新型精密鑄造模具加熱焙燒隧道窯

戚章明，張國富，任 軍，陳娟妮

（高邑縣北方窯業(yè)工程有限公司，河北石家莊050035）

新型精密鑄造模具加熱焙燒隧道窯

戚章明，張國富，任 軍，陳娟妮

（高邑縣北方窯業(yè)工程有限公司，河北石家莊050035）

通過對(duì)鑄造行業(yè)鑄件模具加熱爐與隧道窯的使用性能、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)的分析，結(jié)合鑄件模具加熱的特點(diǎn)，綜合考慮鑄件模具加熱溫度、氣氛、周期、能耗等工藝要求，針對(duì)鑄件模具加熱設(shè)計(jì)了新型隧道窯。通過降低窯爐斷面高度、采用小功率多燒嘴交錯(cuò)分布、選用新型節(jié)能耐火材料、溫度采用自動(dòng)控制等措施，使得設(shè)計(jì)的新型隧道窯較傳統(tǒng)加熱爐在降低產(chǎn)品單位能耗、減小模具溫差、提高鑄件質(zhì)量、改善操作環(huán)境、實(shí)現(xiàn)加熱工序連續(xù)化生產(chǎn)等方面都有很大的改進(jìn)和提高。

鑄造；模具；加熱；隧道窯

鑄造行業(yè)鑄件澆注時(shí)，一般有常溫模具澆注和高溫模具澆注兩種形式。常溫模具澆注常用于對(duì)機(jī)械性能要求不高的結(jié)構(gòu)件，而對(duì)機(jī)械性能要求高的結(jié)構(gòu)件澆注（精密澆注），需要根據(jù)澆注工藝要求對(duì)模具進(jìn)行加熱或焙燒處理，從而減少因高溫鐵水與常溫模具之間的較大溫差帶來的諸多缺陷[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，市場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)件的性能要求越來越高，精密鑄件的需求量越來越大，再加上環(huán)保壓力以及企業(yè)降低生產(chǎn)成本等方面的需要，之前模具加熱所采用的傳統(tǒng)反射爐已很難滿足需要。通過對(duì)比傳統(tǒng)模具加熱爐與新型節(jié)能隧道窯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合精密鑄造模具加熱的工藝要求，設(shè)計(jì)了一條精密鑄造模具加熱隧道窯。經(jīng)過三年多的生產(chǎn)運(yùn)行，證明無論是產(chǎn)品質(zhì)量和成品率，還是在節(jié)能降耗、改善操作環(huán)境、實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)等方面都得到了很大提高。

1 傳統(tǒng)模具加熱爐的特點(diǎn)

1.1 間歇式，連續(xù)性差

傳統(tǒng)的模具加熱爐屬于反射爐，是一種間歇式窯爐。通常情況下，窯爐的后端布置一支較大功率的燒嘴，前側(cè)設(shè)置一個(gè)可開啟式窯門，兩側(cè)設(shè)計(jì)有排煙口。模具碼垛在窯內(nèi)車臺(tái)面上，根據(jù)澆注工藝要求，設(shè)定升溫曲線，在完成加熱過程后，開啟窯門，將模具取出，送入澆注區(qū)域待澆注。由此可見，該加熱爐操作靈活，一般適合于小規(guī)模生產(chǎn)，難以滿足大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)的要求。

1.2 爐內(nèi)溫差大，質(zhì)量穩(wěn)定性差

該加熱爐排煙孔設(shè)置在兩個(gè)側(cè)墻下部，這樣的布置方式，造成爐內(nèi)溫差大，后底部出現(xiàn)死角。低溫加熱爐主要以對(duì)流傳熱為主，而該窯型爐內(nèi)煙氣流速較小，攪動(dòng)不大，熱煙氣在模具之間的穿透性較差，所以爐內(nèi)換熱效率較差，接觸火焰部分的坯體與底部坯體之間存在很大的溫差，造成鑄件質(zhì)量存在差異。一般碼垛較高，也容易造成模具變形，產(chǎn)生廢品。

