■ 韋增磊

熱處理爐是工業(yè)裝備制造生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步起了很大作用。我國熱處理設(shè)備種類繁多、使用量大，影響廣泛，特別是在制造業(yè)行業(yè)的使用中占據(jù)主導(dǎo)地位，而制造業(yè)在工業(yè)發(fā)展中起重要作用，且占據(jù)國民經(jīng)濟(jì)的主體地位。

我國熱處理設(shè)備在工業(yè)發(fā)展中有了一定提高，但也存在著一些問題，機(jī)械自動(dòng)化水平低，高耗能，污染嚴(yán)重，生產(chǎn)工藝落后，企業(yè)管理制度模糊，給企業(yè)發(fā)展帶來嚴(yán)重阻力。近幾年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國家節(jié)能減排的政策的提出，對工業(yè)設(shè)備提出了更高的要求。利用新技術(shù)和新方法對熱處理爐進(jìn)行升級改造，使其滿足工業(yè)要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約能源消耗，減低企業(yè)成本，達(dá)到國家節(jié)能減排的目標(biāo)。

本文從燃?xì)鉄崽幚頎t的固溶處理和時(shí)效處理設(shè)備進(jìn)行分析，對固溶和時(shí)效爐進(jìn)行合理改造升級，通過改進(jìn)燃燒系統(tǒng)，增加煙氣余熱回收裝備等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其設(shè)備高效節(jié)能的應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)中。

一、燃?xì)鉄崽幚頎t現(xiàn)狀

燃?xì)鉄崽幚頎t種類繁多，企業(yè)根據(jù)自身生產(chǎn)情況選擇合理的設(shè)備，由于天然氣屬于一類資源，價(jià)格低，因而很多企業(yè)在熱處理爐燃料方面選擇天然氣，現(xiàn)在設(shè)備中，燃?xì)鉅t占70%以上。一般燃?xì)鉄崽幚頎t設(shè)計(jì)如圖1所示。

燃?xì)鉄崽幚頎t一般是由鼓風(fēng)機(jī)、燃燒器、循環(huán)風(fēng)機(jī)等組成（見圖1），鼓風(fēng)機(jī)提供燃燒器燃燒是所需的風(fēng)量和風(fēng)壓，燃燒器在爐內(nèi)的熱量在爐內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下，在爐內(nèi)循環(huán)，這樣爐內(nèi)各部位工件均勻受熱。待爐內(nèi)工件達(dá)到設(shè)定溫度后，燃燒器火焰變小或關(guān)閉火焰加熱。如果檢測爐內(nèi)溫度低于設(shè)定值，燃燒器火焰變大或者打開燃燒器加熱，以此循環(huán)到爐內(nèi)溫度穩(wěn)定，工件受熱達(dá)到設(shè)定溫度。

圖1所示設(shè)計(jì)是燃?xì)鉄崽幚頎t中固溶處理和時(shí)效處理爐的基本結(jié)構(gòu)，兩臺設(shè)備中，一臺是固溶處理，另一臺是時(shí)效處理，此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一般適用于鑄造鋁合金工件的處理，固溶處理是指通過加熱，保溫及快速冷卻實(shí)現(xiàn)固溶，提高工件力學(xué)性能和工件的塑性，以及工件在常溫的抗腐蝕性能。時(shí)效處理特性是指工件在較低的溫度或較短的時(shí)間下進(jìn)行，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和硬度。兩種處理方式對鑄造鋁合金工件其處理制度不同，固溶處理的溫度一般在510～540℃，爐內(nèi)保溫時(shí)間2～6h，冷卻介質(zhì)一般是水，溫度在40～100℃。時(shí)效處理的溫度一般為150～180℃，爐內(nèi)保溫時(shí)間2～5h，冷卻介質(zhì)一般是空氣自然冷卻。

兩種處理制度、處理工藝各有不同，對其設(shè)備的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求也不同，圖1的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，固溶爐和時(shí)效爐是獨(dú)立分開工作，爐子的設(shè)計(jì)中沒有綜合考慮設(shè)備節(jié)能減排方面的要求，使其造成大量的能源浪費(fèi)，煙氣帶走了大量的爐內(nèi)熱量，能源浪費(fèi)，污染環(huán)境，增加企業(yè)成本。

