电极盐炉改造方向与节能潜力

2015-01-14孙书静沈阳市辽中通达机械厂

节能与环保 2015年11期

文 // 孙书静沈阳市辽中通达机械厂

1 盐炉改造概况

内热式电极盐炉(以下简称盐炉)应用中存在有两大问题：启动升温时间长和炉口热损失大，使盐炉成为耗费能源大的热处理加热设备。

当前，科学技术的进步，新技术、新材料的不断涌现，已为盐炉的综合改造创造了良好条件。我国近几年来，采用新型耐火材料、新型保温材料的盐炉，使炉壁热损失大大减少，炉胆热平衡时间向后推迟，延长了盐炉使用的寿命。可控硅电源、电子仪表、单片计算机在盐炉上的应用，使盐炉的控温精度和炉温稳定性都得到了提高，且使用方便，还能有一定的节能效果。可见，应用先进技术改造盐炉是一个重要课题。

近几年，我国在盐炉改造中着重于推广自激型快速启动技术和炉口液面保温技术，从而使盐炉应用中的两大问题得以较好的解决，尤其在盐炉电极结构上的创新，使自激快速低压启动技术有了突破性的进展，盐炉的各项性能得到了很大的提高，达到了不用提高电压也可以随用随开炉的水平。

但是，改造中也存在一些不同观点，主要的反对意见是：①快速法是采用大功率启动升温，虽然时间缩短了，但“耗电同样多”；②快速法是因为炉胆吸热不足而节约的电，是“先节后补”；③在炉胆吸热不足条件下加热工件会出“废品”。

为了弄清这三个问题，我们对盐炉进行了五项主要指标的测试：①炉胆吸热差量的对比；②炉口液面不同保温材料与节能的关系；③冷却水带走的热量；④主电极柄及铜排的温升变化；⑤与箱式电阻炉的能耗对比。通过对中温和高温盐炉进行实验测试，得出以下结果。

1.1 各台盐炉均省时节电

两台盐炉节约时间为69%～85%，节约电能为35%～75%。它们之间存在着差异是由于炉体结构不同，耐火保温材料不同，以及各自在改前的传统方法耗电水平基础不同。测试结果只是各台盐炉改前与改后自身能耗的纵向对比。

通过数据分析得出：传统法平均每台耗时为261.4min，快速法为66.7min，节时194.7min，节时率为74%；传统法平均每台耗电数为130kWh，快速法为53.9kWh，节电85.1kWh，节电率为61%。

省时节电的主要原因是自激型电阻发热元件由浴盐及预导质所组成的离子导体通电后，能在炉渣中开始发热升温，并将主电极很快导通而导致迅速升温。因为启动升温是从炉底向上逐层通过固体盐，所以炉口热损失到最后阶段才出现，可使电能大部分用于化盐与升温。又因为启动升温时间大幅度缩短且炉胆吸热少，所以使热损失减少到最低限度。

1.2 炉胆吸热不足在节电总量中的比重很小

实验中，当炉膛达到指定工艺温度时，再用此工艺温度使炉膛静态(保温)工作6h，以此测出比传统法在炉胆吸热方面平均每台多耗17.4kWh，只占节电总数的20%。虽然各台差量大小不同，但其热量由两条曲线表示趋于重合，各台盐炉两种方法比较均属同一规律，因此实验测试是可信的。

由此可知，传统法是在装炉加热工件前比快速法多输给炉胆17.4kWh，可称它为“预付数”。快速法是在装炉后，再用6h的实际工作时间给炉胆补上17.4kWh，可称它为“现付数”。如果实际工作时间小于6h，传统方法就有一部分电要浪费掉，而快速法则可以节约下来。因此，它的节电率61%～49%。不难看出，快速法在炉胆吸热及通过它向外散热方面有主动权，这对间歇性生产盐炉节电有利。所以，“节电来自炉胆吸热不足”，或“应将炉胆吸热不足部分从节电总量中减去”的见解是与实际不符的。

1.3 快速法可确保被加热工件的产品质量

由于盐炉与电阻炉及火焰炉的综合给热方式不同，炉胆吸热与炉衬蓄热两者间有着本质的区别。炉膛中的高热浴盐与炉胆内壁四周及炉底表面紧紧相贴，炉胆的这些界面及其向内的一定深层必定与浴盐同温，始终是受液态高热浴盐的温度所左右。工件就是在这样条件下装炉的。浴盐在能量转换过程中有一小部分热量要经过炉胆界面不断地逐层地向炉胆深层，并且最终向外散发出去，这一现象通称为炉胆散热损失。炉胆热稳定的时间向后推迟就意味着散热损失小，这本身就是节能，并不会影响被加热工件的质量。

工件装炉后，在比自身体积大3倍以上的高热浴盐热量库中加热。850℃熔盐的热容量比同温度的空气热容量大数千倍。盐炉在加热工件时的炉温回升速度取决于盐炉的功率与浴盐能量转换热效率。几年来的生产实践证明，只要炉膛达到指定工艺湿度，并且炉膛上下的温度一致，盐炉运行正常并遵守加热工艺规程，所有被加热处理的军品、民品和工装产品都是合格的。

据5个工厂的间歇生产作业测试，在盐炉和箱式电阻炉上，用相同数量的同样工件，总重为400kg的条件下试验，结果表明，盐炉生产比箱式电阻炉生产可节省电力23%以上，这是对敞开炉口的盐炉而言，如加用炉口液面保温技术，其节电效果会更大。

