[科普中国]-节能炉衬

炉衬的热能消耗与节能炉衬

众所周知,在工业炉运行过程的热能消耗中,只有加热工件的热能是有效能耗。在无效能耗中,加热工夹吊具和加热控制气氛的能耗是工艺所要求的,在设计合理和工艺正确的条件下,也不能节省。在可节约的无效能耗中,炉衬的热能消耗最大。它分为两部分,一是蓄热耗能,二是散热耗能。前者是“一次性”耗能,与工业炉连续工作时间长短无关。后者则是工作时间的函数。但二者都与炉衬材料和结构有关2。

随着工业与科技的发展,我国工业炉炉衬材料和结构也在不断进步。从原来的轻质耐火砖+蛭石粉,到微珠砖+硅酸铝纤维毡+珍珠岩,再到纤维基预制件结构和全纤维结构,节能效果在不断提高。我们将纤维基预制件结构和全纤维结构的炉衬称为“节能炉衬”。这种炉衬与传统砖砌炉衬相比,可比新炉节能10%～20%,比旧炉节能30%以上;与微珠砖+硅酸铝纤维毡+珍珠岩结构的节能炉相比,仍可节能5%～15%。但是毋庸讳言,至今仍有不少企业尚未采用节能炉衬,甚至一些工业炉依旧是轻质耐火砖+蛭石粉结构。所以工业炉节能改造仍大有可为,节能炉衬的推广任重而道远。

节能炉衬简介纤维基预制件结构炉衬这种炉衬的耐火部分是用以硅酸铝耐火纤维为基的不定形材料捣打预制成型的,有较高的耐火度(1 000℃以上)和低的导热系数(0.2～0.5W/m·K),再加上耐火纤维的增强作用,配以优质掺和料、胶合剂、添加剂等,可获得理想的高温强度。其保温层则可根据炉温高低和节能要求采用纤维毡+纤维棉或纤维毡+珍珠岩结构3。

这种炉衬不需事先烧制,因此也可节约大量能源,并减少温室气体的排放;低的导热系数加上高的气密度,又使工业炉在使用过程中进一步节能。由于其整体性好,缩短了维修周期,提高了设备寿命,同时提高了炉温均匀性,按有效加热区考评,可提高1～3个级别。另外,施工方便,便于机械化生产,可以制作各种复杂炉衬,值得大力推广。

全纤结构炉衬这种炉衬的耐火层由硅酸铝耐火纤维压制成型。为解决硅酸铝纤维高温二次结晶粉化问题[2],在其内表面涂刷氧化铝涂料。保温层则与纤维基预制件炉衬相同4。

这种炉衬导热系数更低(0.1～0.18W/m·K),节能效果更好,应予大力推广应用。但制作时要用钢铁构件,部分影响了节能效果。另外,压缩比不合理也达不到最佳节能效果,而且制作和维护没有纤维浇注体方便,在气流冲刷较大的炉子中使用,其寿命也不如后者长。

节能炉衬的节能原理如所周知,上述两种节能炉衬是因导热系数低而节能,其与砖砌炉衬相比,最大的区别在于整体性和气密性好4。根据计算,每没m2砖砌炉衬泥缝长达19m以上,按热处理炉砌炉要求,按泥缝宽2mm计算,泥缝面积为0.038m2。而每m2节能炉衬接缝面积仅0.002m2。我们以珍珠岩炉衬作保温层进行计算,新炉时,每m2砖砌炉衬的泥缝热损失为8.93W,而同面积节能炉衬泥缝热损失为0.38W。二者热损失差异虽大,但相差的绝对值每m2炉衬不过8.55W,并不算大。然而,使用一段时间后,由于震动、碰撞、热胀冷缩等原因,砖砌炉衬的泥缝发生松动、开裂、脱落,形成热流短路,从而使热损失大增,严重时甚至可达到同面积炉墙的40～50倍[3]。按保守计算,这时每m2砖砌炉衬的泥缝热损失也达100W以上,相当于炉衬散热损失的40%以上,而节能炉衬却无此问题。这就是采用节能炉衬的电炉比微珠砖砌的节能炉还要节能的原因。

面衬和背衬材料的选用目前,多晶莫来石纤维和氧化铝纤维尚处在试验室的试制阶段。含铬纤维的生产成本高,使用过程中所含的铬要逐渐挥发,而铬对人体有害。批量生产的产品中,现在只有高纯高铝纤维是耐温最高的品种。这种纤维制品,最高使用温度可达1200℃,比较保险的长期使用温度为1150℃。可是批量生产这种纤维,目前还比较困难,主要问题是纤维的收得率低,纤维短而细,因此价格比天然料纤维贵两倍。而且生产厂家还不愿意生产这个品种,他们感到原料浪费,获利较少。面对当前的现实,不必要求Al2O3含量一定要在60%上,订货时可与生产厂家协商,如果能够把价格降低到为天然纤维制品价格的一倍,则可将Al2O3含量降低到不少于56%,即生产一种高纯纤维与高铝纤维之间的中间档,这种纤维制品可以稳妥可靠地保证在1100℃下长期使用。所以在晶质纤维批量生产以前,一般大量应用耐火纤维作面衬,目前以1100℃以下的工业炉窑为宜。(特殊情况例外)面衬材料分为三档:炉温1000一1100℃采用上述高纯高
铝纤维制品,炉温750一1000℃采用甲级天然料纤维制品,炉温在750℃以下采用乙级天然料纤维制品5。

