連鑄三大件熱處理的節能環保窯爐研究

鮑 志 周文春 鮑顥文

（1 江蘇奧能耐火材料有限公司，宜興 214225；2 無錫市高得上新材料有限公司，宜興 214221）

0 前 言

連續鑄鋼簡稱連鑄，是現代鋼鐵企業中的重要生產工序。連鑄三大件（長水口、浸入式水口和整體塞棒）與高溫鋼水直接接觸，需要具有良好的抗熱震性及渣線部位的抗侵蝕性能。其本體部位采用高石墨含量的鋁碳材料，渣線部位采用鋯碳材料，加強抗保護渣的侵蝕能力。連鑄三大件本質上是鋁鋯碳復合材料制品，屬于一種新型高溫陶瓷材料。

在連續鑄鋼的過程中，分別使用長水口和浸入式水口作為保護套管，分隔了高溫鋼水和空氣，使高溫鋼水不接觸空氣被氧化。在中間包中，通過整體塞棒控制鋼水流向浸入式水口的流速，浸入式水口可以控制鋼水的流動速度，同時穩定結晶器中的鋼水液面，保證鋼水在結晶器中有合理的流動場和溫度場。

連鑄三大件生產中采用了少量金屬原料，如金屬硅微粉、金屬鋁粉等，但是按照傳統習慣，生產連鑄三大件所使用的熱處理爐歸屬于無機非金屬材料窯爐中的耐火材料窯爐。

連鑄三大件主要采用樹脂作為成形的結合劑，成型后低溫烘烤（200 ～300 ℃），初步固化制品和排出水分，然后進行800 ～1 100 ℃高溫熱處理，促進制品中的結合劑碳化后形成網絡狀的殘碳，進一步加強了制品的強度。

1 連鑄三大件的傳統熱處理爐的現狀與問題

1.1 連鑄三大件的傳統熱處理爐的分類及發展史（見圖1）

圖1 連鑄三大件熱處理爐的發展歷程

按作業方式的連續性，熱處理爐可分為連續式窯爐（隧道窯、推板窯等）和間歇式窯爐（梭式窯、倒焰窯、罩式爐等）。連續式窯爐適應大批量產品的連續生產，但生產周期控制不夠靈活。間歇式工作的窯爐主要以臺車窯為代表，污染嚴重、勞動強度大，工作環境較差的倒焰窯已經基本淘汰，間歇式工作的臺車窯適合多品種的小批量產品的及時生產，但是能耗較高、污染大。

20 世紀70年代初，日本最早研究連鑄工序采用鋁碳質浸入式水口，熱處理爐使用預埋碳燒成到現在的扣不銹鋼罩燒成，同時根據需要向窯爐內充入大量保護性氣體，以避免產品被氧化。國內從20 世紀80代初開始從日本引進技術，所使用的熱處理爐最初也是采用預埋碳燒成的窯爐，后來陸續改進使用扣不銹鋼內膽燒成的窯爐。

1.2 傳統連鑄三大件熱處理爐的主要問題

（1）燒成周期過長

傳統熱處理爐使用不銹鋼內膽，升溫過程需要先加熱內膽，再由內膽對制品輻射加熱，降溫時由于多了一層內膽，降溫速度也受到影響。因為制品熱處理溫度較高，升溫需要時間，降溫過程中又要避免氧化，只能在爐膛中慢慢冷卻，整個燒成周期少則一周，多則十幾天。

（2）安全問題

如果使用燃氣或燃油作為熱量來源，燃燒的火焰會帶來一定的安全隱患，燃料儲運及輸送都需要操作安全。電爐在熱處理時無明火，不需要可燃原料，杜絕了很多安全隱患，不排放因燃燒而產生的廢氣和灰塵，節省空間和成本，不需要鍋爐燃料箱等附屬裝置。但是電爐容易發生由于電阻絲表面積碳，從而在使用中引起拉弧引發爐體漏電、電阻絲斷裂等故障，造成爐殼帶電，形成新的安全隱患。

（3）使用成本高

一套不銹鋼內膽的價格幾乎是單臺設備的一半左右，客戶更換一套內膽成本較高，如果采用焊接解決變形開裂的問題，又可能導致內膽反復開裂。使用窯車等窯具，每次進出窯也需要先升溫再冷卻，也浪費了部分能源，使用燃料或燃氣產生的大量煙氣會帶走很多熱量。使用不銹鋼內膽時，還需充入保護性氣體（比如氮氣），額外增加了生產成本。

