連鑄三大件熱處理的節(jié)能環(huán)保窯爐研究

鮑 志 周文春 鮑顥文

（1 江蘇奧能耐火材料有限公司，宜興 214225；2 無錫市高得上新材料有限公司，宜興 214221）

0 前 言

連續(xù)鑄鋼簡稱連鑄，是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)中的重要生產(chǎn)工序。連鑄三大件（長水口、浸入式水口和整體塞棒）與高溫鋼水直接接觸，需要具有良好的抗熱震性及渣線部位的抗侵蝕性能。其本體部位采用高石墨含量的鋁碳材料，渣線部位采用鋯碳材料，加強(qiáng)抗保護(hù)渣的侵蝕能力。連鑄三大件本質(zhì)上是鋁鋯碳復(fù)合材料制品，屬于一種新型高溫陶瓷材料。

在連續(xù)鑄鋼的過程中，分別使用長水口和浸入式水口作為保護(hù)套管，分隔了高溫鋼水和空氣，使高溫鋼水不接觸空氣被氧化。在中間包中，通過整體塞棒控制鋼水流向浸入式水口的流速，浸入式水口可以控制鋼水的流動(dòng)速度，同時(shí)穩(wěn)定結(jié)晶器中的鋼水液面，保證鋼水在結(jié)晶器中有合理的流動(dòng)場和溫度場。

連鑄三大件生產(chǎn)中采用了少量金屬原料，如金屬硅微粉、金屬鋁粉等，但是按照傳統(tǒng)習(xí)慣，生產(chǎn)連鑄三大件所使用的熱處理爐歸屬于無機(jī)非金屬材料窯爐中的耐火材料窯爐。

連鑄三大件主要采用樹脂作為成形的結(jié)合劑，成型后低溫烘烤（200 ～300 ℃），初步固化制品和排出水分，然后進(jìn)行800 ～1 100 ℃高溫?zé)崽幚?，促進(jìn)制品中的結(jié)合劑碳化后形成網(wǎng)絡(luò)狀的殘?zhí)迹M(jìn)一步加強(qiáng)了制品的強(qiáng)度。

1 連鑄三大件的傳統(tǒng)熱處理爐的現(xiàn)狀與問題

1.1 連鑄三大件的傳統(tǒng)熱處理爐的分類及發(fā)展史（見圖1）

圖1 連鑄三大件熱處理爐的發(fā)展歷程

按作業(yè)方式的連續(xù)性，熱處理爐可分為連續(xù)式窯爐（隧道窯、推板窯等）和間歇式窯爐（梭式窯、倒焰窯、罩式爐等）。連續(xù)式窯爐適應(yīng)大批量產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，但生產(chǎn)周期控制不夠靈活。間歇式工作的窯爐主要以臺(tái)車窯為代表，污染嚴(yán)重、勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境較差的倒焰窯已經(jīng)基本淘汰，間歇式工作的臺(tái)車窯適合多品種的小批量產(chǎn)品的及時(shí)生產(chǎn)，但是能耗較高、污染大。

20 世紀(jì)70年代初，日本最早研究連鑄工序采用鋁碳質(zhì)浸入式水口，熱處理爐使用預(yù)埋碳燒成到現(xiàn)在的扣不銹鋼罩燒成，同時(shí)根據(jù)需要向窯爐內(nèi)充入大量保護(hù)性氣體，以避免產(chǎn)品被氧化。國內(nèi)從20 世紀(jì)80代初開始從日本引進(jìn)技術(shù)，所使用的熱處理爐最初也是采用預(yù)埋碳燒成的窯爐，后來陸續(xù)改進(jìn)使用扣不銹鋼內(nèi)膽燒成的窯爐。

1.2 傳統(tǒng)連鑄三大件熱處理爐的主要問題

（1）燒成周期過長

傳統(tǒng)熱處理爐使用不銹鋼內(nèi)膽，升溫過程需要先加熱內(nèi)膽，再由內(nèi)膽對(duì)制品輻射加熱，降溫時(shí)由于多了一層內(nèi)膽，降溫速度也受到影響。因?yàn)橹破窡崽幚頊囟容^高，升溫需要時(shí)間，降溫過程中又要避免氧化，只能在爐膛中慢慢冷卻，整個(gè)燒成周期少則一周，多則十幾天。

