉 張春華 鄭曉強(qiáng) 貝永平

一、前言

在現(xiàn)代裝備制造業(yè)中的熱處理是耗能大戶。通常熱處理用電占企業(yè)用電總量的25%～30%，工具、軸承廠等則占60%左右。據(jù)稱，全國熱處理行業(yè)中現(xiàn)有工業(yè)電熱裝置（以75kW 為一標(biāo)準(zhǔn)臺計）約有15萬臺，總裝機(jī)容量1100萬kW，年生產(chǎn)能力近4500萬t，年實際生產(chǎn)能力約為1350萬t，耗電總量約100億kW·h。熱處理工業(yè)電熱裝置的能耗約占制造業(yè)總能耗的1/4～1/3。

20世紀(jì)70年代，歐洲熱處理單位能耗降到400kW·h/t以下，日本降到300kW·h/t以下，而我國同期的熱處理能耗達(dá)1200～1300kW·h/t，“十一五”期末降至600kW·h/t 左右，雖然有了很大的進(jìn)步，但仍高于70 年代的世界先進(jìn)水平。

我國是一個能源短缺的國家，實現(xiàn)熱處理的節(jié)能對于我國裝備制造業(yè)的節(jié)能降耗意義十分重大。我國熱處理行業(yè)的能源利用率低，究其原因，首先是熱處理設(shè)備陳舊，還有不少是爐齡達(dá)30～40年的箱式爐、井式爐和鹽浴爐（俗稱老三爐），它們的爐襯蓄熱量大，爐壁溫升高，散熱損失大，保溫性能差。其次是工藝保守，沿襲傳統(tǒng)熱處理工藝的電阻爐約占90%以上。另外，設(shè)備管理落后，負(fù)載率和利用率低，導(dǎo)致能耗很高。而高效、優(yōu)質(zhì)、低污染、環(huán)保型的氣氛爐及真空爐等則占不到電阻加熱爐設(shè)備總數(shù)的30%。而發(fā)達(dá)國家對熱處理工藝過程的控制已向著自動化、智能化和柔性化的方向發(fā)展。

熱處理對環(huán)境的污染也十分嚴(yán)重，由于熱處理生產(chǎn)的特點，其設(shè)備和工藝材料在生產(chǎn)過程中會造成環(huán)境污染。尤其是陳舊的設(shè)備和工藝材料所產(chǎn)生的“三廢”排放問題，主要的污染形式有空氣污染、水污染、固體廢棄物污染、輻射污染和噪聲污染等。據(jù)不完全統(tǒng)計，全行業(yè)每年約有5000t淬火油由于蒸發(fā)或局部燃燒，產(chǎn)生對人體有害的CmHn（碳?xì)浠衔铮?、CO及煙塵等；約有近萬噸的廢淬火油因排放不當(dāng)而污染江湖河海；每年鹽浴爐要生成鹽蒸氣7000多t和近萬噸的有害廢渣；燃煤加熱爐要排放SO21.5萬t，灰分8.5萬t；噴丸（砂）機(jī)要產(chǎn)生SiO2和有害粉塵1萬多t。近年來，城鎮(zhèn)化建設(shè)，熱處理廠點的改制，市政動遷，污染又逐步從中心城區(qū)向著郊區(qū)農(nóng)村蔓延。由此可見，熱處理的能耗很高，污染環(huán)境嚴(yán)重。所以，節(jié)能環(huán)保成為行業(yè)的熱門話題，加強(qiáng)熱處理的節(jié)能減排成為行業(yè)實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

二、間歇作業(yè)熱處理爐的節(jié)能措施

熱處理爐按其作業(yè)方式可分為間歇式作業(yè)爐和連續(xù)式作業(yè)爐兩大類。常見的普通間歇式電阻爐主要有箱式爐、井式爐、鹽浴爐和流動粒子爐等，此類電阻爐的品種規(guī)格最多。間歇作業(yè)電阻爐的節(jié)能措施主要是積極采用節(jié)能爐襯和改進(jìn)爐體結(jié)構(gòu)。

1.爐襯設(shè)計改進(jìn)