1.3 能耗高

間歇式加熱爐每完成一個(gè)生產(chǎn)周期，爐體自身就要有一個(gè)蓄熱和一個(gè)散熱的過程。再者，傳統(tǒng)的反射爐大多使用重質(zhì)耐火材料，保溫效果差、重量大、自身蓄熱就更多。另外，反射爐容積較小，排煙孔與燒嘴之間的直線距離過短，造成大部分煙氣未與模具充分熱交換就直接排出爐體，排煙溫度很高，熱量損失很大。另外，一座反射爐只布置一個(gè)大功率燒嘴，在低溫時(shí)候容易造成不完全燃燒，這也是傳統(tǒng)反射爐能量消耗較大的一個(gè)原因。而高溫時(shí)又容易造成局部溫度過高，產(chǎn)生變形缺陷，影響成品率。以上種種因素，將會(huì)導(dǎo)致加熱模具單位能耗增加[2]。

1.4 操作環(huán)境差

一般情況下，反射式加熱爐裝窯采用的是碼垛堆裝方式，以提高單窯次裝載量。在澆注時(shí)，模具需要分開擺放，這樣就存在裝出窯時(shí)需要人工堆放和分開模具的工序。生產(chǎn)過程中，為了降低爐體散熱損失，爐內(nèi)溫度往往還沒有降到自然溫度時(shí)就開始裝窯，而加熱后模具出爐溫度一般在850℃～900℃，更使得工人操作環(huán)境惡化，受傷害危險(xiǎn)性加大。

2 新型模具加熱（焙燒）隧道窯的特點(diǎn)

隧道窯屬于耐火材料及陶瓷工業(yè)中的先進(jìn)窯型，已經(jīng)成為連續(xù)式燒成窯爐的代名詞，也是經(jīng)濟(jì)性和效率較高的窯型之一[3]。在國外，隧道窯已有百年的使用歷史。針對(duì)模具加熱的特點(diǎn)及要求，對(duì)隧道窯特點(diǎn)進(jìn)行分析描述。

2.1 連續(xù)性好

隧道窯屬于連續(xù)式窯爐，由預(yù)熱帶、燒成帶、冷卻帶組成，產(chǎn)品裝在窯車上，窯車在窯內(nèi)通過三帶，完成一個(gè)熱工過程[4]。模具需要熱出窯，所以隧道窯可不設(shè)置冷卻帶，在燒成帶后部直接出窯。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，只有窯車裝載著產(chǎn)品進(jìn)出窯內(nèi)，而窯爐始終處在工作狀態(tài)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)性。

2.2 窯內(nèi)溫差小，質(zhì)量穩(wěn)定性好

隧道窯溫差主要取決于窯爐斷面高度以及燒成帶燒嘴的結(jié)構(gòu)和布置形式。模具加熱隧道窯窯車上只碼放一層模具，斷面高度可根據(jù)單體最大模具尺寸設(shè)計(jì)，這樣就大大減少了窯內(nèi)上下溫差；燒嘴按高速燒嘴設(shè)計(jì)，煙氣噴出速度高，這樣在窯內(nèi)就能形成激烈的湍流，進(jìn)一步減少溫差。在燒嘴布置設(shè)計(jì)上，多只燒嘴成品字形布置，燒嘴在斷面方向看是呈上下交錯(cuò)形式布置，使氣體在窯內(nèi)能夠更好地?cái)噭?dòng)；溫度控制采用自動(dòng)化控制，減少了因燃料熱值或壓力波動(dòng)對(duì)窯內(nèi)溫度的影響。通過加熱隧道窯加熱的模具，在同一參數(shù)下，模具溫度基本一致，這樣可以保證澆注件的澆注質(zhì)量。

