浅谈热处理炉的设计与节能

浅谈热处理炉的设计与节能

《国外金属热处理》1999年10月第5期   曹 永 川

摘  要  本文从热处理的炉型、结构、废热和余热利用三个方面介绍了设计热处理炉可采用的节能措施。重点从热处理炉的热平衡计算理论出发，介绍如何改进炉子的结构设计，以减少散热损失、提高热处理的节能。

关 键 词 热处理炉  设计  节 能

0   前言

随着我国热处理产业的发展，降低热处理设备的能耗、缩小我国与国外热处理技术的差距，已成为产业 发展需要解决的一大问题.据国内资料表明，我国热处理设备目前年用电90亿kW·h,  能耗水平400～1000 kW·h  /t, 平均处理每t 工件的能耗为发达的2~ 3 倍 .相当于欧美70年代水平【1】.因此，国内热处理设备的设计、制造行业首先应增强节能意识，改善热处理炉的设计。现将热处理炉设计中的节能措施简单介绍 如下：

1   采用合适的炉型

炉型的选择一般要根据热处理工件的特点、生产 量、热处理的工艺要求等。从节能角度出发，则要考虑 炉子的热效率、热量损失、电能(或燃料)的消耗指标 等。

一 方面，作业方式不同，热效率不同。 周期作业炉 比连续作业炉效率低。据资料介绍，在加热温度为900 ~9 50 C 时，连续作业炉的热效率为40%,而周期作业 炉的热效率只 有 3 0 % .

另一方面，作业规程相同的炉子，其热效率也有差 异。同样为周期作业的井式炉比箱式炉的热效率高，因 为井式炉密封性好、散热面积小；连续工作的震底炉比输送带炉的热效率高，因为震底炉没有夹具，料盘等辅助工具的加热损失【2】

2   改进热处理炉的结构

首先根据能量守恒定律，即单位时间内炉子的热量收入应等于热量支出的总和。对炉子进行热平衡计 算 ：

 Q_总=Q_工件+Q_辅+Q_蓄+Q_散+Q_溢+Q_它(kJ/s)

式中； Q_总为单位时间热处理炉加热元件的总发热量； Q_工件件为单位时间加热工件所需的有效热量；Q_辅为单位时间加热辅助工具所需的热量；Q_蓄为炉子砌体从室温加热到工作温度，在稳定态时炉衬的吸热与升温时间之比；Q_散为炉墙在热稳定态时.单位时间内向外的散热损失；Q_溢为炉子由于间隙、开口等，单位时间向外溢出气体的热损失；Q_它为其他未考虑或无法计算的热损失。

上述热平衡计算公式表明了除有效热量Q_工件以外 的热损失的因素，同时表明减少热损失的措施。这也是 热处理炉采取节能措施，改进炉子结构的出发点。

2.1  降低砌体蓄热

1)合理确定砌体的厚度

通过计算炉子表面温升确定砌体厚度。一般炉衬 的外表面温度以保持在40～60 C 之间为宜。外表面温度过高，会使热损失增加又使劳动环境变坏；温度太低 势必增加砌体的厚度，浪费材料又增加炉衬的蓄热和热惰性。

2)选用低密度、小比热的炉体材料

根据砌体的蓄热计算公式：

Q蓄=W·Cp·△t

式中：W 为炉壁砌体的质量/kg; Cp 为砌体的平均比热 /J·kg¹·(C)¹; △t 为砌体平均上升温差/℃.