2 实现盐炉自激启动的措施和效果

当前我国盐炉启动技术分为自激加热启动和他激加热启动两大类。

具有小溶池结构的自激加热启动方式的盐炉，在小溶池工作时，难熔固态粒子在液、汽两态运载下混流，以高速方式向小熔池外的固态盐喷射冲击，从而使主电极工作面上邻近熔化的固融体盐加快溶化，以扩大电极工作面上的送电面积与送电量，尽早实现主电极的满负荷工作，尽早完成启动升温。

同时，当小熔池内的三态物质在高温高压下被喷射出去时，小溶池内所空出的空间立即由邻近小溶池两侧的低温液盐和难熔固体粒子填充。它们又经小熔池瞬间自激加热形成三态高压向外喷射。如此快速循环，直到小熔池工作停止。所以，小溶池是造热基地，由此实施高速搅拌与撞击，这是其它自激加热启动法无可比拟的。

为使主电极尽快实现大电流满负荷工作，确保盐炉快速升温。在启动小溶池之后，可增设若干个升温小熔池，经此来实施从主电极导通到主电极工作面全面投入工作这一段时间内的升温任务。

由于自激加热启动首先从炉底开始，所以，当盐炉过渡到工艺温度要求时，炉底已完全具备了捞渣条件。采用这种自下而上的启动加热法，炉口液面的散热损失在启动升温过程的最后阶段才出现。因此，炉膛越深越节电，且随启动升温时间的缩短而越节电。

自激加热启动是由电子导体组成的金属电阻螺旋发热器，或使用石墨棒间形成电孤发热，以此来熔化邻近的固态盐，直至将盐炉主电极间的固盐熔化成一个小的通道，实现主电极的局部导通。之后，再以开放式向周围加热扩大，熔化全炉膛固态盐。这种他激加热方式，在盐炉主电极间导通前，因发热体(金屙电阻螺旋器或石墨棒)的加热是从上而下将周围的固态盐熔化并扩展开来，且固态盐表面沿发热体电极柄周围的局部地方先熔、升温并向四周扩大散热面，所以其炉口热损失很大。它与炉膛深度及启动升温时间的延长成正比例增加。还常出现浴盐上部达到工艺温度要求，而底部固态盐尚未熔化的现象。据测定，其炉口热损失与温度升高(热幅射)成4次方增加。同时，暴露在盐面外的发热体电极柄始终向空间散发热量，这也加剧了热损失。因此启动升温过程中的电能大部分被损失掉，这种启动方式耗电多。

近年来，各种自激加热启动的方法不断涌现，但是如何更好地实现自激加热启动呢?这可以从分析下述关系式入手。导通电压V和电极间距L，电极间电阻率的关系式为：

对于一般冷态盐炉来说，电极间充满着固态盐，故极间电阻率ρ很大，埋入式极间距离L也很大。在这种情况下，导通电压是极高的。若单纯用提高电压的方法来实现自激启动，显然投资大，且操作运行复杂，还常出现启动不灵。

显然，减少极间距离L和减少电阻率ρ都可使导通电压V降低。在电极构造设计上采用小极间距离L，并在极间内使用预导质，使极间电阻R小于3Ω。两者的结合，就是目前推广使用的小熔池低电压自激加热启动技术。

3 炉口液面保温是盐炉节能的重要环节

炉口液面保温材料有多种，以“654”保温粉剂为较好。为了准确了解其节能效果，针对不同地区、不同行业的中温盐炉，用不同保温材料与节能关系进行对比测试，结果表明都有较好的节能效果。例如，1台100kVA中温炉，炉膛尺寸为400×400×430mm，在850℃盐炉静态(不加热工件使液面不被破坏)工作中，当敞开炉口时每小时耗电24kWh，用木炭粉耗电18kWh，用硅酸铝纤维保温炉盖每小时耗电15kWh，用“654”保温炉盖每小时耗电12kWh。又据另1台75kVA盐炉的数据，炉膛为Φ325×670mm的中温粉剂和硅酸铝炉盖一起进行保温时每小时耗电8kWh，而敞开炉口时每小时耗电28kWh，节电为71%。在1台100kVA、炉膛尺寸为500×450×600mm的中温炉上，用900℃进行测试，在“654”保温粉剂结壳的表面温度只有260℃，可见盐炉液面保温技术对节能有相当大的作用。

4 盐炉改造与推广的建议

4.1 继续研究改进电极构造

为使盐炉升温时间实现每升固体浴盐由25℃升温至850℃的时间缩短为45s(中温盐炉)或60s(高温盐炉)，就要求盐炉主电极尽快全面投入工作。采取的措施可以是在电极构造上实现多个小熔池自激加热启动和半埋式主电极相结合，且在盐炉设计时，以炉膛面积能满足最大截面的工件加热为依据，尽可能缩小炉膛面积，加大炉膛深度，合理决定炉膛尺寸。

另外，要使主电极的工作面积与变压器额定容量合理匹配。主电极在炉膛的分布也极为重要。如果设计合理，制造精细，使用得当，可使中温盐炉电能单耗降至0.9kWh，高温盐炉降至1.5kWh／L，电流不平衡值在5%以内，炉膛温差在两式脉冲控温条件下也将低于49℃。

4.2 盐炉液面保温技术应向方便实用和无污染方面发展

盐炉炉温在1000℃以内的炉口盐液面保温，应在“654”保温粉剂的基础上，研制推广粒子状液面保温层技术。粒子保温层不必结壳，因此比粉剂要烧结才能成壳更简便，污染少、消耗少，不会粘附于加热工件表面，不会污染淬火介质，且保温性能好，是一项很有前途的值得开发的新技术产品。如果研制、应用得当，盐炉动态工作时可节电35%左右；静态工作时可节电80%。