圖1 燃?xì)鉄崽幚頎t示意

二、燃?xì)鉄崽幚頎t節(jié)能改進(jìn)措施

燃?xì)鉄崽幚淼哪芎氖芏喾矫娴囊蛩赜绊?，綜合考慮主要在合理布局爐群，改進(jìn)優(yōu)化燃燒，采用新隔熱材料減少爐內(nèi)熱量損失，強(qiáng)化煙氣余熱回收和資源合理循環(huán)利用技術(shù)等方面的改進(jìn)。

1. 優(yōu)化爐群布局方案

車間熱處理爐整體合理布局，如熱處理爐數(shù)量多，在不同熱處理爐之間交替并列設(shè)置，在爐前面鋪設(shè)導(dǎo)軌，采用兩臺車在導(dǎo)軌上運(yùn)行，一臺負(fù)責(zé)工件進(jìn)爐，另一臺負(fù)責(zé)工件出爐，這樣固溶和時(shí)效不同爐之間交替使用，降低爐子的空置率，在其中一車負(fù)責(zé)工件出爐后，另一車開始裝料進(jìn)爐，縮短工件進(jìn)爐時(shí)間，提高工件進(jìn)出爐效率，充分利用工件出爐后爐內(nèi)溫度，節(jié)省熱量，提高生產(chǎn)效率。

如果車間熱處理設(shè)備數(shù)量少，可以采用一爐多車的組合，出現(xiàn)多臺車的臺車式熱處理爐，臺車交替使用，這樣可以縮短裝料時(shí)間，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。爐子空間合理布局，減少設(shè)備占地面積，使其公用裝料設(shè)備充分發(fā)揮效率，提高能源利用率，減輕企業(yè)生產(chǎn)成本。

2. 換熱器回收利用煙氣余熱

煙氣余熱回收主要有換熱技術(shù)和儲熱技術(shù)，而換熱器是煙氣余熱回收最有效和使用最廣泛的設(shè)備。近幾年來，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)需要，研制出了各種換熱器，比如輻射換熱器、對流管式換熱器等，金屬換熱器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列生產(chǎn)化，應(yīng)用于企業(yè)的設(shè)備中。

燃?xì)鉄崽幚淼墓倘芗皶r(shí)效爐換熱器設(shè)計(jì)如圖2所示，因固溶處理溫度較高，因而換熱器安裝到固溶爐的排氣管道中。風(fēng)機(jī)提供的助燃空氣在進(jìn)入燃燒器之前，都經(jīng)過換熱器，在換熱器中助燃空氣溫度較低，而從固溶爐中排出的煙氣，攜帶爐內(nèi)較高熱量，溫度較高，根據(jù)熱力學(xué)定律，存在溫度差，就存在熱傳遞，所以在換熱器內(nèi)，溫度較低的助燃空氣與溫度較高的煙氣進(jìn)行熱交換，這樣助燃空氣溫度升高，排出煙氣溫度降低。助燃空氣預(yù)熱后可以提高燃料的理論燃燒溫度，溫度的提高程度與燃料種類和助燃空氣預(yù)熱溫度有關(guān)，一般情況下空氣預(yù)熱溫度每提高100℃，可以提高理論燃燒溫度50℃左右，爐子的生產(chǎn)能力可以提高2%左右，根據(jù)其公式可以計(jì)算出預(yù)熱助燃空氣時(shí)燃料的節(jié)約率：

η= QW/（Qd+ QW-Qy）×100%

式中 η——燃料節(jié)約率（%）；

QW——空氣或空氣與燃?xì)馔瑫r(shí)預(yù)熱時(shí)得到的物理熱（kJ/m3）；

Qd——燃料低發(fā)熱量（kJ/m3）；

Qy——煙氣帶走的熱量（kJ/m3）。

一般認(rèn)為，每提高助燃空氣溫度100℃，燃料節(jié)約率在5%，安裝換熱器是有效的節(jié)能手段，投資少、見效快。在總供熱能力不變的情況下，回收燃?xì)庥酂?，可以減少燃料的供給量，也可減少煙氣的生產(chǎn)量和排放量，回收熱量越多，煙氣排放量越少，有利于保護(hù)環(huán)境。

