一種節(jié)能環(huán)保型車底式電退火爐的設(shè)計(jì)

李華剛

（中國(guó)寶武太鋼集團(tuán) 不銹線材廠，山西 太原 030000）

不銹鋼線材熱處理常用環(huán)形爐、 罩式爐、 臺(tái)車爐、井式爐等，以燃?xì)鉅t居多，除環(huán)形爐外，其余都是傳統(tǒng)的周期式熱處理爐爐型，熱效率不高，并且因燃?xì)鉅t大氣污染物超低排放要求（顆粒物≤10 mg/m3、SO2≤50 mg/m3、NOx≤200 mg/m3）， 環(huán)保指標(biāo)越發(fā)嚴(yán)苛，增加了企業(yè)的環(huán)保成本，綜合考慮熱處理爐熱效率、節(jié)能環(huán)保等方面，采用電退火爐進(jìn)行熱處理是發(fā)展趨勢(shì)。 在此創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種高效節(jié)能型車底式電阻熱處理爐， 采用連續(xù)循環(huán)熱處理方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)周期退火， 通過(guò)工藝革新實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能， 機(jī)時(shí)產(chǎn)量達(dá)到2.4 t/h，較傳統(tǒng)離線退火效率提高了50%以上。 長(zhǎng)形環(huán)線型爐體，爐體和爐車、爐車與爐車采用特殊設(shè)計(jì)的砂封、曲封雙重密封結(jié)構(gòu)，節(jié)能降耗效果顯著。

1 方案綜述

自行研發(fā)設(shè)計(jì)的車底式電阻爐為長(zhǎng)形環(huán)線爐體，每一個(gè)爐車在爐膛內(nèi)作為爐底，從入料爐門(mén)進(jìn)，出料爐門(mén)出，由加熱段、保溫段和冷卻段構(gòu)成。將電阻爐加熱保溫段和冷卻段設(shè)計(jì)成兩條平行結(jié)構(gòu)，中部采用全封閉半“回”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)爐體180°調(diào)頭（見(jiàn)圖1）。

圖1 車底爐結(jié)構(gòu)示意圖

車底爐由爐體、軌道和可以移動(dòng)的爐車組成。其工作原理：采用液壓頂車機(jī)用于裝、出爐工作，按每節(jié)爐車的行程進(jìn)行調(diào)節(jié)推桿，爐車移位時(shí)，兩端配備擺渡車，使?fàn)t車能正常循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。

此車底式電阻爐主要由輕質(zhì)、 低熱惰性的高溫耐火纖維的爐體、 爐車及頂鋼機(jī)構(gòu)、 爐門(mén)及升降結(jié)構(gòu)、密封裝置、耐高溫電熱元件、氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成。

爐內(nèi)襯采用抗高溫高純耐火纖維毯及折疊模塊組成，體積密度達(dá)到230 kg/m3，重量輕、蓄熱少，熱導(dǎo)率低（導(dǎo)熱系數(shù)≤0.098 W/（m·K）），屬節(jié)能長(zhǎng)壽型耐材。 爐車采用自行走車輪式結(jié)構(gòu)，行走穩(wěn)定可靠；爐車與爐體采用特殊設(shè)計(jì)的曲封和砂封雙重密封結(jié)構(gòu)，有效防止熱量散失；爐門(mén)采用氣動(dòng)壓緊方式，爐門(mén)升降行程設(shè)有行程開(kāi)關(guān)和氣缸磁力開(kāi)關(guān)雙重檢測(cè)；配置工控機(jī)和觸屏監(jiān)控操作系統(tǒng)，對(duì)電阻爐的爐溫等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和精確監(jiān)控； 爐溫采用智能溫控儀控制，控溫精度高。

熱處理流程：①入爐段擺渡車→②入料爐門(mén)→③車底爐加熱及保溫段→④車底爐擺渡車→⑤車底爐冷卻段→⑥出料爐門(mén)→⑦入爐段擺渡車

裝有熱處理工件的臺(tái)車經(jīng)過(guò)上述流程中步驟①~⑥后，一個(gè)熱處理周期結(jié)束出爐，然后再通過(guò)⑦入爐段擺渡車重新入爐，進(jìn)行連續(xù)熱處理。

車底爐：爐底由若干小的臺(tái)車組成，因此稱為車底爐。

2 結(jié)構(gòu)節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)