（4）質量問題

不銹鋼內膽受高溫和腐蝕性氣體影響，在反復使用過程中容易變形、開裂損壞，造成內膽與外部空間連通，制品被氧化報廢。采用火焰燃燒還可能造成窯內各處溫度不均勻，靠近火焰的地方溫度偏高。

（5）廢煙氣處理效果差、費用高

連鑄三大件的熱處理過程中，結合劑產生的有機揮發物主要有烷類、烴類、醇類、甲醛和苯酚等，有強烈的腐蝕性和濃重的臭味，在冷卻時成為黏性油狀物，比較難以進行環保處理。采用外部燃料燃燒產生熱量，燃燒產生的廢煙氣以及充入的保護性氣體與自身揮發物混合到一起，一方面帶走更多熱量，另一方面也是增加了待處理的廢煙氣量。

2 新型連鑄三大件熱處理爐的創新開發

2.1 用戶真實需求信息的收集歸納

（1）圍繞質量要素的熱處理爐的原始信息收集（見表1）

表1 熱處理爐部分質量要素信息

圍繞爐內氣氛合適的需求是最主要的用戶需求，制品中的石墨不能被氧化，否則會影響產品的抗熱震性能，降低產品的使用壽命。

（2）圍繞時間要素的熱處理爐原始信息收集（見表2）

表2 熱處理爐部分時間要素信息

鋼廠多采用現代化管理，控制庫存，一條連鑄生產線同時使用長水口、塞棒及浸入式水口，三大件制造商需要小批量、多品種及時供貨。

（3）圍繞成本要素的熱處理爐的原始信息收集（見表3）

表3 熱處理爐部分成本要素信息

降低成本是每個熱處理爐的客戶重要考慮的方面，尤其在購置和使用中直接產生的成本，制品燒成費用也是大多數用戶控制成本的指標值。

（4）圍繞環保特性的熱處理爐需求調查（見表4）

表4 熱處理爐部分環保要素信息

2.2 用戶需求信息的分析與轉換

（1）用戶需求信息的魚骨圖分析（見圖2）

圖2 魚骨圖分析熱處理爐的客戶需求

大多數客戶提出使用設備省錢的需求，可以應用魚骨圖法分析出具體的客戶需求。

（2）用戶的需求描述需要轉換為窯爐開發的專業描繪（見表5）

表5 部分客戶需求的轉換

（3）客戶需求信息的分類整理（見表6）

表6 熱處理爐的部分客戶真實需求

2.3 節能環保熱處理爐結構的選取方案

經過對用戶真實需求的分析，選取關鍵要素作為設計改進方向，發明創造出新型無內膽防氧化快速燒成爐和配套的煙氣專用焚燒爐，作為連鑄三大件熱處理環保節能設備。

（1）取消不銹鋼內膽，使用單向閥原理的爐體結構

取消不銹鋼內膽后，在爐口設置類似單發閥的可活動內蓋，內蓋四周使用砂封封閉在爐口法蘭處，使得爐內形成一個密封空間。在熱處理過程中，排放的揮發性氣體越來越多，爐內達到一定壓力時產生向上的壓力克服了內蓋的自重，將內蓋稍稍頂起，氣體迅速外排，這時導致爐內氣壓下降，內蓋在自重影響下落到砂封槽又形成密封。如此反復，爐內氣體只能外排，始終保持了爐內的還原氣氛。這種結構無需不銹鋼內膽，也不需要充入保護性氣體，使用維護成本低。制品只需裝入簡單的吊筐，無需配置窯車等窯具，加熱元件直接輻射加熱制品，傳熱效率高。

（2）成組布置表面絕緣的加熱元件

傳統熱處理爐的加熱元件通常采用了3 組發熱元件，每組是一根發熱元件，考慮每組分別采用多根串聯或并聯的發熱元件，工作中單根發熱元件損壞后還可以繼續工作，只是影響了熱處理時間，避免了熱處理過程中原有單根發熱元件損壞就不能繼續工作的問題。同時發熱管采用表面絕緣的耐高溫、耐腐蝕材料，避免原有發熱元件（電阻絲）拉弧等導致的漏電安全隱患。

（3）廢煙氣焚燒室

使用電加熱方式確保只需處理自身分解揮發的有害氣體，由于煙氣濃度較大，把煙氣引到爐體底部的煙氣高溫焚燒室焚燒處理后排放，同時還可以利用廢煙氣燃燒的熱量加熱制品，也可以把煙氣引到外部的專用煙氣焚燒爐焚燒，同時進行焚燒余熱的回收利用。