（2）安全問題

如果使用燃?xì)饣蛉加妥鳛闊崃縼碓?，燃燒的火焰?huì)帶來一定的安全隱患，燃料儲(chǔ)運(yùn)及輸送都需要操作安全。電爐在熱處理時(shí)無明火，不需要可燃原料，杜絕了很多安全隱患，不排放因燃燒而產(chǎn)生的廢氣和灰塵，節(jié)省空間和成本，不需要鍋爐燃料箱等附屬裝置。但是電爐容易發(fā)生由于電阻絲表面積碳，從而在使用中引起拉弧引發(fā)爐體漏電、電阻絲斷裂等故障，造成爐殼帶電，形成新的安全隱患。

（3）使用成本高

一套不銹鋼內(nèi)膽的價(jià)格幾乎是單臺(tái)設(shè)備的一半左右，客戶更換一套內(nèi)膽成本較高，如果采用焊接解決變形開裂的問題，又可能導(dǎo)致內(nèi)膽反復(fù)開裂。使用窯車等窯具，每次進(jìn)出窯也需要先升溫再冷卻，也浪費(fèi)了部分能源，使用燃料或燃?xì)猱a(chǎn)生的大量煙氣會(huì)帶走很多熱量。使用不銹鋼內(nèi)膽時(shí)，還需充入保護(hù)性氣體（比如氮?dú)猓?，額外增加了生產(chǎn)成本。

（4）質(zhì)量問題

不銹鋼內(nèi)膽受高溫和腐蝕性氣體影響，在反復(fù)使用過程中容易變形、開裂損壞，造成內(nèi)膽與外部空間連通，制品被氧化報(bào)廢。采用火焰燃燒還可能造成窯內(nèi)各處溫度不均勻，靠近火焰的地方溫度偏高。

（5）廢煙氣處理效果差、費(fèi)用高

連鑄三大件的熱處理過程中，結(jié)合劑產(chǎn)生的有機(jī)揮發(fā)物主要有烷類、烴類、醇類、甲醛和苯酚等，有強(qiáng)烈的腐蝕性和濃重的臭味，在冷卻時(shí)成為黏性油狀物，比較難以進(jìn)行環(huán)保處理。采用外部燃料燃燒產(chǎn)生熱量，燃燒產(chǎn)生的廢煙氣以及充入的保護(hù)性氣體與自身揮發(fā)物混合到一起，一方面帶走更多熱量，另一方面也是增加了待處理的廢煙氣量。

2 新型連鑄三大件熱處理爐的創(chuàng)新開發(fā)

2.1 用戶真實(shí)需求信息的收集歸納

（1）圍繞質(zhì)量要素的熱處理爐的原始信息收集（見表1）

表1 熱處理爐部分質(zhì)量要素信息

圍繞爐內(nèi)氣氛合適的需求是最主要的用戶需求，制品中的石墨不能被氧化，否則會(huì)影響產(chǎn)品的抗熱震性能，降低產(chǎn)品的使用壽命。

（2）圍繞時(shí)間要素的熱處理爐原始信息收集（見表2）

表2 熱處理爐部分時(shí)間要素信息

鋼廠多采用現(xiàn)代化管理，控制庫存，一條連鑄生產(chǎn)線同時(shí)使用長水口、塞棒及浸入式水口，三大件制造商需要小批量、多品種及時(shí)供貨。

（3）圍繞成本要素的熱處理爐的原始信息收集（見表3）

表3 熱處理爐部分成本要素信息

降低成本是每個(gè)熱處理爐的客戶重要考慮的方面，尤其在購置和使用中直接產(chǎn)生的成本，制品燒成費(fèi)用也是大多數(shù)用戶控制成本的指標(biāo)值。