2.3 能耗低

隧道窯熱量損失主要受排煙溫度、窯體散熱、窯車散熱等因素影響[5]。高溫?zé)煔馔ㄟ^窯腔與窯車反方向運(yùn)行，在高溫帶加熱模具后進(jìn)入預(yù)熱帶預(yù)熱，而后通過排煙孔、排煙風(fēng)機(jī)排出窯外，煙氣與模具充分接觸，熱量得到較為充分利用。窯體散熱和窯車散熱是隧道窯不可避免的熱量損失，窯體一次蓄熱后，主要熱損失就是散熱，而窯車則是周期性的吸熱和散熱。設(shè)計(jì)中一方面通過選用低蓄熱、低導(dǎo)熱系數(shù)的新型耐火材料，可將這兩個(gè)損失降低到最小；另一方面，裝窯形式簡(jiǎn)單，采用機(jī)械手裝窯，可提高窯車入窯溫度，進(jìn)一步減少熱量損失。燒嘴采用多點(diǎn)布置小功率燒嘴，這樣可保證燃料完全燃燒，不造成燃料浪費(fèi)，而且溫度也均勻。采取以上措施，單位能耗同比傳統(tǒng)模具加熱爐降低很多。

2.4 操作環(huán)境好

窯車碼放設(shè)計(jì)為單層模具，碼放比較簡(jiǎn)單，可采用機(jī)械手操作，在模具出窯時(shí)，直接將窯車推入澆注區(qū)域，模具澆注可在窯車上進(jìn)行，窯車的運(yùn)行停止完全可通過成熟的機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，不用人工再擺放高溫模具，這樣大大改善了工人的操作環(huán)境。

3 新型模具加熱（焙燒）隧道窯的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本模具加熱隧道窯系根據(jù)年產(chǎn)5 000 t澆注件、加熱溫度850℃為依據(jù)而設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)溫度曲線和工作系統(tǒng)圖見圖1.

3.1 窯體結(jié)構(gòu)

窯頂采用單心拱，拱心角為72°.窯爐采用現(xiàn)場(chǎng)砌筑方式。根據(jù)加熱工藝要求和單窯裝載量計(jì)算，確定模具加熱隧道窯有效長度25.4 m，分為25個(gè)車位，每車位長度1.0 m.根據(jù)各個(gè)溫度段需要的時(shí)間，確定加熱隧道窯各帶長度。其中預(yù)熱帶長8.2m，加熱（焙燒）帶長15 m，保溫帶長2.2 m.

加熱隧道窯兩端設(shè)有升降窯門，以維持窯內(nèi)壓力系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定，使窯內(nèi)氣流形成閉環(huán)系統(tǒng)。

圖12 5.4 m模具加熱隧道窯系統(tǒng)及加熱溫度曲線圖

加熱隧道窯是一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的熱工設(shè)備，正常生產(chǎn)過程中，窯墻及窯頂散熱是相對(duì)穩(wěn)定的，散熱損失在能量消耗中占著不可小視的比例，因此，窯墻及窯頂結(jié)構(gòu)選擇極為重要。窯墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材合理，在降低能耗的同時(shí)，同樣降低了窯體外表溫度，對(duì)于操作環(huán)境也是一個(gè)很好的改善。

根據(jù)多年從事設(shè)計(jì)、施工同類型窯爐的經(jīng)驗(yàn)以及比對(duì)耐火材料性能和傳熱計(jì)算，確定窯墻結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 窯墻結(jié)構(gòu)

主要耐火材料性能指標(biāo)見表2.

窯墻窯頂溫度分布曲線見圖2.

