江蘇LGD軸承研究所（南通 226001）黃 培

一、緒言

對于熱處理節(jié)能途徑的關(guān)注，長期以來人們都集中在工藝裝備和管理技術(shù)諸方面，最新文獻的歸納更加具有代表性，西安電爐研究所的袁芳蘭等指出：電熱裝置的主要節(jié)能途徑有以下8個方面，其中：

（1）合理選擇電加熱方式和爐型。

（2）減少電熱設(shè)備的熱損失。

（3）提高電效率。

（4）提高裝置的自動化程度。

（5）余熱的回收和利用。

（6）改革工藝流程和采用節(jié)能工藝。

（7）提高裝置的利用率。

（8）加強節(jié)能管理和對設(shè)備能耗狀況的監(jiān)測。

眾所周知這些措施無疑都是正確的，問題在于，文中第五項所述余熱回收和利用，僅僅指出“回收生產(chǎn)過程中排出的高于環(huán)境溫度的氣態(tài)、液態(tài)等流體所載的熱能，并加以重復(fù)利用，如利用外排高溫煙氣預(yù)熱爐料，罩式爐采用一罩多爐充分利用爐罩余熱，采用熱泵技術(shù)回收低溫熱采用汽化冷卻技術(shù)利用其所產(chǎn)生的蒸汽”。這是遠遠不夠的，應(yīng)該有效補充，作為當今的先進節(jié)能技術(shù)高溫固體熱回收技術(shù)，才能錦上添花。當今世界的發(fā)達國家，無論歐美還是日、俄（蘇聯(lián)），余熱利用早已不僅限于回收爐窯有關(guān)的氣體、液體熱能，更是著眼于回收作為有效熱存在的高溫固體工件的有效熱，因為后者數(shù)值可觀，節(jié)能潛力更大。

二、國外技術(shù)的消化與吸收

1.熱回收型電爐的異軍突起

筆者從事熱處理50年，近30年集中關(guān)注國際上節(jié)能熱處理設(shè)備的發(fā)展，根據(jù)追蹤：早在1962年，前蘇聯(lián)薩科羅夫在其專著《熱處理車間的機械化和自動化》中披露，由于使用熱回收型退火爐，銅材的熱處理能耗降低到130kW·h/t。

1983年，日本的大同特鋼研發(fā)成功熱回收型軸承鋼連續(xù)球化退火爐；當年在日本工業(yè)爐手冊中介紹的熱回收型推桿式電爐與從前的形式相比較，單位耗電量大幅度降低到原先的1/4左右?；蚴且驗槠占?，或是因為保密，在1997年新版日本工業(yè)爐手冊中，卻將該技術(shù)內(nèi)容隱去。

2008年，美國專著論述工業(yè)爐原理、設(shè)計和操作中，著重闡明高溫固體工件熱回收技術(shù)的潛力和廣泛應(yīng)用前景。指出高溫產(chǎn)品熱回收的可能性存在該產(chǎn)品保溫之后需要冷卻的場合，對熱態(tài)固體而言，其熱量為hc=CPd△T。

在2011年德國杜塞爾多夫國際熱工展會上，電爐名家奧地利EBNER公司首次公開了罩式爐兩爐一器的熱回收技術(shù)，使退火節(jié)電達到47kW·h/t。

2.基本原理探討與考證

通過綜合分析發(fā)現(xiàn)，熱回收型熱處理電爐的理論基礎(chǔ)就是在熱處理工藝的加熱、保溫、冷卻3個過程中，將加熱和冷卻過程有機結(jié)合，分析熱平衡方程，創(chuàng)造性地將工件冷卻過程放出的熱量用來加熱新進爐的工件，使爐子產(chǎn)生“重能”以減少供給能的方法，從而大大提高電爐的熱效率。如用數(shù)學式表達，則有熱平衡方程為Qt=Qeff+Qw。熱效率方程為ηt=Qeff/En，正如文獻所述，一般情況下，電熱裝置的熱效率為0.5～0.8。

