节能工业热处理炉的设计与施工实践

大型罩式热处理炉的设计与施工

摘要

本文详细介绍了所设计和施工的大型罩式热处理炉的技术特点及运行状况。该炉有效面积达 90 平方米，采用轻质纤维衬层，炉温均匀；配备节能型自身预热烧嘴，加热速度快，温差小；三次软硬密封有效减少逸气及辐射热损失；控制系统简单实用，操作准确便捷，节能效益显著，运行稳定可靠。

关键词

罩式炉；纤维衬；自身预热烧嘴；温度均匀

1 概述

鞍钢集团机械制造公司以科技为引领，强化工艺配套设备建设，积极拓展国内外大型设备、水电铸件等大件产品市场。2002 年 10 月，在设计院、炉窑公司的全力协作下，仅用 6 个月便建成国内技术领先的大型罩式热处理炉，且热负荷试车一次成功，结束了鞍钢大型工件外委加工的历史，为企业创造了良好的经济效益。

2 罩式热处理炉的性能指标

2.1 罩式炉热处理工艺的参考曲线

热处理工艺曲线如图 1 所示。

2.2 罩式炉的性能指标

罩式炉技术性能指标见表 1。

表 1 罩式炉技术性能表

3 罩式炉的结构设计与施工

3.1 罩式炉的基础

鉴于炉子装炉量大、荷载重，基础采用整体浇灌钢筋混凝土结构。挖土深度 1856mm，高于地下水位 15056mm。施工时，局部出现约 3000mm 深的分散原精炼炉基础，经风镐平整原土层后，增加碎石及矿渣垫层，消除旧基础可能形成的支点反作用。基础组成自原土层至炉底依次为：300mm 碎石+100mm 矿渣+300mm 钢筋混凝土。建炉投产至今，未出现下沉、裂纹现象，基础坚实可靠。

3.2 炉底、炉台结构

罩式炉的炉底和炉台均为承重部件，炉底承载垫铁和工件，炉台承载炉罩。因此，炉底、炉台的耐火材料衬层选用砌砖复合层，以增强强度。炉底由 136mm 轻质黏土砖作绝热层，上铺 204mm 黏土砖形成，为满足燃烧系统需求，在黏土砖砌层以上砌出 696mm×680mm×10208mm 的 6 排燃烧通道，上镶活盖板，形成下加热通道面积可调的炉底。生产时，垫铁与工件布于其上。

炉台起固定炉体和承重炉罩双重作用，其结构及强度设计至关重要。炉台钢结构包括固定在基础上的炉子钢结构立柱、炉皮钢板、烧嘴固定结构、砂封槽及炉台密封板等，钢材总重 22t。衬层耐火材料组成为：50mm 纤维毡+立砌一层轻质砖+348mm 黏土砖。

3.3 炉罩

3.3.1 炉罩钢结构

炉罩钢结构由型钢结构的钢板外壳、炉罩承载的组合圈梁、砂封刀、罩顶吊具及一对导向环组成。炉罩下端开口部分用组合圈梁加固，组合圈梁的作用：一是与炉罩吊具、炉罩上部型钢骨架形成统一吊装体，防止炉罩变形；二是固定用以支承炉罩内衬耐火材料的托板并与其一起形成炉罩重的支承体；三是用于固定砂封刀及对角的一对定位导向柱的导向环。考虑炉罩下部托板受热膨胀的补偿问题，下部托板及炉罩外壳裙板按炉子钢结构立柱的间距开设一条宽 10mm 的长条牵缝，以防止受热变形。固定于炉罩圈梁上的砂封刀，为便于安装、防止热变形，相互之间留有 20mm 的间隙。

炉罩的开启依靠炉罩顶部的吊具，吊具位置与炉罩重心一致。该炉罩吊点经强度校核设计为两根 Φ120mm 的 45 钢轴组合承载。炉罩的对角线相应于定位导向柱部位设有一对套筒下口呈喇叭形的导向环，扣罩时用以套住炉台对角的导向柱，确保炉罩和炉台的中心线重合。