2.1 爐體和爐襯

爐體為分段輕量化結(jié)構(gòu)，“模塊化”設(shè)計(jì)，具有安裝快捷、精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。

爐體由鋼骨架和內(nèi)襯組成， 鋼骨架由型鋼和鋼板焊接制成，保證整體有足夠的強(qiáng)度和剛度，爐體框架對(duì)角線誤差控制在4 mm以內(nèi)， 使用中不產(chǎn)生歪扭、變形。重要受力部位采用新型綠色環(huán)保氣體保護(hù)焊絲焊接工藝。 爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造安裝精良，爐體外壁溫升小于30 ℃，最大限度減小爐體散熱以及對(duì)人員環(huán)境的熱輻射，滿足節(jié)能環(huán)保要求。

充分考慮設(shè)備節(jié)能環(huán)保，內(nèi)襯采用低熱惰性、輕質(zhì)耐火纖維，具有重量輕、蓄熱少、保溫性良好、溫升快、長(zhǎng)壽命、施工快等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)襯由硅酸鋁耐火纖維毯和致密的纖維折疊模塊組成，使用耐高溫抗氧化的小規(guī)格耐熱鋼異形件焊接固定在爐體鋼結(jié)構(gòu)骨架上。根據(jù)爐區(qū)溫度不同設(shè)置不同厚度的耐火纖維。 高溫段（加熱段和保溫度）爐頂、側(cè)墻耐材總厚度為300 mm，低溫段（降溫段）耐材總厚度減薄為100～150 mm。

2.2 爐車

爐車采用型鋼制作加工而成。 每個(gè)爐車兩側(cè)安裝有車輪作為行走裝置，均固定在車架鋼梁上，車輪及車軸用45#圓鋼加工而成，軸承采用爐子專用高溫圓珠滾子軸承。 車底框架采用工字鋼和槽鋼及鋼板制成。邊框板采用厚耐熱鋼板。這種結(jié)構(gòu)的爐車車架有足夠的強(qiáng)度和剛度，能保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行可靠、高溫不變性。

為降低爐車蓄熱和散熱、提高節(jié)能環(huán)保效果，爐車異型邊框磚由鋼纖維澆注料燒制。 爐車砌體耐材布置：承重層為重質(zhì)耐火磚、其余均為輕質(zhì)耐火磚（密度為0.8 g/cm3）導(dǎo)熱系數(shù)最大僅為0.4 W/(m·K)的混合結(jié)構(gòu)，各層砌體均留設(shè)膨脹縫，縫內(nèi)填實(shí)耐火纖維棉。 上下相鄰的兩層磚，砌體灰縫錯(cuò)位，防止形成貫通縫，杜絕了從爐車臺(tái)面往下躥火，爐車熱損失顯著減少。

綜合考慮承重、耐高溫、移動(dòng)性，爐車臺(tái)面用重質(zhì)磚， 考慮爐車的保溫性能在重質(zhì)磚下方全部使用輕質(zhì)保溫磚。該復(fù)合結(jié)構(gòu)隔熱效果好，既起到了承重作用， 又能良好地密封爐車， 降低爐底的蓄熱和散熱，有效降低爐能耗。鋼架與鋼架之間通過(guò)高溫纖維棉密封。

2.3 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置全部位于爐車下面， 多層耐材復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)有效阻止了高溫?zé)彷椛洌?使驅(qū)動(dòng)裝置在低溫狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，極大地改善了作業(yè)環(huán)境。

驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由擺渡車、頂車油缸、頂車撥桿、頂車撥塊、行走軌道、剎車裝置、接近開(kāi)關(guān)等電氣檢測(cè)元器件組成。

擺渡車是在普通爐車的基礎(chǔ)上， 增加了電機(jī)減速機(jī)、拉線位移傳感器、行程開(kāi)關(guān)及限位開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)自行走。減速機(jī)通過(guò)爐車傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)車輪動(dòng)作。為消除爐車推動(dòng)過(guò)程中的慣性力，在入爐段、出爐段分別設(shè)置剎車裝置，保證爐車行程精確。

每個(gè)爐車車架下面有高強(qiáng)度和剛度的鋼塊（頂車撥塊），頂車油缸帶動(dòng)頂車撥桿與爐車下的頂車撥塊推動(dòng)爐車在爐底軌道上行走。

在爐內(nèi)：爐車與爐車間通過(guò)爐車下方的鋼架硬接觸傳遞油缸的推動(dòng)力，爐車的絕熱結(jié)構(gòu)保證了鋼架在低溫下連續(xù)穩(wěn)定動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了將爐車從入爐段推出出料爐門(mén)，顯著改善了作業(yè)環(huán)境。