圖2 固熔爐管道安裝換熱器示意

3. 煙氣余熱對低溫爐的利用

燃料爐中煙氣帶走的熱量占爐子總熱量的30%～70%，充分利用好煙氣帶走的余熱是燃?xì)鉅t節(jié)約能源的重要措施。高溫?zé)煔饫寐侍岣?，可以減少煙氣的過量排放，對保護(hù)環(huán)境也是重要措施之一，符合現(xiàn)在工業(yè)節(jié)能減排的政策。

對固溶爐和時(shí)效爐綜合布局，我們結(jié)合兩臺設(shè)備的處理工藝和制度不同，固溶爐處理一般溫度較高，時(shí)間較長，而時(shí)效爐處理溫度較低，處理時(shí)間短。因此在固溶爐排氣管道安裝換熱器的基礎(chǔ)上，對固溶爐排出的煙氣再次利用，利用固溶爐排出的高溫?zé)煔?，作為時(shí)效爐低溫?zé)嵩吹膩碓础?/p>

綜合考慮各個(gè)方面的基礎(chǔ)上，我們對兩臺設(shè)備再次聯(lián)機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參考如圖3所示。在設(shè)計(jì)圖中，我們在固溶爐排氣管道安裝換熱器后，管道三連通分接，有一管道安裝到時(shí)效爐中。固熔爐管道中設(shè)計(jì)安裝電動(dòng)風(fēng)門A，此電動(dòng)風(fēng)門要安裝在三連通之后，在管道進(jìn)入時(shí)效爐時(shí)，在管道上設(shè)計(jì)安裝電動(dòng)風(fēng)門B，溫度測試用熱電偶C，以及對此管道進(jìn)行保溫，目的是減少高溫?zé)煔庠谶M(jìn)入時(shí)效爐時(shí)的熱量損失，使其溫度高的煙氣進(jìn)入時(shí)效爐，同時(shí)兩臺設(shè)備上各安裝燃燒器A、熱電偶A、燃燒器B、熱電偶B，以及爐內(nèi)熱循環(huán)風(fēng)機(jī)。

煙氣管道傳送控制方式分析如下：

（1）為防止?fàn)t內(nèi)水分對鑄造鋁合金工件處理時(shí)的影響，工件在進(jìn)入固溶之前，固溶爐提前烘爐，開動(dòng)固溶爐爐內(nèi)熱循環(huán)風(fēng)機(jī)和燃燒器A，在熱電偶A測試到溫度低于300℃時(shí)，電動(dòng)風(fēng)門B關(guān)閉、A打開，此時(shí)固溶爐爐內(nèi)水分排出。在熱電偶A測試溫度由300℃升到500℃設(shè)定溫度時(shí)，電動(dòng)風(fēng)門A關(guān)閉B打開，此時(shí)固溶爐排出熱量進(jìn)入時(shí)效爐，時(shí)效爐熱循環(huán)風(fēng)機(jī)打開，此時(shí)時(shí)效爐燃燒器B關(guān)閉，時(shí)效爐利用固溶爐傳送過來的高溫?zé)煔鉄崃刻崆昂鏍t，蒸發(fā)爐內(nèi)空氣水分。

（2）在固溶爐溫度烘爐達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，工件進(jìn)入，此時(shí)電動(dòng)風(fēng)門A打開、B關(guān)閉，工件帶入固溶爐內(nèi)的水分隨煙氣排出，工件進(jìn)入后熱電偶A測試溫度下降，工件在爐內(nèi)吸收熱量開始升溫，待熱電偶A測試溫度在工件進(jìn)入后再次達(dá)到300℃時(shí)，電動(dòng)風(fēng)門B打開、A關(guān)閉，固溶爐的煙氣熱量再次進(jìn)入時(shí)效爐，時(shí)效爐利用此熱源繼續(xù)烘爐。

