熱處理爐熱處理效率提升的探索

郭 峰，王曼娟，尚 建，李宜軒

（馬鋼股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

熱處理是采用適當的方式對金屬材料或工件進行加熱、保溫和冷卻以獲得預期的組織結構與性能的工藝［1］。熱處理爐則是進行熱處理工藝時使用的加熱設備，常用的有箱式電阻爐、臺車爐、井式爐等，是影響熱處理工藝的決定性影響設備。熱處理爐包含各類加熱裝置、輔助系統等，主要依靠電力、天然氣等能源廣泛應用于生產制造各個領域。提升熱處理爐加熱元件對電能、燃氣能等轉換為熱能的轉換效率，是有效降低能源消耗的方法。從理論上來說增加吸收熱量、減少氣體泄漏以及降低加熱爐體系散熱是提高效率的三大因素［2］。在實際應用過程中爐體的均勻性、升降溫度等因素是制約熱處理效率的關鍵。為了解決實際生產過程當中出現的各類問題，對爐體設計、維護保養方案等方面進行優化，有助于提升熱處理爐的熱處理效率。

1 存在問題

1.1 爐溫均勻性不足

實際試料只裝載在溫度較均勻的部位，造成多個熱處理爐有效加熱區不足。為了驗證爐溫均勻性的差距，選取爐內10 點檢測950 ℃及650 ℃均勻性情況，具體檢測數據見表1及表2。

表1 爐內950 ℃均勻性檢測數據表

表2 爐內650 ℃均勻性檢測數據表

從表1 及表2 可以看出，與設定溫度相比最大溫差達到27 ℃，爐內各點溫差達到29 ℃，而有些高端材料其熱處理窗口約為20 ℃左右。爐內溫度未能得到有效控制，爐內溫度均勻性不能滿足高端材料的熱處理要求。

1.2 加熱速率較慢

對于多溫度段處理的工件往往加熱速率熱處理效果不理想。為了驗證加熱速率提升的實際情況，對于350 ℃至1 200 ℃的升溫速率進行檢測，具體數據見表3。

表3 各溫度升溫速率表

從表3可看出升溫速率在低溫段最快150 ℃/h，而高溫段則降至20 ℃/h。為了滿足不同溫度段的熱處理需求，往往需要多臺熱處理爐設定不同溫度協作完成。根據工件量統計每日100 余塊處理量，如有2至3個溫度段則需要20余臺熱處理爐共同完成。這一方面帶來較大的能源浪費，另一方面需要投入較多的設備，對于場地、人員的要求較高。

隨著熱處理需求的增多、爐體使用年限增長，爐溫均勻性不足和加熱速率較慢成為制約熱處理效率的關鍵。

2 熱處理效率提升優化方案

2.1 加熱元件排布優化

為了確保爐膛溫度的均勻性，對加熱元件的排布進行優化。加熱元件選用HRE 電阻帶，其具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、升溫快、壽命長、高溫變形小等優點。排布形式由原來的直線形排布優化成波浪形，能夠增加加熱元件面積和電阻帶在爐內分布的均勻性。為了確保加熱元件的穩固，利用耐火陶釘將其固定在爐壁的基礎上，爐底采用同材質電阻帶繞制成帶狀固定在爐底擱磚上。

2.2 爐襯及爐底設計優化

升溫速率與設計的額定功率以及密封效果等有較大的關系。功率輸出及儀表程序給定等均能影響爐子的升溫速率［3］。良好的爐體密封性可以減少從爐體中逸出的熱量，減少能源浪費，因此應對爐體的密封性進行優化。

近年來，一些新型的保溫材料也開始被應用于熱處理爐的保溫，比如硅酸鋁纖維氈、硅酸鋁毯、陶瓷纖維毯等。從節能及延長使用壽命方面考慮，爐襯材質嘗試采用含鋯環保陶瓷纖維折疊塊。含鋯纖維導熱系數可以達到0.151 W/（m·K），遠超一般纖維棉0.18 W/（m·K）的導熱系數。使用背襯30 mm 厚平鋪纖維毯，進一步提高保溫材料的整體性，纖維爐襯厚度為350 mm，可使爐體表面溫度達到國家一等爐標準，滿足節能降耗需要。從工藝方面考慮，要求熱處理爐升、降溫速度快，因此需要爐襯熱惰性?。磧崃啃。?。采用全纖維爐襯，可大幅度降低爐襯升、降溫過程的蓄熱量，提高溫度響應速度。