至于熱回收，此處指的是高溫固體工件的熱回收，就是回收熱量，通過熱回收，可大大提高熱效率，甚至ηt≥100%，建立起新的熱平衡，使設(shè)備中出現(xiàn)重能，能實現(xiàn)這一功能的設(shè)備才稱得上先進節(jié)能的熱處理設(shè)備。

舉例：當一臺電爐的熱平衡有如下數(shù)據(jù)時

100（供給能）＝60（有效能）+40（能損失）

該電爐的熱效率為η＝60%

熱回收技術(shù)的本質(zhì)描述是熱平衡方程中各項目中部分能量的增減或轉(zhuǎn)移。

（1）在單純改善電爐絕熱時

100＝60+40變成（100-10）90＝60+30（40-10），此時絕熱工程使熱效率上升到67%。

（2）在單純熱回收時（熱回收率50%）

100＝60+40變成（100-30）70＝60+40。熱效率η＝60/70＝86%。

（3）兩者綜合作用時

100＝60+40改變成（100－30－10）60＝60+30。此時η＝100%。

因此，難怪2008年的美國人聲稱熱回收是一種奇妙的加能器（Capitallg intensive），道理就在這里。

三、自主創(chuàng)新研發(fā)專利推進產(chǎn)業(yè)化

21世紀十多年來，筆者通過合作攻關(guān)，先后將4項實用新型專利實施成功，探索開辟了中國熱回收型熱處理電爐的創(chuàng)新發(fā)展之路（見表1）。

表1 熱回收型電爐的研發(fā)狀況（截止2013年底）

下面以后三項為代表詳細說明。

1.雙向蓄熱型連續(xù)球化退火爐

該設(shè)計2011年獲得專利權(quán)，當年轉(zhuǎn)讓河南正恒爐機科技有限公司實施，目前已有兩臺套ZHRTd—400—8電爐在山東衛(wèi)海公司及河南洛陽興峰軸承公司正常運行，平均單位電耗由原來的300kW·h/t降低到125kW·h/t左右，節(jié)能率近60%。

（1）電爐結(jié)構(gòu)設(shè)計 新研發(fā)的電爐廣泛應(yīng)用于軸承生產(chǎn)中鍛件的球化退化，具有獨特的熱能回收結(jié)構(gòu)，它有兩個平行反向設(shè)置的爐道，每個爐道依次排列有預(yù)熱段、加熱保溫段、快冷段、等溫段和冷卻段。兩上爐道中，一個爐道的預(yù)熱段與另一個爐道冷卻段之間設(shè)置熱交換機構(gòu)，以空氣作傳質(zhì)充分利用爐道高溫工件冷卻放出的熱量，對另一個爐道的進爐工件預(yù)熱，余熱可以將新進爐工件加熱到450℃以上，使熱效率大大提高。

（2）主要技術(shù)參數(shù) 設(shè)備型號：ZHRTd-400-8；額定功率：400kW(200×2)；額定溫度：850℃；加熱室有效空間：9000mm×700mm×600mm；技術(shù)生產(chǎn)率：1000kg/h；熱交換器有效空間：6100mm×700mm×600mm；爐用料盤數(shù)量：88（44×2）；外形尺寸：27000mm×2800mm×1850mm；總重量：48t。

（3）結(jié)構(gòu)及特點 加熱室為方形雙通道結(jié)構(gòu)，外殼用δ＝6mm厚鋼板和型鋼密封焊接而成，由兩臺RJT—200節(jié)能型等溫退火爐反向布置，相互獨立復(fù)合一體設(shè)計而成。爐襯是全纖維結(jié)構(gòu)，首次采用變厚度的爐襯設(shè)計，由于等溫退火爐依次排列著加熱區(qū)、保溫區(qū)、快冷區(qū)、等溫區(qū)和爐冷區(qū)，因此，在電爐前兩區(qū)的爐襯厚度為380mm，后三區(qū)的爐襯厚度為270mm。