（1）爐襯的一般結(jié)構(gòu) 通常，爐溫低于300℃時，爐襯為鋼板夾層中填充保溫材料；當(dāng)爐溫達(dá)700℃時，爐襯耐火層可用輕質(zhì)粘土磚，在耐火層與爐殼之間填充保溫材料（如膨脹蛭石粉）；當(dāng)爐溫為700～1000℃時，小型、中型爐子采用輕質(zhì)粘土磚作耐火層，硅藻土磚外加蛭石粉作隔熱保溫層，大型爐子砌體強(qiáng)度要求較高，耐火層要用重質(zhì)粘土磚砌筑；當(dāng)爐溫為1000～1300℃時，爐壁由高鋁磚、輕質(zhì)粘土磚和保溫材料三層組成。置放電熱元件的擱磚，常用高鋁質(zhì)的。中溫、高溫爐的保溫層與爐殼之間常有一層5～10mm的石棉板。

（2）節(jié)能爐襯的設(shè)計 所謂最佳爐襯都是在一定條件下的，當(dāng)條件變化時，其他爐襯結(jié)構(gòu)就可能代替最佳位置。例如，當(dāng)加熱工藝周期要求短（單班生產(chǎn)）時可以優(yōu)先考慮全纖維爐襯；若加熱周期特別短，可以考慮貼面法；當(dāng)加熱工藝周期要求較長，則選用復(fù)合爐襯更佳。

（3）節(jié)能爐襯的優(yōu)化組合 在考慮電爐的節(jié)能問題時，不僅要注意節(jié)能爐襯的優(yōu)化設(shè)計，還應(yīng)重視節(jié)能爐襯的優(yōu)化組合，即應(yīng)針對不同部位爐襯的服役條件，分別選用不同結(jié)構(gòu)的節(jié)能爐襯，從而保證爐子長期、可靠地工作，獲得預(yù)期的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)然，在確定優(yōu)化組合方案時，還要考慮筑爐材料的質(zhì)量和成本，以及各廠自身的筑爐經(jīng)驗和技術(shù)水平，不能一概而論。

2.爐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為改善熱處理爐質(zhì)量特性，近年來在結(jié)構(gòu)方面有以下變化和發(fā)展。

（1）爐子外形 在可能情況下，為減少爐殼表面散熱，爐殼由方形截面改為圓形截面，表面積可減少10%～15%。

（2）爐膛尺寸 在電阻絲布置允許的條件下，盡量降低爐膛高度，可縮短空爐升溫時間和提高工件加熱速度。如原45kW箱式爐爐膛高度為500mm，現(xiàn)已成為400mm。

（3）加強(qiáng)爐子密封 原有熱處理爐的爐門、爐蓋和熱電偶測溫及電熱元件引出孔等處的密封性不夠好，在這些部位容易產(chǎn)生漏熱。據(jù)測定，一個10cm2的小孔，每小時侵入爐內(nèi)的空氣可高達(dá)10m3。通常，一個1cm2小孔的熱損失比爐殼表面熱損失大50倍左右?？自酱笤絿?yán)重。因此，需采取措施加強(qiáng)密封，并注意減少爐口變形。

（4）采用空氣保溫夾層 根據(jù)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小（在60～100℃時為0.1029～0.1134kJ/m·h·℃），大大低于目前最好的保溫材料，以及在密閉條件下有較大的熱惰性特點，在爐子的前后墻和側(cè)墻，采用雙金屬爐殼空氣保溫夾層，夾層厚度為63mm左右，改造后獲得高效節(jié)能的良好效果。

三、連續(xù)作業(yè)熱處理爐生產(chǎn)線的節(jié)能措施

連續(xù)作業(yè)電阻加熱裝置生產(chǎn)線是近代發(fā)展最快、使用日益增多的一類熱處理設(shè)備，尤其是連續(xù)作業(yè)式可控氣氛爐。其中，在生產(chǎn)上使用最多的是連續(xù)式氣體滲碳爐。30年多來，圍繞提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，降低處理成本、節(jié)能環(huán)保，連續(xù)作業(yè)式可控氣氛爐發(fā)生了根本性的變革，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）應(yīng)用新材料 不斷開發(fā)并應(yīng)用優(yōu)質(zhì)的耐火材料、保溫材料、爐內(nèi)耐熱材料、電熱體材料等，使相應(yīng)的附屬裝置及元器件更為先進(jìn)。

（2）改善結(jié)構(gòu) 在爐體結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)等方面有重大改進(jìn)，如磚和纖維組合的層狀絕熱結(jié)構(gòu)、高密度耐火纖維真空成形結(jié)構(gòu)等，在爐體外形上為減少散熱，爐殼由方形截面改為圓形截面等。