2.4 爐門(mén)及升降裝置

爐門(mén)及升降裝置由爐門(mén)、爐門(mén)鋼架、升降結(jié)構(gòu)及行程檢測(cè)組成。爐門(mén)鋼架采用型鋼和鋼板焊接而成，鋼板厚度為6 mm，受力部分采用綠色環(huán)保型氣體保護(hù)焊絲雙面連續(xù)焊接工藝，爐門(mén)內(nèi)襯與爐體一樣，采用低熱惰性、輕質(zhì)耐火纖維材料，具有施工快捷、升溫快速、 節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。 爐門(mén)耐材總厚度為300 mm，爐門(mén)鋼架由立柱和橫梁組成，立柱與爐體骨架進(jìn)行焊接，保證其有足夠的強(qiáng)度和剛度。升降結(jié)構(gòu)由電葫蘆、減速機(jī)、鋼絲繩、吊鏈和吊鉤組成，簡(jiǎn)單實(shí)用。爐門(mén)上升和下降時(shí)均設(shè)有機(jī)械和電氣限位。爐門(mén)上裝有4個(gè)導(dǎo)向輪，爐門(mén)立柱上有兩個(gè)導(dǎo)向槽，爐門(mén)在導(dǎo)向槽內(nèi)上下移動(dòng)，有效減少了爐門(mén)的擺動(dòng)。

2.5 密封裝置

爐體與爐車之間采用砂封及曲封密封結(jié)構(gòu)。 經(jīng)實(shí)踐表明，這種迷宮式結(jié)構(gòu)密封良好，絕熱保溫性能好。

砂封：在爐墻與爐車之間設(shè)有砂封結(jié)構(gòu)，爐體長(zhǎng)度方向裝有一對(duì)加砂斗， 砂封槽中裝有細(xì)粒度的石英砂，爐車鋼架上設(shè)有δ=8 mm厚砂封鋼板，砂封槽采用6 mmQ235鋼板折彎加工而成。

曲封：爐車砌體與爐墻之間設(shè)有雙折曲封結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），為確保車下溫度低和電爐安全運(yùn)行，曲封間隙為15～30 mm。 爐車、爐墻曲封磚均為鋼纖維澆注料預(yù)制塊， 以防有異物掉進(jìn)曲封間隙中發(fā)生摩擦不致?lián)p壞爐墻，影響爐體使用壽命。

圖2 爐車砌體與爐墻密封結(jié)構(gòu)圖

車封：在爐車與爐車之間曲形密封面上亦貼有高溫纖維，以保證車與車之間良好密封（見(jiàn)圖3）。

圖3 爐車與爐車之間曲形密封結(jié)構(gòu)圖

回型過(guò)渡段密封： 回型過(guò)渡段下部與后擺渡車相接，兩者之間始終存在固定的縫隙，方便擺渡車的移動(dòng)。 在此部位（周長(zhǎng)方向）設(shè)計(jì)安裝一套氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的可快速開(kāi)閉的多點(diǎn)長(zhǎng)條密封裝置，減少熱量散失。

爐門(mén)兩側(cè)各安裝一個(gè)氣缸， 爐門(mén)與爐體之間采用氣動(dòng)壓緊密封， 統(tǒng)籌考慮爐門(mén)結(jié)構(gòu)密封和耐火纖維收縮，爐門(mén)耐火纖維四周凸出50 mm，左右氣缸同步動(dòng)作壓緊爐體密封，不留縫隙。 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封可靠。

2.6 電加熱裝置

車底式電退火爐加熱元件采用牌號(hào)0Cr21Al6Nb的電阻帶，電熱爐體每區(qū)采用“星形”接法，以增大爐膛內(nèi)加熱面積。 統(tǒng)籌考慮表面負(fù)荷、耐溫等級(jí)及爐體保溫，引出棒選用直徑為20 mm，為保證引出棒耐高溫、抗氧化及易焊接性能，選取與電阻帶相同的牌號(hào)，采用Cr26Ni21牌號(hào)的不銹鋼耐高溫、 抗氧化型焊絲，考慮環(huán)境保護(hù)，電阻帶與引出棒采用綠色環(huán)保的氣體保護(hù)焊接工藝，消除焊渣飛濺，焊接低煙塵，有害氣體少，大幅降低對(duì)環(huán)境的污染。 在爐體每個(gè)區(qū)段設(shè)有兩支K型熱電偶，分別提供溫度信號(hào)和記錄信號(hào)，控溫?zé)犭娕寂c電控柜上的溫控儀表一起完成爐溫控制調(diào)節(jié)和超溫報(bào)警，上面控溫，下面檢測(cè)互為備用。