（3）工件固溶處理完成后進(jìn)入時(shí)效爐，時(shí)效爐在工件進(jìn)入之前已經(jīng)利用固溶爐的高溫?zé)煔鉄崃亢鏍t，如果高溫?zé)煔獾暮鏍t溫度使時(shí)效爐溫度升溫達(dá)到設(shè)定溫度，工件此時(shí)可以直接進(jìn)入，不用等待再次烘爐，如果溫度達(dá)不到設(shè)定溫度，開啟時(shí)效爐燃燒器B進(jìn)行補(bǔ)充烘爐溫度。工件進(jìn)入時(shí)效爐后吸收熱量，開始升溫，此時(shí)固溶爐可以進(jìn)行下一個(gè)批次的生產(chǎn)，在固溶爐生產(chǎn)時(shí)，固溶爐高溫?zé)煔鉄崃块_始往時(shí)效爐傳送，此時(shí)必須滿足一定的條件：一是固溶爐熱電偶A測得溫度高于300℃；二是管道熱電偶C測得溫度高于時(shí)效爐熱電偶B測得溫度50℃；三是時(shí)效爐熱電偶B測得溫度不高于時(shí)效爐設(shè)定溫度。三個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，電動(dòng)風(fēng)門A關(guān)閉、B打開，高溫?zé)煔鉄崃块_始傳送。在高溫?zé)煔鉄崃總魉偷倪^程中，如果時(shí)效爐熱電偶B測得溫度達(dá)不到設(shè)定溫度，此時(shí)燃燒器B要打開，補(bǔ)充熱量讓時(shí)效爐的溫度達(dá)到設(shè)定溫度。

圖3 煙氣管道連接示意

（4）時(shí)效爐熱電偶B測得溫度在達(dá)到設(shè)定溫度上限范圍時(shí)，燃燒器B要關(guān)閉，如果時(shí)效爐爐內(nèi)溫度有繼續(xù)上升趨勢，此時(shí)電動(dòng)風(fēng)門A開、B關(guān)，減少固溶爐的高溫?zé)煔鉄崃總魉偷綍r(shí)效爐。如果時(shí)效爐熱電偶B測得溫度低于時(shí)效爐的設(shè)定溫度，管道熱電偶C測得管道內(nèi)溫度高于時(shí)效爐熱電偶B測得溫度50℃，固溶爐熱電偶A測得溫度高于300℃，此時(shí)電動(dòng)風(fēng)門A關(guān)、B開，固溶爐高溫?zé)煔忾_始往時(shí)效爐傳送，如果時(shí)效爐溫度還是低于設(shè)定值，燃燒器B打開，補(bǔ)充不足的爐內(nèi)熱量。

在煙氣傳送的過程中，我們要考慮到固溶爐內(nèi)空氣水分和工件水分對時(shí)效爐的影響，防止水分進(jìn)入時(shí)效爐，腐蝕時(shí)效爐爐內(nèi)配件，縮短時(shí)效爐壽命。所以在每次高溫?zé)煔鈧魉蜁r(shí)，要考慮高溫?zé)煔鈨?nèi)是否有攜帶水分。固溶爐爐內(nèi)高溫?zé)煔庠诮?jīng)過自身管道換熱器后，溫度下降，管道內(nèi)的高溫?zé)煔獠皇侨慷家M(jìn)入時(shí)效爐，管道內(nèi)的溫度要高于時(shí)效爐設(shè)定溫度一定的溫度，時(shí)效爐設(shè)定溫度越高，管道內(nèi)的煙氣溫度也要求越高，此設(shè)置要求是防止管道內(nèi)溫度低的煙氣進(jìn)入到時(shí)效爐爐內(nèi)，減低時(shí)效爐溫度。比如，時(shí)效爐設(shè)定溫度150℃，這是管道內(nèi)的溫度最低要高于150℃時(shí)才可以傳送，如考慮煙氣在管道內(nèi)的熱量損耗，管道內(nèi)煙氣要高于時(shí)效爐爐內(nèi)溫度一定比例才可以傳送，高溫?zé)煔鉄崃總魉偷綍r(shí)效爐，提高時(shí)效爐爐內(nèi)溫度，減少時(shí)效爐燃燒器的燃燒，節(jié)省燃料。如果此時(shí)低于時(shí)效爐爐溫設(shè)定溫度150℃的煙氣傳送到時(shí)效爐，這樣會(huì)減低時(shí)效爐爐內(nèi)溫度，爐內(nèi)溫度降低，需要時(shí)效爐燃燒器提供更多的熱量來提高爐溫，這樣會(huì)增加燃料的消耗，浪費(fèi)資源，生產(chǎn)成本提高，增加企業(yè)負(fù)擔(dān)。