（3）采用氮基氣氛 采用優(yōu)質(zhì)價廉的氮基氣氛代替吸熱式氣氛，采用爐頂配置氣體發(fā)生裝置，如發(fā)生氣體直接送入爐內(nèi)（不經(jīng)冷卻）的方式或直生式。

（4）測控技術(shù)先進(jìn) 采用先進(jìn)可靠的傳感器、儀表和控制技術(shù)。氧探頭高精度自動控制方式日益普及，計算機(jī)控制技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用。

（5）重視輔助設(shè)備改進(jìn) 配置新一代清洗裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三氯乙烯清洗方式，注意回收排氣作為輔助熱源加以利用，或送回氣體發(fā)生裝置內(nèi)，經(jīng)過調(diào)整再作爐內(nèi)氣氛使用等。

（6）智能化 智能化自動化的熱處理爐生產(chǎn)線的進(jìn)步發(fā)展。

連續(xù)作業(yè)式可控氣氛熱處理爐的發(fā)展，要在保證熱處理工件高質(zhì)量的前提下，立足于提高性能、節(jié)能減排和降低成本，向著高生產(chǎn)率發(fā)展，不斷改造并完善連續(xù)式熱處理爐的結(jié)構(gòu)，采用優(yōu)質(zhì)爐用材料，合理減輕構(gòu)件重量，充分利用余熱，降低能耗，發(fā)展節(jié)能減排爐型，采用先進(jìn)的智能化的測控技術(shù)，如各加熱區(qū)巡回控制，采用觸摸屏PLC模塊，碳控儀（包括氧探頭和氫探頭）進(jìn)行氣氛精密控制，同時注重遠(yuǎn)程監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)故障自診斷技術(shù)以及云計算技術(shù)的應(yīng)用，使連續(xù)作業(yè)熱處理爐生產(chǎn)線不斷升級、節(jié)能減排、智能化、精密化，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。計算機(jī)軟件技術(shù)與熱處理節(jié)能減排技術(shù)的緊密結(jié)合，促進(jìn)了熱處理裝備的自動化和智能化，降低了人工與生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

四、新型節(jié)能爐襯的應(yīng)用

熱處理爐的爐襯一般分為兩層，一層是耐火層，另一層是隔熱保溫層。用于耐火層的材料必須是耐火材料；隔熱保溫層常用保溫材料。

1.耐火制品的發(fā)展

早期，熱處理爐采用的耐火材料，主要是密度較大的粘土磚和高鋁磚。粘土磚的主要成分是Al2O3（含量小于48%）和SiO2。高鋁磚的特點是Al2O3含量大于48%，性能穩(wěn)定，不與電熱元件發(fā)生化學(xué)作用，常用于高溫爐和鹽浴爐的內(nèi)襯砌磚，以及電熱元件擱磚和套管等。過去用于耐火層的粘土磚和高鋁磚的密度通常在1.3g/cm3左右。這類材料能滿足熱處理爐耐火層的要求。一般來說，體積質(zhì)量越大，其熱導(dǎo)率和強(qiáng)度越高，使用溫度也越高，但是爐子蓄熱量大，熱效率低，不節(jié)能，爐體重量也大。

隨著耐火材料制造技術(shù)的發(fā)展，耐火磚的技術(shù)性能指標(biāo)和質(zhì)量穩(wěn)步提高，尤其是高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提高。因此，除了爐溫很高或工作條件十分惡劣的熱處理爐外，耐火層已大量采用密度為0.6g/cm3的輕質(zhì)粘土磚和高鋁磚。

近年來，為了提高爐子的節(jié)能效果，對輕質(zhì)耐火材料進(jìn)行了較多的研究改進(jìn)，開發(fā)出一種耐火度可達(dá)1670℃，最高使用溫度為1250℃、比熱容為0.88kJ/（kg·℃）、熱導(dǎo)率為0.171+0.178×10-3T[W/（m2·℃）]，密度僅0.4g/cm3的漂珠超輕質(zhì)高強(qiáng)度節(jié)能耐火磚。

隨著可控氣氛爐的發(fā)展，在沒有耐熱鋼馬弗罐的可控氣氛熱處理爐內(nèi)，可控氣氛直接與爐膛接觸，氣氛中的CO、H2等還原性氣體與耐火磚中的Fe2O3等金屬氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致磚體疏松、表面剝落，同時反應(yīng)生成的H2O、CO2等又會影響爐氣成分的穩(wěn)定。因此，開發(fā)了Fe2O3含量低于1%的具有良好抗?jié)B碳性能的粘土質(zhì)和高鋁質(zhì)磚，輕質(zhì)磚的抗?jié)B碳性優(yōu)于重質(zhì)磚。