（4）縮短升溫時間，分區精確控溫

加大熱處理爐總功率，分區域精確控溫，縮短需要的實際升溫時間，同時采取每噸制品需要的熱量基本不變，由于時間縮短，可以充分利用電價低谷時間，降低熱處理的總電費，減少了制品的燒成費用，另一方面提高了設備有效運轉的效率。

（5）加快冷卻

在爐內側布置多組耐高溫、耐腐蝕不銹鋼管，在冷卻階段連續向管內注入冷卻水，冷卻水出來后變為熱水，可充分回收利用，同時在保證爐內密封的情況下降低了爐內溫度，縮短了冷卻時間。由于采用內外雙層蓋結構，在相對較高的溫度下，可先打開大蓋進行直接冷卻，由于爐內還有小蓋，可以避免高溫制品與空氣接觸，導致制品氧化的缺陷。

2.4 概念設計方案的生成

最終設計的新型熱處理爐（無內膽防氧化快速燒成爐）概念設計方案如圖3 所示。

圖3 無內膽防氧化快速燒成爐

（1）無內膽防氧化快速燒成爐在連鑄三大件熱處理生產中的應用效果

無內膽防氧化快速燒成爐及煙氣專用焚燒爐均獲得國家發明專利，并應用在多家連鑄三大件、鎂碳磚、滑板等含碳制品廠家，以實際應用到浸入式水口的熱處理為例，應用效果較好。

（2）實際生產周期縮短

爐底部加熱，燒成時間從30 小時縮短一半左右，整個燒成周期可縮短到3 天左右。

（3）廢煙氣處理成本低，環保效果好

廢煙氣中沒有燃燒煙氣及充入的保護性氣體，煙氣中有機揮發物濃度到一定值后可自行焚燒，無需更多的輔助燃料，降低成本，制品燒成費用低。實際生產中，噸制品熱處理的廢煙氣焚燒消耗液化氣3.5 kg左右。處理前廢煙氣中非甲烷總烴89.8 mg/M3，臭味54 000（無量綱），處理后非甲烷總烴0.64 mg/M3，臭味2 100（無量綱），處理效果分別達到99.28%及96.11%。煙氣處理后達標排放，現場無明顯異味，工人生產環境大為改善。

（4）購置及使用維護成本低

雖然在加熱管及內外蓋設置上增加費用，但由于取消不銹鋼內膽，大大降低了用戶的購置和使用成本，同時還增加了爐內有效容積，處理過程中實際使用記錄表明了制品燒成費用明顯下降，原來噸處理電量降低到300 ～400 度電?？紤]到實際升溫時間縮短，可設置在谷電電價較低時升溫，實際噸處理成本大約100 ～200 元。

（5）余熱可充分回收

煙氣高溫焚燒后產生了大量熱量，可以通過爐底的碳化硅板傳給爐內需要加熱的制品，如果設置在外部的專用煙氣焚燒爐同樣可以通過水管回收熱量。制品冷卻階段，通過爐體的冷卻水管的流動，水同樣可以回收部分熱量。

（6）操作簡單，安全可靠

電爐不需要使用可燃性氣體，爐內不會出現異常燃燒，爐內沒有CO，熱處理比較安全，另外使用表面絕緣的耐腐蝕發熱元件，避免發生電阻絲拉弧斷裂導致爐殼帶電。電加熱控制可以高精度溫度管理，還可以節省操作人員，維修也比較方便，可配備先進的遠程監控系統，實現無人值守，節約人工成本。

（7）無需使用吸熱的保護性氣體

一方面節省了氣體發生裝置的基建費用，另一方面不產生與保護性氣體相關的運行成本，比如風機等，同時還減少需要處理的廢煙氣量，降低廢煙氣帶走的熱量。

3 總 結

無內膽防氧化快速燒成爐在取消不銹鋼內膽的情況下，對連鑄三大件的熱處理高效節能環保，使用成本低、安全性能提高，這種熱處理爐排出的廢煙氣量低，可在達到自燃條件下進行廢煙氣自己焚燒，處理高效、費用低。對于其他含碳類耐材制品的熱處理，比如鎂碳磚的中溫烘焙，以及瀝青油浸滑板的再焙燒，熱處理過程中也不能被氧化，同時還有大量有機揮發物煙氣排出，因此應用無內膽防氧化燒成爐作為熱處理設備也同樣取得不錯的效果。