熱交換器：雙通道等溫退火爐的兩端設(shè)計有兩臺高效熱交換器，以實現(xiàn)工件等溫結(jié)束后顯熱的熱回收，即熱量循環(huán)再利用。每臺熱交換器由6個熱交換室組成。熱交換室使得冷工件的預(yù)熱借相鄰爐道中金屬冷卻時的放熱實現(xiàn)。為了改善熱傳效果，在該區(qū)頂部安裝有離心風機和專門的通道。

爐內(nèi)快冷管路：電爐內(nèi)設(shè)計有快冷區(qū)，以保證等溫冷卻時，工件能均勻快速地冷卻到等溫保持溫度。快速冷卻既能縮小爐體長度，減少爐壁散熱，又能使工件的內(nèi)部組織更為細化和均勻。

該電爐結(jié)構(gòu)另一個特點就是采用兩個閉式縱向的循環(huán)通道，將工件快冷降溫區(qū)放出的熱量不足排空，而是有效地另以利用，其循環(huán)回路為：熱交換器出料端→加壓送風機→快冷風管總管（流經(jīng)5支管）→爐內(nèi)熱風總管→熱交換器進料端→熱交換器出料端。其風量大小靠閥門調(diào)節(jié)。

2.熱回收型連續(xù)正火爐

熱回收型連續(xù)正火爐構(gòu)思10年、方案論證3年，在熱回收型連續(xù)退火爐成功運行的基礎(chǔ)上研制開發(fā)，2009年獲得專利授權(quán)，同年轉(zhuǎn)讓蘇州工業(yè)園區(qū)華新電爐廠開始制造，2010年5月首臺樣機在江陰耐土鐵金屬制品有限公司運行，該公司共采購了三臺替代了全部20臺臺車爐，之后又有兩臺分別在安徽和廣東同行業(yè)工廠投入運行，狀態(tài)良好。

（1）概述 針對普通正火爐工件空冷存在熱能大量浪費、污染環(huán)境的情況，研制出在密封環(huán)境下快速仿真空冷的熱回收型連續(xù)正火爐，相比臺車爐節(jié)能40%左右，產(chǎn)能提高。

空調(diào)壓縮機用缸缸體常用FCD25共晶灰鑄鐵經(jīng)金屬型鑄造而成，其化學成分見表2。在鑄造狀態(tài)得到的D型石墨坯件，一般均施行正火處理，以得到珠光體+鐵素體基底，正火的技術(shù)要求為：抗拉強度≥230MPa；硬度為170～219HBW；金相組織中依ASTM標準，D型石墨含量為80%以上，珠光體含量為15%～30%。一般多采用臺車式電阻爐（多達20臺）加熱，保溫后抽出臺車，翻轉(zhuǎn)臺面，傾倒后吹風噴冷。此方法能耗高（420kW·h/t左右），勞動強度大，環(huán)境熱污染嚴重，冬季車間溫度都高達50℃以上。

表2 缸體的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

針對上述情況，對高溫固體顯熱通過傳質(zhì)實現(xiàn)熱交換回收進行研究，在熱回收型連續(xù)退火爐的基礎(chǔ)上，研制出了熱回收型連續(xù)正火爐，該正火爐已有5臺投產(chǎn)運行，各項狀態(tài)運行穩(wěn)定。

（2）電爐設(shè)計原理 新型連續(xù)正火爐具有雙層爐道結(jié)構(gòu)。爐子的上層爐道前端為預(yù)熱段，后端為加熱區(qū)和保溫段，下層爐道依次設(shè)置有快冷段和緩冷段；上層爐道有一條主傳送帶，下層爐道有兩條傳送帶，即2#和3#傳送帶。電爐的核心技術(shù)是將正火冷卻時金屬放出的熱量用于熱交換器內(nèi)新進爐工件的預(yù)熱，由于所有傳送帶都沒有直接裸露在爐體外，因此，大大減少了封閉爐內(nèi)熱量循環(huán)的熱能損耗。