現(xiàn)在企業(yè)在改造完成進(jìn)行生產(chǎn)測試后發(fā)現(xiàn)，固溶爐在升溫階段，煙氣余熱進(jìn)入時(shí)效爐100℃左右，這樣時(shí)效爐再升溫加熱的過程中，可以從爐內(nèi)100℃溫度開始加熱，極大地縮短了時(shí)效爐升溫時(shí)間，縮短燃燒器加熱時(shí)間，節(jié)省燃燒，同時(shí)也可以減少煙氣排放，保護(hù)環(huán)境。

圖4 不同爐襯材料熱導(dǎo)率

4. 隔熱保溫材料的選擇

熱處理爐爐襯的儲熱和散熱，一般占爐子能耗的10%～30%，合理選擇爐襯材料，可以有效減低熱損失，使其設(shè)備更加節(jié)能環(huán)?！，F(xiàn)在設(shè)計(jì)爐襯材料時(shí)一般選擇陶瓷纖維制品代替耐火磚，陶瓷纖維是一種優(yōu)良的耐火材料，具有熱容小、高溫絕熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中。在熱處理爐設(shè)計(jì)爐內(nèi)襯時(shí)，一般選擇陶瓷纖維和礦物巖棉組成的復(fù)合材料，這樣既可以減輕爐體重量，又可以提高保溫能力，減少熱量損失。

隨著耐火材料新技術(shù)的不斷進(jìn)步，已經(jīng)研發(fā)出新型材料——納米微孔隔熱材料，材料是應(yīng)用最新高科技技術(shù)研制出來的新材料，材料內(nèi)部有特殊的無機(jī)納米級耐火粉末，形成了微小的納米級氣孔，熱導(dǎo)率低，絕熱性能優(yōu)良。

納米微孔隔熱材料在傳熱原理中體現(xiàn)較強(qiáng)優(yōu)勢，材料采用特殊的納米級無機(jī)耐火粉料，具有巨大的比表面積，納米顆粒之間的接觸為極小的點(diǎn)接觸，點(diǎn)接觸的熱阻非常大，使得材料的傳導(dǎo)傳熱效應(yīng)變得非常小。納米顆粒之間形成大量的納米級氣孔，其尺寸平均在20nm，而靜止空氣的分子常溫下的平均熱運(yùn)動(dòng)自由程為50nm，這樣把空氣分子鎖閉在粉料納米氣孔之內(nèi)，使靜止空氣分子之間的微小傳熱作用消失，傳熱能力方面變的很小。我們把納米微孔隔熱材料與其他材料進(jìn)行試驗(yàn)對比，不同材料熱導(dǎo)率對比如圖4所示。

在對比中，可以看出納米微孔隔熱材料具有極低的熱導(dǎo)率，隔熱性能比傳統(tǒng)材料（陶瓷纖維棉、硅酸鈣板、巖棉等）高2～3倍，在溫度較高時(shí)，材料收縮率較小，熱導(dǎo)率在高溫段上升很小，體現(xiàn)出其他材料所沒有的特性，材料蓄熱少，環(huán)保無污染，是目前性能最好的隔熱材料。

三、結(jié)語

我國能源短缺問題時(shí)刻制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)，已經(jīng)受到社會(huì)各個(gè)方面的關(guān)注，同時(shí)已經(jīng)制定出相應(yīng)的政策和法規(guī)，將來在工業(yè)發(fā)展中，節(jié)能和環(huán)保成為首要考慮的問題。我國工業(yè)設(shè)備的性能也存在多方面的不足，利用新技術(shù)、新方法對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行合理改造，充分發(fā)揮設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)性能，可降低設(shè)備能源消耗，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，使設(shè)備更加節(jié)能環(huán)保，使工業(yè)發(fā)展走上可持續(xù)發(fā)展道路。

[1] 王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 王鴻雁.冶金爐熱工基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.