熱處理爐熱處理效率提升的探索

郭 峰，王曼娟，尚 建，李宜軒

（馬鋼股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

熱處理是采用適當(dāng)?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜM(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝［1］。熱處理爐則是進(jìn)行熱處理工藝時使用的加熱設(shè)備，常用的有箱式電阻爐、臺車爐、井式爐等，是影響熱處理工藝的決定性影響設(shè)備。熱處理爐包含各類加熱裝置、輔助系統(tǒng)等，主要依靠電力、天然氣等能源廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造各個領(lǐng)域。提升熱處理爐加熱元件對電能、燃?xì)饽艿绒D(zhuǎn)換為熱能的轉(zhuǎn)換效率，是有效降低能源消耗的方法。從理論上來說增加吸收熱量、減少氣體泄漏以及降低加熱爐體系散熱是提高效率的三大因素［2］。在實際應(yīng)用過程中爐體的均勻性、升降溫度等因素是制約熱處理效率的關(guān)鍵。為了解決實際生產(chǎn)過程當(dāng)中出現(xiàn)的各類問題，對爐體設(shè)計、維護(hù)保養(yǎng)方案等方面進(jìn)行優(yōu)化，有助于提升熱處理爐的熱處理效率。

1 存在問題

1.1 爐溫均勻性不足

實際試料只裝載在溫度較均勻的部位，造成多個熱處理爐有效加熱區(qū)不足。為了驗證爐溫均勻性的差距，選取爐內(nèi)10 點檢測950 ℃及650 ℃均勻性情況，具體檢測數(shù)據(jù)見表1及表2。

表1 爐內(nèi)950 ℃均勻性檢測數(shù)據(jù)表

表2 爐內(nèi)650 ℃均勻性檢測數(shù)據(jù)表

從表1 及表2 可以看出，與設(shè)定溫度相比最大溫差達(dá)到27 ℃，爐內(nèi)各點溫差達(dá)到29 ℃，而有些高端材料其熱處理窗口約為20 ℃左右。爐內(nèi)溫度未能得到有效控制，爐內(nèi)溫度均勻性不能滿足高端材料的熱處理要求。

1.2 加熱速率較慢

對于多溫度段處理的工件往往加熱速率熱處理效果不理想。為了驗證加熱速率提升的實際情況，對于350 ℃至1 200 ℃的升溫速率進(jìn)行檢測，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 各溫度升溫速率表

從表3可看出升溫速率在低溫段最快150 ℃/h，而高溫段則降至20 ℃/h。為了滿足不同溫度段的熱處理需求，往往需要多臺熱處理爐設(shè)定不同溫度協(xié)作完成。根據(jù)工件量統(tǒng)計每日100 余塊處理量，如有2至3個溫度段則需要20余臺熱處理爐共同完成。這一方面帶來較大的能源浪費，另一方面需要投入較多的設(shè)備，對于場地、人員的要求較高。

隨著熱處理需求的增多、爐體使用年限增長，爐溫均勻性不足和加熱速率較慢成為制約熱處理效率的關(guān)鍵。

2 熱處理效率提升優(yōu)化方案

2.1 加熱元件排布優(yōu)化

為了確保爐膛溫度的均勻性，對加熱元件的排布進(jìn)行優(yōu)化。加熱元件選用HRE 電阻帶，其具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、升溫快、壽命長、高溫變形小等優(yōu)點。排布形式由原來的直線形排布優(yōu)化成波浪形，能夠增加加熱元件面積和電阻帶在爐內(nèi)分布的均勻性。為了確保加熱元件的穩(wěn)固，利用耐火陶釘將其固定在爐壁的基礎(chǔ)上，爐底采用同材質(zhì)電阻帶繞制成帶狀固定在爐底擱磚上。

2.2 爐襯及爐底設(shè)計優(yōu)化

升溫速率與設(shè)計的額定功率以及密封效果等有較大的關(guān)系。功率輸出及儀表程序給定等均能影響爐子的升溫速率［3］。良好的爐體密封性可以減少從爐體中逸出的熱量，減少能源浪費，因此應(yīng)對爐體的密封性進(jìn)行優(yōu)化。

近年來，一些新型的保溫材料也開始被應(yīng)用于熱處理爐的保溫，比如硅酸鋁纖維氈、硅酸鋁毯、陶瓷纖維毯等。從節(jié)能及延長使用壽命方面考慮，爐襯材質(zhì)嘗試采用含鋯環(huán)保陶瓷纖維折疊塊。含鋯纖維導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到0.151 W/（m·K），遠(yuǎn)超一般纖維棉0.18 W/（m·K）的導(dǎo)熱系數(shù)。使用背襯30 mm 厚平鋪纖維毯，進(jìn)一步提高保溫材料的整體性，纖維爐襯厚度為350 mm，可使?fàn)t體表面溫度達(dá)到國家一等爐標(biāo)準(zhǔn)，滿足節(jié)能降耗需要。從工藝方面考慮，要求熱處理爐升、降溫速度快，因此需要爐襯熱惰性?。磧崃啃。２捎萌w維爐襯，可大幅度降低爐襯升、降溫過程的蓄熱量，提高溫度響應(yīng)速度。