3.3.2 炉罩内衬材料

耐火纤维具有热容小、导热系数低、热稳定性好、容重轻等优点，特别适用于间歇式炉作内衬。纤维喷涂相对于纤维制品衬优点突出，整体性好、无接缝，可有效避免温度造成的定向收缩，异形面施工质量可靠，直接形成满足温度梯度分布的混合材料衬层，并可减少锚固件的数量和品种，降低设计安装的复杂程度。罩顶设计中优先采用普铝、高铝复合结构，各 130mm 厚的纤维喷涂衬里。为降低成本，炉罩四周侧墙采用纤维制品复合衬安装结构，总厚度为 250mm。施工过程中对制品安装严格要求，以确保纤维制品衬的性能和质量。先在炉皮板上涂刷纤维粘合剂，选用 20mm 厚普铝纤维针刺毯紧贴炉皮板整卷铺设三层计 60mm，相邻纤维毯重叠 15mm，层与层的接口错开，压缩后到 50mm 厚，工作层安装压缩 30%，尺寸为 800mm×300mm×200mm 的高铝纤维针刺毯预制块，复合纤维衬的锚固方式为 V 形钩穿钉固定，锚固件材质为 1Cr18Ni9Ti。为防止穿偏，V 形钉底部用直钢筋焊接在一起。折叠预制块端头间的收缩缝用高铝毯二次挤缝，压缩百分比为 30%50%。为尽量减少因预制折叠块的温变收缩造成的影响，在异形结合部位，预制块的规格及安装角度作了特殊调整，通过制品温变收缩方向的改变，相对弥补制品收缩形成贯通缝隙的缺陷。为提高预制块衬层的整体性，其衬层安装完毕后表层喷涂一层高固化剂，使其整体高温定型，以接近喷涂炉封的性能。

3.4 炉罩导向柱

沿罩式炉的对角线在炉台外侧设置一对导向柱，供升降炉罩导向和定位之用。导向柱由 Φ245×10mm 的钢管制成，顶端呈圆锥形、底部固定于基础上，高度分别为 4300mm、4500mm 两根导向柱在高度上相差 200mm，便于炉罩套合时依次套入。炉罩导向柱能够确保炉罩与炉台紧密密封。

4 罩式炉结构的性能与控制

4.1 节能燃烧器的配置及管道布置

罩式炉属于间歇式变温炉，炉温需按照规定的热工制度随时间变化。为实现温度场和热分配的均匀合理性，燃烧系统配置如图 5 所示。根据供热负荷需求，选用炉底四周供热方式，配备 24 个自身预热烧嘴，同规格烧嘴相向布置，且处于不同标高。下排通道内烧嘴供热负荷较大，上排烧嘴供热负荷较小，通过热气上浮以及炉膛内对流传热和辐射热交换来均衡炉温。

罩式炉燃烧系统的独特之处主要体现在以下几个方面：首先，为了避免火焰直接冲刷工件，烧嘴安装位置后移一个炉墙厚度，这样既不会直接烧损工件，又能增加炉膛内的有效面积；其次，上、下交错布置烧嘴，火焰互不干扰，各自独立调节，散焰加热，强化燃烧；再次，布置于地沟火道内的烧嘴砖四周扩缝至 120mm，烧嘴砖前方砌筑 232mm 火焰导向砖，有利于下排地沟内烧嘴的引射排烟，防止火焰短路；此外，地沟火道上设置活盖板，其作用一是将火焰导向炉子中心，二是调整炉底火道断面积，三是保护垫铁；最后，各地沟火道隔墙在烧嘴前 1000mm 处砌筑花墙孔道，用于燃烧时相互串火，点燃相邻烧嘴。

10672mm×10208mm 罩式热处理炉简图如图 2 所示，燃烧系统布置图如图 5 所示。

4.2 强化炉台密封

炉台密封性能与设备节能及工艺优化紧密相连。密封性良好，温控曲线精准，炉窑热效率高，产品质量也随之提升。结合罩式炉自身特点，炉罩与炉台衔接处的密封结构设计为软硬结合的三次密封结构（见图 4）。首先是炉罩内炉罩下方托板上的特定结构的纤维折叠预制块与炉台衬砖墙之间的一次密封；其次是炉罩托板与炉台密封板内 Φ40 纤维绳之间的软硬密封；再次是炉外侧四周的砂封结构。投产运行反馈，密封效果极佳，无泄漏，无变形。