3.2 窯體鋼結(jié)構(gòu)

為了保證窯車運(yùn)行平穩(wěn)，窯內(nèi)軌道選用12#輕軌，窯外部回車線選用12#輕軌。窯體立柱選用工字鋼，既牢固又美觀。拱角梁選用12.6#槽鋼。窯爐的通風(fēng)管道，助燃風(fēng)管及車下風(fēng)管均選用普通焊管和螺旋管，燃?xì)夤艿肋x用無縫鋼管，管道支撐材料選槽鋼、角鋼配合使用。

表2 主要耐火材料性能指標(biāo)

窯體外裝飾選用30 mm×30 mm方管鋼做支撐，中間鑲3 mm鋼板，鋼板外部根據(jù)需要可噴涂不同顏色的漆以達(dá)到美觀、與車間顏色協(xié)調(diào)的效果。

3.3 通風(fēng)系統(tǒng)

該加熱隧道窯共設(shè)置了四個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)共5臺(tái)風(fēng)機(jī)，即排煙系統(tǒng)（2臺(tái)風(fēng)機(jī)、一開一備）、助燃風(fēng)系統(tǒng)（2臺(tái)風(fēng)機(jī)、一開一備）、車下冷卻系統(tǒng)（1臺(tái)風(fēng)機(jī)）、車下風(fēng)抽出系統(tǒng)（并入窯墻兩邊支煙道）。

3.3.1 排煙系統(tǒng)

在預(yù)熱帶2～6車位設(shè)5對(duì)排煙孔，分布在窯體側(cè)墻上部，然后匯總在窯體上部?jī)蓚?cè)的水平支煙道內(nèi)，匯總后經(jīng)排煙總管道進(jìn)入排煙風(fēng)機(jī)排入大氣中。

3.3.2 助燃風(fēng)系統(tǒng)

燃料燃燒所需的助燃空氣采用環(huán)境風(fēng)助燃，設(shè)置兩臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)（一開一備）且采用變頻控制。

圖2 窯墻窯頂溫度分布曲線圖

3.3.3 車下冷卻系統(tǒng)

在保溫帶中部設(shè)置1臺(tái)4-72系列風(fēng)機(jī)通過窯下管道將自然風(fēng)送入車下，一方面冷卻窯車架，另一方面平衡窯上下壓力，這樣確保窯內(nèi)正壓區(qū)域熱量盡可能少傳到窯車下，減少負(fù)壓區(qū)域冷風(fēng)進(jìn)入窯內(nèi)產(chǎn)生氣流分層。進(jìn)風(fēng)口位置設(shè)在23#、24#車位之間。

3.3.4 車下風(fēng)抽出系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過排煙抽力從預(yù)熱帶末端一直抽到窯頭，車下風(fēng)抽出位置在2#～3#車位之間，并與窯體排煙系統(tǒng)相連。

3.4 燒嘴功率與分布

據(jù)產(chǎn)能及最高溫度要求，燒嘴功率選用5萬kcal/h高速燒嘴，在沿窯爐長度方向、窯墻兩側(cè)成品字型交錯(cuò)分布29只燒嘴，噴射速度大于70 m/s，使高溫氣流在窯內(nèi)快速攪拌循環(huán)，形成激烈的湍流，以達(dá)到均溫之目的，溫差可控制在±10℃左右。

3.5 窯車結(jié)構(gòu)

窯車框架采用型鋼制作，軸承選用高溫耐熱軸承，鑄鋼車輪。全窯共設(shè)計(jì)30輛窯車，隧道窯內(nèi)容車21輛，窯外根據(jù)工藝要求備用9輛窯車。窯車砌筑耐火材料選用低蓄熱材料、加重質(zhì)支撐骨架材料和臺(tái)面磚砌筑（臺(tái)面磚選用標(biāo)磚和平四枚磚，其高度為136 mm，且臺(tái)面四周用厚10 mm耐熱不銹鋼鋼帶加固，考慮受熱膨脹影響，鋼帶之間聯(lián)接用活動(dòng)螺拴聯(lián)接），確保窯車蓄熱少、重量輕。窯車前、后兩側(cè)均設(shè)軟曲封，其中窯車和窯體為兩道直角曲封形式。

3.6 溫度自控系統(tǒng)