①主要技術(shù)參數(shù)。設(shè)備型號：SHRN-380-9；定額功率：380kW；額定溫度：930℃；加熱室有效空間：8000mm×800mm×200mm；生產(chǎn)效率：800kg/h；熱交換器有效空間：5000mm×800mm×1200mm；外形尺寸：13800mm×2500mm×3800mm；總重量：48t。

②結(jié)構(gòu)特點。加熱室為托輥支撐型網(wǎng)帶加熱爐，瓷管芯螺旋電熱體加熱器總功率為380kW，由72支加熱管均勻分擔，爐內(nèi)呈4個加熱區(qū)布置，按工藝要求，獨立控溫，爐襯采用陶瓷纖維氈加輕質(zhì)耐火磚復(fù)合結(jié)構(gòu)；噴冷正火冷卻室位于加熱爐的下方，由返回的一級網(wǎng)帶機構(gòu)和噴冷箱、噴風嘴及高壓風機等組成。為了調(diào)節(jié)風冷強度，正火冷卻配備“2+3”結(jié)構(gòu)的風機裝備。為了節(jié)約能源，優(yōu)化工作環(huán)境，噴冷室對外是絕熱的；熱回收室由4臺循環(huán)風機和專用風道承擔空氣工質(zhì)的循環(huán)運動，由于灼熱工件熱量的回收，可方便新進爐工件在進入電熱區(qū)之前工件表面溫度達到350～400℃。工件經(jīng)由二級網(wǎng)帶輸出爐外；電器控制系統(tǒng)采用智能儀表控制，溫控精度優(yōu)于±2℃。

（3）使用效果

冷態(tài)調(diào)試：所有機構(gòu)動作（包括自動上料），均按完整的操作程序聯(lián)動，準確定位各傳送帶速度、控制位置；調(diào)整噴冷機的各風機風量和各區(qū)段傳送帶的水平度及張緊度（3長傳送帶的結(jié)構(gòu)、張緊方式和傳送速度均不同）。

熱態(tài)調(diào)試：①烘爐，打開電爐外門，按30℃/h速度升溫到200℃保持48h，400℃保持48h，600℃保持48h。②裝料入爐，將缸體以兩層方式平鋪于傳送帶上，工藝制度為一區(qū)850℃、二區(qū)900℃、三區(qū)900℃、四區(qū)900℃，總加熱為90min開始進行工藝試驗，全部工藝正常達產(chǎn)為止。

工藝試驗：按照FCD-25共晶鑄鐵的典型正火工藝進行試驗，正火溫度穩(wěn)定為880℃，加熱保溫80min，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)快冷各風機閥門。經(jīng)兩個月生產(chǎn)統(tǒng)計，正火工件的日產(chǎn)量可達18～20t，工件硬度為170～219HBW，金相組織均符合技術(shù)要求；單位耗電為260～270kW·h/t，比臺車爐（420kW·h/t）節(jié)電約40%。

對GCr15鋼軸承鍛件進行正火工藝試驗，其目的是細化組織，消除網(wǎng)狀碳化物，節(jié)省能源。鍛坯型號為6308/01，加熱規(guī)范為900℃×60min，冷卻速度同鑄鐵缸體工藝，工件正火后硬度為294～302HBW（31.5～32.5HRC），顯微組織為100%索氏體，金相組織等完全達到了工藝目的。

3.U式熱回收型連續(xù)正火爐

2011年12月12日申報了一項最新的專利，名稱為“U式熱回收型連續(xù)正火爐”。當年轉(zhuǎn)讓蘇州工業(yè)園區(qū)新凌電爐有限公司投產(chǎn)制造，2013年12月新型正火爐XLZH-400-9在浙江天元機械制造有限公司通過驗收，驗收報告指出：合同正火能耗≤260kW·h/t，實際結(jié)果為211.7（凈252.3）kW·h/t（GW）；產(chǎn)品正火后能達到工藝要求，質(zhì)量和耗電量達到設(shè)計要求。這一結(jié)果填補了國內(nèi)空白，在世界上也屬首創(chuàng)。