4.3 罩式炉的控制系统

精准的计量仪表和先进的控制技术是热处理炉实现合理温度制度的关键。由于罩式炉本身密封要求严格，导致炉子本身必备的火焰监测孔、检修、探视孔等数量及大小均受到限制。相对而言，控制炉况及燃烧状态的执行系统及仪表显示尤为重要。近年来，节能降耗已成为冶金企业降低成本、提高效益的重要途径。节能不仅在于炉体、密封结构方面的改进，更主要的部分在于燃烧系统的改进及节能型燃烧器的应用。自身预热式烧嘴自带一个间壁式换热器，通过回收烟气余热节约能源，提高理论燃烧温度，预热空气温度可达 550℃。应用实践表明：空气预热温度每升高 100℃，即可节约 5%以上的能源。自身预热式烧嘴的另一大特点是节省了烟道和烟囱。实际上，空气、煤气的压力和燃料发热值等不稳定因素虽不占主导地位，但对于炉子正常生产也不容忽视。在满足热处理工艺要求的前提下，控制系统选定了简单实用的自动化系统，简称为“SPA”（simple practicable automation）。具体设计上，将罩式炉的供热制度分为两段控制，对应各段分别设置一个空气、煤气调节阀及流量孔板。铠装热电偶 6 点接触式测温，能够反映被加热工件及相应段内上、中、下温度状况。罩项安装两支常规铂热电偶，进行炉气温度检测，作为辅助温控参数。8 点温度及各段空气、煤气压力、流量等参数分别记录或显示于 ER186（6 通道）走行记录仪或无纸记录仪（12 通道、单色）中。根据用户需求，ER186 可打印所监测工件的 6 点温度曲线。以此组成了罩式炉的控制主体。操作者可根据空、煤气流量，调节生产时各段的空、煤气总量配比，嘴前手动调节，使燃烧达到最佳效果。本控制系统同时设置了煤气低压及泄漏报警系统。投产运行实践检验，控制系统运行可靠。

5 应用与效益分析

罩式炉于 2002 年 11 月底烘炉热负荷试车一次成功。图 6 与图 7 摘录的是 ER186 记录的 2003 年 1 月 22 日黄龙滩上冠产品生产过程中正火、回火热处理的工艺曲线，该工件热处理的最高温度为（1020±10）℃，6 点温差满足≤±3℃。图 6 的温度曲线同时也证明了该炉具有良好的温控性能及灵敏性。

5.1 直接经济效益

生产部门统计，自 2002 年 11 月 25 日投产以来，截至 2003 年 5 月 25 日，6 个月累积处理大型工件 14801 件，其中附加正火工艺处理的有 550 件。按照普通退火、回火处理费用 500 元/件，退火、正火工艺费用 800 元/件计算，建炉 6 个月来的直接效益如下：9301×500 元/件=46.5 万元，550×800 元/件=44.0 万元，节省大件运费 7.6 万元，6 个月直接经济效益为 46.5+44.0+7.6=98.1 万元。

5.2 间接经济效益分析

罩式炉由于有效面积及产量大，可以承揽原本 32 平方米、35 平方米台车热处理炉无法处理的不规则工件的生产任务，同时也可以代替 32 平方米、35 平方米两座台车式炉的工作性能。经测试，比台车炉提高热效率 9.36%。按每年替代生产任务量 1/4 计算，年节能效益为：1/4×5000m³/h×24h/d×250d/a×9.36%×0.17 元/m³=11.9 万元。直接经济效益+间接经济效益=98.1+11.9=110 万元。罩式炉总投资 209 万元，投资回收期为 209/110=1.9 年，即可回收投资。年直接经济效益十分可观。

6 结束语

（1）复合纤维轻质衬的应用，使炉子灵敏性得以提高。相对于耐火砖及浇注料衬，重量减轻 2/3，节能 15%-30%。经现场测试，炉温 1150℃保温时，外壁钢板温度显示：侧壁 60℃，炉顶 83℃，优于工业炉炉体外表面温度标准（炉内温度 900℃时，外表面温度标准为侧墙 90℃，炉顶 107℃）。同时，轻质纤维衬的使用，使炉罩结构实现了轻型化、大型化。降低了起重重量，减少了基础负载，降低了投资。

（2）自身预热烧嘴的应用，显著提高了罩式炉的热效率，燃料燃烧完全，节能并直接减少了烟气排放量小于±3℃。此外，该炉烧嘴的配置方式也尝试了炉膛高度在 5m 以内的罩式热处理炉只设单排烧嘴供热的热工制度。实践证明，可以满足生产工艺要求。

（3）软硬结合三次密封，大大减少了炉罩与炉台间隙的逸气及辐射热损失。经测算，密封功效每年可节省燃料效益达 20 万元。

（4）炉体控制分对称的两个区，从根本上提高了炉子控制精度，“SPA”控制系统实现了高产降耗，提高了产品质量及炉子利用率。