超轻质粘土砖性能优良,过去由于价格贵,应用受到限制。81年开始,唐山市保温材料厂改革工艺,利用廉价原料,使价格大幅度降低,T一3型砖价格降到0.38~0.42元/块,这就使这种耐火材料在节能炉衬的选材方面,有了竞争能力。我们不妨用超轻质砖组成炉衬组合,进行分析比较。矿渣棉容重轻,导热系数小,界面温度可以用到700℃,是一种比较理想的背衬材料。可是国内目前尚没有适合炉衬用的优质制品。据说南京地区正在试制。一旦这种制品批量生产,应该优先用作背衬材料。

北京新型建筑材料厂从瑞典引进成套技术,按德国标准生产,以玄武岩为主要原料的岩棉制品,保温性能优良,界面温度可用到600℃,特别是其制品质量好,也是较为理想的背衬料。

节能炉衬应用实践海拉尔牧业机械总厂75kW井式炉该炉是由原仿苏ш-55井式炉改制的,加深了炉膛,加大了功率。虽可用于生产,但炉温不均匀,能耗也大。2001年进行改造,采用了纤维基预制件节能炉衬,同时采取了其他一些技术措施,如电阻丝均匀布置、保温层多层结构、内表面涂高温涂料等,取得了良好效果。在生产331件护刃器梁时进行了实测,结果,空炉升温时比改造前节电50.3%,保温阶段节电13.6%,综合考核节电35%4。

承德曲轴连杆厂180kW台车式回火炉这是按照北京国际经济合作公司提出的技术条件研制的全纤炉。根据要求,该炉加热室尺寸为4.8m×1m×0.9m,最大载荷3t,额定工作温度700℃ ,保温精度40℃。该炉炉衬采用了全纤结构,为了炉温均匀,电热元件分3区控制,并采用了风扇强制对流。为了防止硅酸铝纤维高温二次结晶和强对流循环风对纤维的损坏,在炉衬内表面涂了氧化铝高温涂料,结果完全达到了技术要求,受到用户好评。

内蒙古华德牧草机械有限公司75kW箱式炉该炉原炉膛长1 800mm,由于待处理工件的需要,要求加长到2 200mm。如果按原炉衬结构,功率最少需要增加到90kW。改造时采用了纤维基预制件节能炉衬,对电热元件进行了重新布置,降低了炉膛高度,81kW功率便达到了要求。在烘炉阶段,当温度达到950℃时,保温1h,两侧墙炉壳外表面温度为47℃ ,低于国家规定的50℃。对该厂两种典型工件热处理耗电进行了实测,改造前,单位工件耗能为1 323kW·h/t,改造后为944.5kW·h/t,下降
了378.5kW·h/t,节电率28.61%。加上空炉升温的节电数据,总节电率在30%以上。此外,由于炉膛长度增加,炉底面积加大,因而提高了生产率。

山西长治某军工厂36kW回火炉
2001年该炉曾进行过一次节能改造,采用微珠砖+硅酸铝纤维+纤维棉结构。2007年12月我们采用纤维基预制件节能炉衬对其进行了又一次改造。改造前后对同一工件、同一工艺处理的实际能耗测试结果如下:

(1)改造前的测试 改造前因为电控柜未装电度表,所以采用了通断时间计算法。
①装炉量:工件净重242.9kg;

②升温时间:72min,主电路耗电43.2kW·h,风机耗电3.6kW·h,共耗电46.8kW·h;

③保温时间:4h,主电路耗电84.53kW·h,风机耗电12kW·h,共耗电96.53kW·h;不计降温时风扇电动机耗电,总耗电量为143.33kW·h,平均每吨工件耗电585.96kW·h。
(2)改造后的测试 改造后电控柜装有电度表,所以可直接读数。

①装炉量:工件净重333.33kg;

②耗电量:总耗电200kW·h,减去降温阶段风扇电动机耗电36kW·h,升温和保温阶段耗电164kW·h,平均每吨工件耗电492kW·h。

节能效果:(585.96-492)÷585.96×100%=16.04%

另一台75kW回火炉,因改造前已停止使用,无法进行对比测试。但据车间工人反映,原来从150℃升温到410℃需1.25h,改造后同样装炉量情况下,升温只需0.75h。降温时间却增加了0.5倍,节能效果可见一斑。

节能炉衬对比
(1)纤维基预制件炉衬和全纤炉衬容重小,具较高的耐火度、优良的绝热性能和较高的热强度,蓄热损失和散热损失都较小,是两种非常实用的节能型炉衬4。

(2)两种节能炉衬均施工方便,可以制造各种复杂炉衬。同时,可以预制,从而节省大修或改造施工时间。由于气密性很好,又不需事先烧制,在节能的同时,还能减少控制气氛的用量和温室气体的排放量,节能、降耗又减排,一举三得,值得在工业炉设计、制造、大修和改造中大力推广。

⑶全纤炉衬制作时应尽量减少钢铁构件,采用合理的压缩比,而且内表面应涂刷氧化铝涂料,以防高温二次结晶粉化。这样才能发挥其最佳作用。

⑷两种节能炉衬与砖砌炉衬相比,主要因为减少了泥缝,增加了炉子的气密性,因此更加节能。尤其在使用一段时间后,更显示出其节能的优越性。这是任何轻质砖砌炉衬所无法比拟的,有着广阔的应用前景。