2.其他耐火制品

此外，熱處理爐還常用以下耐火制品。

（1）碳化硅耐火材料，是以SiC粉為原料，以10%～20%的結(jié)合黏土或5%～10%的硅鐵作粘合劑，攪拌后壓制成形，經(jīng)過燒結(jié)而成為耐火制品。它的荷重軟化溫度約為1600℃，導(dǎo)熱性比普通耐火材料高出5～10倍；在1300℃以上易于氧化，也易于被堿性物質(zhì)侵蝕而脆化，特別硬脆，導(dǎo)電性好。這種材料可用于高溫爐爐底板、馬弗罐等。

（2）耐火混凝土是一種不定形耐火材料，由耐火骨料、摻和料、水泥（膠結(jié)料）和適量的水混合均勻后再經(jīng)過成形、干燥、硬化等過程而制成整體爐襯，如馬弗罐、鹽浴爐坩堝等。耐火混凝土按其所用粘合劑的不同，可分為鋁酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽和水玻璃等4種類型。熱處理爐應(yīng)用較多的是鋁酸鹽耐火混凝土。

（3）為減少砌爐工作量，提高爐襯性能，還研制出高強(qiáng)輕質(zhì)澆注料。如QL型高強(qiáng)輕質(zhì)澆注料，采用空心球莫來石作骨料，主要特點是容重和導(dǎo)熱系數(shù)較小，節(jié)能效果顯著，主要用于1450℃以下的各種加熱爐、電爐爐襯或用作輕質(zhì)隔熱層。其主要性能指標(biāo)是：密度1.0～1.6t/m3，1000℃熱態(tài)耐壓強(qiáng)度21.3MPa，1000℃導(dǎo)熱系數(shù)0.25～0.4W/m·℃。還有一種SD-1型耐火燒注料，抗熱振穩(wěn)定性好，耐高溫沖刷，主要用于臺車式熱處理爐的臺車工作面、臺車封墻以及各種加熱爐的擋火墻，尤其是預(yù)制成形的各種大中小型燒嘴磚和燃燒室爐拱，壽命可提高3～5倍，其主要成分為Al2O3≥75%，SiC≥12%。在1400℃的耐壓強(qiáng)度為10MPa，800℃5次水冷后抗折強(qiáng)度為8.2MPa。

（4）耐火陶瓷纖維氈的導(dǎo)熱系數(shù)低，密度小，熱容量與普通耐火粘土磚相近，故用此氈砌出的薄得多的耐火纖維氈爐壁，其散熱損失和蓄熱損失都遠(yuǎn)比砌磚爐壁少，采用全纖維爐襯結(jié)構(gòu)可取得較好的節(jié)能效果。

3.耐火纖維氈制品使用細(xì)則

采用耐火纖維氈制品時，必須考慮其爐壁結(jié)構(gòu)和安裝形式。

（1）大面積爐壁結(jié)構(gòu)的安裝形式 主要有層式、疊式、組合式、真空成形殼體式、折疊氈式和預(yù)制塊式等幾種。

①層式結(jié)構(gòu)。纖維與受熱面平行。與疊式相比，高溫收縮大，抗氣流沖刷差，同類別纖維制品的使用溫度低于50℃，但導(dǎo)熱系數(shù)比疊式約小20%。這種結(jié)構(gòu)適用于爐溫≤950℃的工業(yè)爐。

②疊式結(jié)構(gòu)。纖維與受熱面垂直，適用于爐溫＞950℃的工業(yè)爐。

③組合式結(jié)構(gòu)。受熱面纖維吸取了疊式的優(yōu)點，即高溫收縮小，抗氣流沖刷好，耐溫較高等。而外層纖維吸取了層式的導(dǎo)熱系統(tǒng)小的優(yōu)點，適用于爐溫＞950℃的工業(yè)爐。

④真空成形殼體式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)耐150m/s的氣流（距離1.2m呈45°和90°）的沖刷（此時密度800～1000kg/m3），比同類別耐火纖維氈使用溫度有所提高。