3 節(jié)能環(huán)保效果

3.1 退火爐外表面溫度

在850 ℃高溫狀態(tài)下， 進(jìn)行爐體外表面溫度測(cè)量， 實(shí)際表明傳統(tǒng)的電罩爐爐體外表面溫度明顯高于車底式電阻爐（見(jiàn)圖4）。

圖4 傳統(tǒng)電罩爐與車底爐各爐墻外表面溫度對(duì)比圖

3.2 噸鋼電耗

在850 ℃高溫狀態(tài)下，采取相同的退火工藝，傳統(tǒng)電罩爐采用周期退火方式， 新型車底爐采用循環(huán)連續(xù)退火模式， 通過(guò)傳統(tǒng)電罩爐與新型車底式電阻爐電耗對(duì)比，顯然經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化后，車底爐的電耗低于傳統(tǒng)電罩爐，節(jié)能效果良好（見(jiàn)圖5）。

圖5 車底爐與傳統(tǒng)電罩爐電耗對(duì)比圖

3.3 退火效率

由圖6在相同工藝條件下，不同鋼種退火產(chǎn)量的對(duì)比可知：傳統(tǒng)電罩爐小時(shí)退火產(chǎn)量低，車底爐退火產(chǎn)量明顯高于前者， 兩種不同牌號(hào)的退火效率依次提高176%，57%。 采用循環(huán)連續(xù)退火模式后，退火效率呈現(xiàn)出跳躍式提升。

圖6 傳統(tǒng)電罩爐與車底爐退火產(chǎn)量對(duì)比圖

3.4 污染物排放

由圖7可知，車底爐的排放指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)燃?xì)馔嘶馉t，環(huán)保優(yōu)勢(shì)明顯。

圖7 車底爐與傳統(tǒng)燃?xì)馔嘶馉t排放物對(duì)比圖

3.5 蓄熱量

通過(guò)單位金屬的蓄熱量對(duì)比，加熱1 kg金屬時(shí)，重質(zhì)高鋁磚和輕質(zhì)粘土磚的蓄熱量分別為926.6 kJ和685.5 kJ，由此可知輕質(zhì)粘土磚較重質(zhì)高鋁磚的蓄熱量小很多，蓄熱少，熱量消耗明顯減少，有利于節(jié)能和環(huán)保（見(jiàn)表1）。

表1 重質(zhì)高鋁磚與輕質(zhì)粘土磚蓄熱量對(duì)比

4 結(jié)論

（1）選用污染物排放指標(biāo)少的電加熱爐代替環(huán)保要求嚴(yán)苛的燃?xì)鉅t。從根源上消除污染物SO2、NOx，顆粒物排放量明顯降低，環(huán)保效果顯著提升。

（2）爐體選擇低熱惰性、低熱導(dǎo)率、蓄熱少、重量輕、節(jié)能環(huán)保型纖維制品，實(shí)現(xiàn)了全纖維結(jié)構(gòu)，屬新技術(shù)、新材料節(jié)能。

（3）爐車砌筑。除了承重層選擇致密的重質(zhì)耐火磚外，其余全部采用低密低熱導(dǎo)率的輕質(zhì)磚。

（4）退火模式。周期式退火模式革新為循環(huán)連續(xù)退火模式。 退火電耗降低明顯，是節(jié)能的重要手段。

（5）密封方式。采用砂封和新型曲封雙重迷宮式密封方式。采用新型密封方式后，車底爐外表面溫度顯著降低，節(jié)能環(huán)保效果較好。爐子密封是降低能耗的關(guān)鍵。

（6）采用CMT冷金屬過(guò)度焊接技術(shù)。 為減少環(huán)境污染，采用綠色環(huán)保的氣體保護(hù)焊接工藝，消除焊渣飛濺，焊接低煙塵，有害氣體少，大幅降低對(duì)環(huán)境的污染。