降低蓄热需选用低密度、小比热的砌体。目前，多采用密度为0.6 g/cm³ 、0.8 g/cm³ 、1.0 g/cm³  的轻质砖 替代重质砖炉衬。日本东方工程公司UNIC系列箱式 多用炉炉衬采用以硅酸钙板、0.6的轻质粘土砖、0.8 的高铝抗渗砖相结合的组合炉衬，另外，硅酸铝纤维已 被广泛使用，其密度小于0.2 g/cm³,  导热系数比其他 保温材料至少小20%,采用全纤维的炉墙与普通砖墙比其蓄热仅为后者的1/3,升温速度为后者的2.5～5倍。

2.2  减 少炉壁的散热

一旦确定了砌体材料，则砌体在热稳定态的散热 与炉壁面积成正比，因此，减少散热面积是减少散热的 直接措施。日本东方公司生产的 UNIC-MarkⅡ 系 列 箱 式多用炉炉膛采用圆形截面结构(图1),当装炉量相 同时，该结构比常用的矩形截面炉膛可减少热损失 15%～20% . 另外，炉子设计中应避免炉膛内的钢结构 件与炉壁直接接触，引起热短路而形成热损失。

2.3   减少缝隙、炉口部分的热损失

减少缝隙可分别从提高炉门、风扇轴的密封性着 手 . 目前，炉门的密封有多种压紧形式：1)利用炉门自重压紧。该压紧主要有两种方式：一种采用倾斜形炉门、另一种为采用楔形支块(图1)；2）利用外力压紧。 如利用汽缸，在炉门上设置连杆、挡块来压紧炉门，在炉门面板与炉门之间装上石棉盘根。

1)斜形炉门  2)楔形炉门 3)圆形截面炉膛

图 1 UNIC-Mark II 系列箱式多用炉结构

图 2 传送带炉的外型

炉内搅拌风扇轴的密封方式很多，而石墨密封是 较理想的密封方式.因其在高温、高压条件下能保持可靠的密封；另外，石墨还具有自润滑作用，在高温条件 下不加润滑剂仍能可靠工作。

减少炉口的热损失应尽量减少炉门开口，据资料介绍，每平方厘米小孔的漏热损失，要

比等面积的炉壁散热大50倍【3】 .对连续作业的传送带炉进料口的炉顶 采用下压式的结构(图2),以减少炉口热损失。

2.4  降低辅助工夹具的吸热

国内，上海电炉厂制作的RQ 型节能电炉，采 用 3Cr24Ni7SiNRe  耐 热 不 锈 钢 板 焊 制 8 mm  轻型炉罐和 料筐代替笨重的CrMnN 钢铸件，工装的重量比原来减轻了33%～67%,空炉升温时间缩短了50%,空炉损耗率减少了20%以上【3】.

3   废热和余热利用

3.1 废热的利用

由炉子溢出气体带走的热量称为废热。对燃料炉， 废热损失占总热量的2 7 % ～ 4 9 % . 目前 ，对燃料炉的 废热利用主要有：

1)用废热预热助燃用的空气和燃料；

2)用废气作为低温炉的热源或用来预热冷工件(炉 料 )【2】。围绕上述应用，国内现有许多资料介绍了提高 燃料炉节能的设计方法，这里不再赘述.

3.2 余热的利用

近年来，国内有些厂家，以节能为目的，开始利用 锻造余热进行退火。上海汽车齿轮厂对16MnCr5 行星齿齿坯的预先热处理，原采用正火工艺，后改为余热等 温退火。为此，委托我公司生产了一条等温退火生产 线 。该生产线工作流程为：工件在终锻温度为880~  900C   时 → 进输送带快冷1～2 min 至680～650 C→    进退火炉，在650 C 保温20～ 30 min→出炉空冷。整个生产线与锻压机联线，利用了锻件的余热，比常规正火处理节能50%以上，每吨锻件可节能300 kWh, 且处理质量有所提高。

4  结论

提高热处理炉节能措施很多。本文主要从设

备本身着手，结合实践，介绍了热处理炉设计中可采用的一 些

措施。这些措施对提高热处理炉的节能已取得了很好的效果。

参考文献

1刘迨，关于我国热处理生产技术改造的思考，金属

热处理．1996(1)

2臧尔寿．曾纪成，热处理炉，北京：冶金工业出版社，1983(10);257

3黄春峰，提高热处理加热炉炉温均匀性的途径，铸锻

热一热处理实践．1998(1)