⑤折疊毯式結(jié)構(gòu)。纖維與受熱面垂直，故具有疊式的特點。此外，高溫下不失彈，比疊式有更高的使用溫度。爐壁結(jié)構(gòu)簡單，安裝迅速。適用于爐溫＞950℃的工業(yè)爐。

⑥預(yù)制塊式結(jié)構(gòu)。纖維與受熱面垂直，故具有疊式特點。爐壁結(jié)構(gòu)簡單，安裝迅速，適用于爐溫≥950℃的工業(yè)爐。

（2）爐體連結(jié)部位結(jié)構(gòu)

①轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，有交錯、轉(zhuǎn)彎和組合三種接法。②與砌體的連接。

③折疊毯安裝在金屬框內(nèi)的結(jié)構(gòu)有兩種方法可供選擇。采用嵌入法時，金屬框四周毯的折向與框邊一致，并且金屬框要陷入折疊毯40mm左右。采用緊定法時，在折疊毯與框邊之間留一空隙，在空隙中順向填毯，用釘使毯與框連接。

耐火纖維與爐體連接時還要注意，不論采用何種安裝形式，爐殼鋼板尺寸應(yīng)是制品尺寸的倍數(shù)，以利安裝施工。另外，耐火纖維氈爐壁不應(yīng)采用外鼓結(jié)構(gòu)，以防開裂。

近幾年來，國內(nèi)不少廠家采用全纖維爐襯技術(shù)，取得了節(jié)電20%～30%效果。

五、節(jié)能減排技術(shù)途徑和合同能源管理

探討熱處理爐的節(jié)能減排技術(shù)途徑，必須從它所應(yīng)用的熱處理生產(chǎn)領(lǐng)域來觀。鋼件在熱處理爐內(nèi)，奧氏體化（或固溶處理）過程通常在900～1100℃之間進(jìn)行（高速鋼淬火加熱需1250～1280℃），鋁合金的固溶化處理在500℃以上的溫度，顯然，熱處理過程中的耗能是巨大的。概括之，熱處理爐的節(jié)能技術(shù)途徑如下表所示。

推廣采用高效節(jié)能先進(jìn)的熱處理設(shè)備如網(wǎng)帶爐、離子氮化爐、真空爐等，它們在保證工件熱處理質(zhì)量的同時，也取得了節(jié)能環(huán)保的效果。熱處理爐的節(jié)能技術(shù)措施主要有：

（1）合理選擇能源，合理選擇爐型，連續(xù)式爐比周期式爐好，圓型爐膛比方型爐膛好；充分利用余熱，如鐘罩式爐的一爐罩多爐臺，就是一種充分利用爐罩余熱的節(jié)能爐型；優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少熱損失，提高熱效率；盡可能采用蓄熱少、絕熱性好的輕質(zhì)耐火材料爐襯，如全纖維爐襯，進(jìn)行爐襯的節(jié)能設(shè)計；采用爐體密封結(jié)構(gòu)，防止漏氣和吸入空氣；采用紅外輻射涂料涂層等。用全纖維爐襯可節(jié)能20%～30%。

熱處理爐的節(jié)能途徑

（2）發(fā)展智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化熱處理設(shè)備，促進(jìn)熱處理設(shè)備和工藝流程的信息化，圍繞加熱、保溫、冷卻等主要的工藝過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如新工藝研發(fā)、溫度控制、時間控制，工藝流程的連續(xù)性，實施能效的監(jiān)控及管理等，進(jìn)行信息化技術(shù)改造和合同能源管理，以實現(xiàn)熱處理工藝信息化和熱處理生產(chǎn)的節(jié)能減排，為實現(xiàn)偉大的中國夢，建設(shè)美麗中國做出貢獻(xiàn)。

合同能源管理（EMC）是一種新型的市場化節(jié)能機(jī)制。其實質(zhì)就是以減少的能源費用來支付節(jié)能項目全部成本的節(jié)能業(yè)務(wù)方式，這種節(jié)能投資方式允許客戶用未來的節(jié)能收益為工廠和設(shè)備升級，從而降低運行成本。合同能源管理在國內(nèi)外廣泛地被稱為EMC（Energy Management Contracting），是70年代在西方發(fā)達(dá)國家開始發(fā)展起來的一種基于市場運作的全新的節(jié)能新機(jī)制。合同能源管理不是推銷產(chǎn)品或技術(shù)，而是推銷一種節(jié)能投資及服務(wù)管理。作為能耗大戶的熱處理行業(yè)，非常適合運用合同能源管理模式。