其原理結(jié)構(gòu)：U式熱回收型連續(xù)正火爐中設(shè)置有左右兩個爐道，左右兩個爐道通過保溫橫向轉(zhuǎn)移小車連續(xù)成U型，左右爐道中依次設(shè)置有預(yù)熱段、加熱段和保溫段，在右爐道中依次設(shè)置有快冷段和緩冷段，左爐道的預(yù)熱段與右爐道的緩冷段對稱設(shè)置，兩者之間通過熱交換結(jié)構(gòu)相連通，在左爐道中設(shè)計有使料盤工件移動的滾輪導軌，爐外有推料杠，在右爐道中設(shè)置有料盤移動的鏈條機構(gòu)，在電爐的加熱段和保溫段中設(shè)置電加熱體，在快冷段中設(shè)置風冷卻系統(tǒng)，在熱交換系統(tǒng)中有循環(huán)風機和風道。

工作時，電爐事先加熱到工藝規(guī)定的溫度，然后依次將工件推進爐內(nèi)，按自動程序進行，其推料節(jié)拍為20～40min/次。

U式熱回收型連續(xù)正火爐技術(shù)數(shù)據(jù)如表3。

表3 XLZH-400設(shè)備設(shè)計技術(shù)數(shù)據(jù)

2013年5月在浙江天元機械有限公司安裝調(diào)試，情況如下：

（1）爐子性能測試 爐子加熱并充分保溫后，對II、III區(qū)分5個溫度段進行爐溫均勻性、爐壁溫升及其他相關(guān)性能的測試結(jié)果分別是：800℃時爐內(nèi)溫差為±8℃，爐壁溫升20℃；850℃時爐內(nèi)溫差為±7.5℃，爐壁溫升26℃；900℃時爐內(nèi)溫差為±7.5℃，爐壁溫升30℃；工作出爐溫度10～230℃；預(yù)熱室溫度360～430℃（儀表測溫顯示）；空爐升溫時間≤2.5h。

（2）工藝試驗及實際生產(chǎn)運行 加工產(chǎn)品及材質(zhì)種類（汽車零部件）：35鋼制動法蘭、板簧下座；45、20Mn2鋼各種調(diào)整臂；40Cr鋼蝸輪、蝸桿、角度調(diào)節(jié)板、聯(lián)軸器；20CrMnTi鋼扇形自鎖塊、前進擋撥塊。

四、新爐型與傳統(tǒng)爐型的比較

1.新老爐型單位能耗

目前，國內(nèi)機械行業(yè)普遍采用的是箱式爐、臺車爐、推桿式爐等傳統(tǒng)爐型，鑄鍛件正火工序產(chǎn)品單位電耗約400kW·h/t；本熱回收爐型正火爐產(chǎn)品單位電耗245.7kW·h/t（不含料筐）。

2.新老爐型主要技術(shù)及經(jīng)濟指標比較

設(shè)備生產(chǎn)率按750kg/h，負荷率按80%（全年可處理5256t），電費按0.9元/kW·h計算。熱回收型正火爐與老爐型主要性能及經(jīng)濟指標比較見表4。

由表可見，采用熱回收型正火爐熱處理爐連續(xù)正常生產(chǎn)，運行兩年左右即可從節(jié)約電費中收回全部設(shè)備投資。

五、結(jié)語

（1）綜上所述，熱回收型正火退火爐填補了我國先進熱處理設(shè)備的空白，優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能環(huán)保，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

表4 正火爐新、老爐型主要性能及經(jīng)濟指標比較

（2）建議政府對先進節(jié)能設(shè)備加大扶持力度，加速節(jié)能產(chǎn)品更新?lián)Q代及其產(chǎn)業(yè)化。

（3）本課題始終得到中國工程院潘健生院士、中國科學院徐祖耀院士、蔡美良教授、恩師陳仲連等的關(guān)心、指導和支持，相關(guān)企業(yè)的有效合作對專利實施成功至關(guān)重要，特此致謝。