爐底（指臺車面）內襯與荷載直接接觸的工作層采用二級高鋁磚，中間的輕質隔熱材料起到分散荷載作用。為進一步提高耐材的整體密閉性能，絕熱層采用無石棉硬硅鈣板，其承載能力強、導熱系數低，是性能優異的臺車爐底絕熱材料。優化后具體爐襯及爐底結構見圖1。

圖1 優化后的爐襯及爐底結構

2.3 溫控系統優化

為了提高高溫效率，需對爐體設計進行優化，并同步優化控制系統。通過控制爐溫、淬火溫度等參數來控制工件的淬火效果；通過控制爐體內部的濕度、氧氣含量等參數，來控制工件的氧化程度；通過控制淬火液的流量、壓力等參數，來控制工件的冷卻速度。根據實際情況采用不同的控制策略可以達到更好的淬火效果和生產效率。優化后的溫控系統可以實時反饋溫度變化情況，優化后的電爐溫度曲線見圖2。

圖2 優化溫控系統后的電爐溫度曲線

2.4 熱處理爐保養方案優化

熱處理爐內部材料老化、電器元件損壞等也是導致加熱效率不足的原因，很多使用者往往忽視這方面原因。

根據日常使用頻次應對熱處理爐各部件進行定期維護。對爐膛及爐底板下的氧化物（包括電阻帶下）應進行定期清潔，并檢查加熱元件的使用情況。加熱元件經短期使用后便不得拗折、碰撞，如尚未嚴重腐蝕而折斷時，可用與電爐絲相同的材料通過402 不銹鋼焊條焊接，若加熱元件嚴重腐蝕不能使用時，則應另行更換。同時應定期檢查爐襯（爐底）的使用情況，若有輕微損壞（如擱磚松動、脫落等）可用泥漿涂抹砌筑。爐襯重砌后，亦應按烘爐工藝要求進行烘干。熱電偶的使用情況應作為重點進行定期檢查，防止因熱電偶的損壞造成測溫不準。

3 熱處理爐熱處理效率優化效果驗證

3.1 對于加熱效率的測定

根據《箱式電阻爐校準規范》（JJF 1376-2012）對優化后的退火爐進行多溫度段測試，共測試了180 ℃、350 ℃、550 ℃、750 ℃、850 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃共7 個溫度段。測試結果顯示溫度段為180 ℃時，測試點3 的溫度差最大，達到+4.99 ℃；溫度段為1 200 ℃時，測試點1 的溫度差最小，僅為-0.67 ℃。半小時最大保溫偏差均小于5 ℃，溫度均勻性得到明顯提升。180 ℃和1 200 ℃時的測試數據統計分別見表4和表5。

表4 180 ℃測試數據統計表 ℃

表5 1 200 ℃測試數據統計表 ℃

3.2 熱處理效果的驗證

對改造前熱處理材料出現的黏片、加熱不均勻等情況進行驗證。驗證結果顯示硅鋼、船板等試樣中溫處理后無氧化，符合退火處理后試樣表面質量要求（如圖3 所示）。選取多規格、多種類試樣金相組織進行評定，驗證了試料的組織符合理論變化。試驗結果表明改造后的熱處理爐實際應用效果良好，符合生產的實際需要。

圖3 熱處理后試樣

3.3 升溫速率提升的驗證

為驗證升溫速率的提升，對改造后的熱處理爐進行各溫度段升溫速率測試，各溫度段升溫速率對比見表6，可以看出升溫速率均得到了有效提升。

4 結果及探討

熱處理爐廣泛應用于工業生產中，其加熱效率的提升有重要意義。本文根據實測數據對熱處理爐進行了優化設計，并對改造結果進行了驗證。驗證結果表明改造后熱處理爐加熱效率更高，能更好滿足生產需要。

經過優化后熱處理爐升溫效率的提升較為明顯。在實際生產過程中需要反復調節不同的溫度，根據試驗數據550 ℃以下時，熱處理爐降溫速率明顯低于1 200 ℃到600 ℃時，因此對于需要反復降溫、升溫的應用場景仍有優化空間。筆者后期也將開展對于降溫、保溫、升溫全熱處理流程的探索，以期能夠優化熱處理流程，進一步降低能耗、提高熱處理效率。