（4）圍繞環(huán)保特性的熱處理爐需求調(diào)查（見表4）

表4 熱處理爐部分環(huán)保要素信息

2.2 用戶需求信息的分析與轉(zhuǎn)換

（1）用戶需求信息的魚骨圖分析（見圖2）

圖2 魚骨圖分析熱處理爐的客戶需求

大多數(shù)客戶提出使用設(shè)備省錢的需求，可以應(yīng)用魚骨圖法分析出具體的客戶需求。

（2）用戶的需求描述需要轉(zhuǎn)換為窯爐開發(fā)的專業(yè)描繪（見表5）

表5 部分客戶需求的轉(zhuǎn)換

（3）客戶需求信息的分類整理（見表6）

表6 熱處理爐的部分客戶真實(shí)需求

2.3 節(jié)能環(huán)保熱處理爐結(jié)構(gòu)的選取方案

經(jīng)過對(duì)用戶真實(shí)需求的分析，選取關(guān)鍵要素作為設(shè)計(jì)改進(jìn)方向，發(fā)明創(chuàng)造出新型無內(nèi)膽防氧化快速燒成爐和配套的煙氣專用焚燒爐，作為連鑄三大件熱處理環(huán)保節(jié)能設(shè)備。

（1）取消不銹鋼內(nèi)膽，使用單向閥原理的爐體結(jié)構(gòu)

取消不銹鋼內(nèi)膽后，在爐口設(shè)置類似單發(fā)閥的可活動(dòng)內(nèi)蓋，內(nèi)蓋四周使用砂封封閉在爐口法蘭處，使得爐內(nèi)形成一個(gè)密封空間。在熱處理過程中，排放的揮發(fā)性氣體越來越多，爐內(nèi)達(dá)到一定壓力時(shí)產(chǎn)生向上的壓力克服了內(nèi)蓋的自重，將內(nèi)蓋稍稍頂起，氣體迅速外排，這時(shí)導(dǎo)致爐內(nèi)氣壓下降，內(nèi)蓋在自重影響下落到砂封槽又形成密封。如此反復(fù)，爐內(nèi)氣體只能外排，始終保持了爐內(nèi)的還原氣氛。這種結(jié)構(gòu)無需不銹鋼內(nèi)膽，也不需要充入保護(hù)性氣體，使用維護(hù)成本低。制品只需裝入簡單的吊筐，無需配置窯車等窯具，加熱元件直接輻射加熱制品，傳熱效率高。

（2）成組布置表面絕緣的加熱元件

傳統(tǒng)熱處理爐的加熱元件通常采用了3 組發(fā)熱元件，每組是一根發(fā)熱元件，考慮每組分別采用多根串聯(lián)或并聯(lián)的發(fā)熱元件，工作中單根發(fā)熱元件損壞后還可以繼續(xù)工作，只是影響了熱處理時(shí)間，避免了熱處理過程中原有單根發(fā)熱元件損壞就不能繼續(xù)工作的問題。同時(shí)發(fā)熱管采用表面絕緣的耐高溫、耐腐蝕材料，避免原有發(fā)熱元件（電阻絲）拉弧等導(dǎo)致的漏電安全隱患。

（3）廢煙氣焚燒室

使用電加熱方式確保只需處理自身分解揮發(fā)的有害氣體，由于煙氣濃度較大，把煙氣引到爐體底部的煙氣高溫焚燒室焚燒處理后排放，同時(shí)還可以利用廢煙氣燃燒的熱量加熱制品，也可以把煙氣引到外部的專用煙氣焚燒爐焚燒，同時(shí)進(jìn)行焚燒余熱的回收利用。

（4）縮短升溫時(shí)間，分區(qū)精確控溫

加大熱處理爐總功率，分區(qū)域精確控溫，縮短需要的實(shí)際升溫時(shí)間，同時(shí)采取每噸制品需要的熱量基本不變，由于時(shí)間縮短，可以充分利用電價(jià)低谷時(shí)間，降低熱處理的總電費(fèi)，減少了制品的燒成費(fèi)用，另一方面提高了設(shè)備有效運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。

（5）加快冷卻

在爐內(nèi)側(cè)布置多組耐高溫、耐腐蝕不銹鋼管，在冷卻階段連續(xù)向管內(nèi)注入冷卻水，冷卻水出來后變?yōu)闊崴沙浞只厥绽?，同時(shí)在保證爐內(nèi)密封的情況下降低了爐內(nèi)溫度，縮短了冷卻時(shí)間。由于采用內(nèi)外雙層蓋結(jié)構(gòu)，在相對(duì)較高的溫度下，可先打開大蓋進(jìn)行直接冷卻，由于爐內(nèi)還有小蓋，可以避免高溫制品與空氣接觸，導(dǎo)致制品氧化的缺陷。

2.4 概念設(shè)計(jì)方案的生成

最終設(shè)計(jì)的新型熱處理爐（無內(nèi)膽防氧化快速燒成爐）概念設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。