窯內(nèi)溫度控制就是通過窯頂熱電偶采集窯內(nèi)各區(qū)溫度，通過補(bǔ)償導(dǎo)線輸?shù)街悄軠囟瓤刂苾x，智能溫度控制儀除了顯示溫度外，還會(huì)根據(jù)顯示溫度與所設(shè)定溫度進(jìn)行比較，然后再發(fā)出指令，用于控制燃?xì)怆妱?dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果實(shí)際溫度超高，燃?xì)忾y將逐漸關(guān)閉，降低燃?xì)膺M(jìn)入燒嘴的供給量，窯內(nèi)溫度自然會(huì)降低。反之，當(dāng)實(shí)際溫度偏低時(shí)，燃?xì)忾y將同時(shí)逐漸開大，增加燃?xì)膺M(jìn)入燒嘴的供給量，窯內(nèi)溫度自然會(huì)升高。該簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制，起到一定的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

1）傳統(tǒng)模具加熱反射爐的連續(xù)性差、爐內(nèi)溫差大、質(zhì)量穩(wěn)定性差、能耗高、操作環(huán)境差，已經(jīng)很難滿足精密鑄造行業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)線的要求。

2）新型模具加熱隧道窯的設(shè)計(jì)采取降低窯爐斷面高度、采用小功率燒嘴多點(diǎn)交錯(cuò)分布、選用新型節(jié)能耐火材料、溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等措施，確保了模具溫差更小、鑄造質(zhì)量更穩(wěn)定、能耗降低明顯、模具加熱成品率100%，機(jī)械自動(dòng)化水平提高，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低，操作環(huán)境大大改善。

3）通過生產(chǎn)過程中統(tǒng)計(jì)對(duì)比：傳統(tǒng)反射爐能耗為300 m3～310 m3焦?fàn)t煤氣/t產(chǎn)品，新型模具加熱隧道窯能耗為180 m3～190 m3焦?fàn)t煤氣/t產(chǎn)品，新型模具加熱隧道窯比傳統(tǒng)反射爐節(jié)能30%～40%.總之，新型連續(xù)式模具加熱隧道窯有著非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，代表了精密鑄造行業(yè)模具加熱爐的發(fā)展方向。

［1］劉清信，石衛(wèi)東，張付成，等.淺談消失模生產(chǎn)耐磨鑄件的體會(huì)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2010（6）：31-33.

［2］詹建平，于重湛.淺議間歇式燃?xì)飧G［J］.中國陶瓷，1997，33（3）：14-15.

［3］王益民.隧道窯在鑄造行業(yè)中的應(yīng)用［J］.能源，1981（5）：23-25.

［4］劉振群.陶瓷工業(yè)熱工設(shè)備［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004.

［5］胡志東.隧道窯內(nèi)溫差的測(cè)定與分析及改善溫差的辦法［J］.中國陶瓷，1987，92（3）：18-27.

New Heating and Baking Tunnel Kiln for Investment Casting Mould

QI Zhang-ming，ZHANG Guo-fu，REN Jun，CHEN Juan-ni
（Gaoyi North Kiln Industry Engineering CO.，LTD.，Shijiazhuang Hebei 050035，China）

A new tunnel kiln for casting mould was designed through the comparison of the performance，structure，characteristics of the casting mould heating furnace and tunnel kiln in the casting industry，combined with the mould heating characteristics，considering the heating temperature，atmosphere，period，energy consumption and other technical requirements of the casting mould. By reducing the height of the furnace section，using low-power burner staggered distribution，selecting new energy-saving refractory materials，adopting automatic temperature control，the new tunnel kiln has more improvements and advances than traditional heating furnace in reducing the energy consumption of the product unit，decreasing the temperature difference of the mould，increasing the quality of casting，improving the operating environment and realizing the continuous production of the heating process.

casting，mould，heating，tunnel kiln

TG249.7

A

1674-6694（2017）01-0006-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.003

2016-10-29

戚章明（1983-），男，助理工程師。