爐底（指臺車面）內(nèi)襯與荷載直接接觸的工作層采用二級高鋁磚，中間的輕質(zhì)隔熱材料起到分散荷載作用。為進(jìn)一步提高耐材的整體密閉性能，絕熱層采用無石棉硬硅鈣板，其承載能力強、導(dǎo)熱系數(shù)低，是性能優(yōu)異的臺車爐底絕熱材料。優(yōu)化后具體爐襯及爐底結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 優(yōu)化后的爐襯及爐底結(jié)構(gòu)

2.3 溫控系統(tǒng)優(yōu)化

為了提高高溫效率，需對爐體設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，并同步優(yōu)化控制系統(tǒng)。通過控制爐溫、淬火溫度等參數(shù)來控制工件的淬火效果；通過控制爐體內(nèi)部的濕度、氧氣含量等參數(shù)，來控制工件的氧化程度；通過控制淬火液的流量、壓力等參數(shù)，來控制工件的冷卻速度。根據(jù)實際情況采用不同的控制策略可以達(dá)到更好的淬火效果和生產(chǎn)效率。優(yōu)化后的溫控系統(tǒng)可以實時反饋溫度變化情況，優(yōu)化后的電爐溫度曲線見圖2。

圖2 優(yōu)化溫控系統(tǒng)后的電爐溫度曲線

2.4 熱處理爐保養(yǎng)方案優(yōu)化

熱處理爐內(nèi)部材料老化、電器元件損壞等也是導(dǎo)致加熱效率不足的原因，很多使用者往往忽視這方面原因。

根據(jù)日常使用頻次應(yīng)對熱處理爐各部件進(jìn)行定期維護(hù)。對爐膛及爐底板下的氧化物（包括電阻帶下）應(yīng)進(jìn)行定期清潔，并檢查加熱元件的使用情況。加熱元件經(jīng)短期使用后便不得拗折、碰撞，如尚未嚴(yán)重腐蝕而折斷時，可用與電爐絲相同的材料通過402 不銹鋼焊條焊接，若加熱元件嚴(yán)重腐蝕不能使用時，則應(yīng)另行更換。同時應(yīng)定期檢查爐襯（爐底）的使用情況，若有輕微損壞（如擱磚松動、脫落等）可用泥漿涂抹砌筑。爐襯重砌后，亦應(yīng)按烘爐工藝要求進(jìn)行烘干。熱電偶的使用情況應(yīng)作為重點進(jìn)行定期檢查，防止因熱電偶的損壞造成測溫不準(zhǔn)。

3 熱處理爐熱處理效率優(yōu)化效果驗證

3.1 對于加熱效率的測定

根據(jù)《箱式電阻爐校準(zhǔn)規(guī)范》（JJF 1376-2012）對優(yōu)化后的退火爐進(jìn)行多溫度段測試，共測試了180 ℃、350 ℃、550 ℃、750 ℃、850 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃共7 個溫度段。測試結(jié)果顯示溫度段為180 ℃時，測試點3 的溫度差最大，達(dá)到+4.99 ℃；溫度段為1 200 ℃時，測試點1 的溫度差最小，僅為-0.67 ℃。半小時最大保溫偏差均小于5 ℃，溫度均勻性得到明顯提升。180 ℃和1 200 ℃時的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分別見表4和表5。

表4 180 ℃測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 ℃

表5 1 200 ℃測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 ℃

3.2 熱處理效果的驗證

對改造前熱處理材料出現(xiàn)的黏片、加熱不均勻等情況進(jìn)行驗證。驗證結(jié)果顯示硅鋼、船板等試樣中溫處理后無氧化，符合退火處理后試樣表面質(zhì)量要求（如圖3 所示）。選取多規(guī)格、多種類試樣金相組織進(jìn)行評定，驗證了試料的組織符合理論變化。試驗結(jié)果表明改造后的熱處理爐實際應(yīng)用效果良好，符合生產(chǎn)的實際需要。

圖3 熱處理后試樣

3.3 升溫速率提升的驗證

為驗證升溫速率的提升，對改造后的熱處理爐進(jìn)行各溫度段升溫速率測試，各溫度段升溫速率對比見表6，可以看出升溫速率均得到了有效提升。

4 結(jié)果及探討

熱處理爐廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其加熱效率的提升有重要意義。本文根據(jù)實測數(shù)據(jù)對熱處理爐進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并對改造結(jié)果進(jìn)行了驗證。驗證結(jié)果表明改造后熱處理爐加熱效率更高，能更好滿足生產(chǎn)需要。

經(jīng)過優(yōu)化后熱處理爐升溫效率的提升較為明顯。在實際生產(chǎn)過程中需要反復(fù)調(diào)節(jié)不同的溫度，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)550 ℃以下時，熱處理爐降溫速率明顯低于1 200 ℃到600 ℃時，因此對于需要反復(fù)降溫、升溫的應(yīng)用場景仍有優(yōu)化空間。筆者后期也將開展對于降溫、保溫、升溫全熱處理流程的探索，以期能夠優(yōu)化熱處理流程，進(jìn)一步降低能耗、提高熱處理效率。