圖3 無內(nèi)膽防氧化快速燒成爐

（1）無內(nèi)膽防氧化快速燒成爐在連鑄三大件熱處理生產(chǎn)中的應(yīng)用效果

無內(nèi)膽防氧化快速燒成爐及煙氣專用焚燒爐均獲得國家發(fā)明專利，并應(yīng)用在多家連鑄三大件、鎂碳磚、滑板等含碳制品廠家，以實(shí)際應(yīng)用到浸入式水口的熱處理為例，應(yīng)用效果較好。

（2）實(shí)際生產(chǎn)周期縮短

爐底部加熱，燒成時(shí)間從30 小時(shí)縮短一半左右，整個(gè)燒成周期可縮短到3 天左右。

（3）廢煙氣處理成本低，環(huán)保效果好

廢煙氣中沒有燃燒煙氣及充入的保護(hù)性氣體，煙氣中有機(jī)揮發(fā)物濃度到一定值后可自行焚燒，無需更多的輔助燃料，降低成本，制品燒成費(fèi)用低。實(shí)際生產(chǎn)中，噸制品熱處理的廢煙氣焚燒消耗液化氣3.5 kg左右。處理前廢煙氣中非甲烷總烴89.8 mg/M3，臭味54 000（無量綱），處理后非甲烷總烴0.64 mg/M3，臭味2 100（無量綱），處理效果分別達(dá)到99.28%及96.11%。煙氣處理后達(dá)標(biāo)排放，現(xiàn)場無明顯異味，工人生產(chǎn)環(huán)境大為改善。

（4）購置及使用維護(hù)成本低

雖然在加熱管及內(nèi)外蓋設(shè)置上增加費(fèi)用，但由于取消不銹鋼內(nèi)膽，大大降低了用戶的購置和使用成本，同時(shí)還增加了爐內(nèi)有效容積，處理過程中實(shí)際使用記錄表明了制品燒成費(fèi)用明顯下降，原來噸處理電量降低到300 ～400 度電?？紤]到實(shí)際升溫時(shí)間縮短，可設(shè)置在谷電電價(jià)較低時(shí)升溫，實(shí)際噸處理成本大約100 ～200 元。

（5）余熱可充分回收

煙氣高溫焚燒后產(chǎn)生了大量熱量，可以通過爐底的碳化硅板傳給爐內(nèi)需要加熱的制品，如果設(shè)置在外部的專用煙氣焚燒爐同樣可以通過水管回收熱量。制品冷卻階段，通過爐體的冷卻水管的流動(dòng)，水同樣可以回收部分熱量。

（6）操作簡單，安全可靠

電爐不需要使用可燃性氣體，爐內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)異常燃燒，爐內(nèi)沒有CO，熱處理比較安全，另外使用表面絕緣的耐腐蝕發(fā)熱元件，避免發(fā)生電阻絲拉弧斷裂導(dǎo)致爐殼帶電。電加熱控制可以高精度溫度管理，還可以節(jié)省操作人員，維修也比較方便，可配備先進(jìn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)約人工成本。

（7）無需使用吸熱的保護(hù)性氣體

一方面節(jié)省了氣體發(fā)生裝置的基建費(fèi)用，另一方面不產(chǎn)生與保護(hù)性氣體相關(guān)的運(yùn)行成本，比如風(fēng)機(jī)等，同時(shí)還減少需要處理的廢煙氣量，降低廢煙氣帶走的熱量。

3 總 結(jié)

無內(nèi)膽防氧化快速燒成爐在取消不銹鋼內(nèi)膽的情況下，對(duì)連鑄三大件的熱處理高效節(jié)能環(huán)保，使用成本低、安全性能提高，這種熱處理爐排出的廢煙氣量低，可在達(dá)到自燃條件下進(jìn)行廢煙氣自己焚燒，處理高效、費(fèi)用低。對(duì)于其他含碳類耐材制品的熱處理，比如鎂碳磚的中溫烘焙，以及瀝青油浸滑板的再焙燒，熱處理過程中也不能被氧化，同時(shí)還有大量有機(jī)揮發(fā)物煙氣排出，因此應(yīng)用無內(nèi)膽防氧化燒成爐作為熱處理設(shè)備也同樣取得不錯(cuò)的效果。