氢气保护超宽幅钼板加热炉的设计和应用

梁香宁

(西安博莱炉业科技股份有限公司，陕西 西安 710021)

0 引 言

目前，在钨、钼及其合金的加工行业中，主要厂家采用氢气保护电阻加热炉和感应加热炉来进行加热。氢气作为钨钼加热炉中的重要介质，对提高产品质量、降低生产成本有重要影响。钨钼行业多采用氢气保护加热炉进行加热处理，过去常规感应炉和电阻炉，只限于一些板幅较小的板材加热，远远满足不了目前超宽幅(1 m)以上板材的加热需要。我公司根据使用单位的工艺要求，研制了钼板加热电阻炉，已投入使用多台设备，取得了较好的使用效果，获得用户的认可。目前国内最大的钼板加热电阻炉由我公司设计制造，并投入使用。

1 氢气在对钨、钼加热炉使用中的影响

1.1 对产品质量的影响

常温下钼在空气中是稳定的，当温度达到400 ℃时开始发生轻微的氧化，当达到600 ℃后则会发生剧烈的氧化反应而生成三氧化钼。常温下，钨在空气中稳定，但在400～500 ℃开始出现明显氧化，形成蓝黑色的致密的三氧化钨[1]。因此在钨钼加热过程中，为了防止钨钼制品在加热过程中出现氧化，需要将加热产品用氢气作为保护气体与空气完全隔绝，避免影响产品的质量。实践证明，高温下氢气的量越足，处理产品的品质越高。

1.2 对炉膛内热场的影响

钨、钼板材加热电阻炉多采用钼或钨丝作为加热元件，利用加热元件对原材料进行辐射加热。在各种气体中，氢气具有较高的热导率(见表1)[2]，因此在电阻炉中通入氢气，利用氢气的流动将加热元件的热量进行了传输，增加了对流传热的作用，在加热炉使用过程中通过对氢气流量和压力及气流通道的控制，极大地提高了炉膛内温度的均匀性。根据我公司近年来为多家钨、钼厂家提供的电阻炉使用情况来看，电阻炉炉膛均温区的温度偏差均控制在±10 ℃。

表1 标准气压、0℃时各种气体的相对热导率 W/m. K

1.3 对生产成本的影响

对于钨、钼加热设备，在生产过程中必须采用保护气氛进行加热处理，有些厂家在实际生产过程中采用充氮气或氩气进行保护。从原料成本上来说，氩气的成本较高，使用氩气作为保护气氛最终会造成生产成本的增加。另外，充氮气或氩气，当炉门打开进出料时，炉口处不能做到完全密封，炉膛内加热元件会出现氧化，减低其使用寿命，从而增加了生产成本。有些厂家采用氮气和氩气进行保护，炉内加热元件频繁损坏(见图1)。

图1 加热元件损坏

2 钼板加热电阻炉的设计和应用

2.1 炉 壳

炉壳采用焊接式钢结构框架，保证焊接的密封性。由于氢气密度小于空气，炉壳进气口设置在上部，排气口设置在下部，在排气口处有长明火咀，工作时将排出的废气点燃，确保设备和工作环境安全。炉口处有水冷套，炉门采用新型结构[2]，保证了炉口的气密性。同时，出于安全考虑，在炉顶部设有防爆装置。

2.2 炉 衬

炉衬采用砖砌炉衬和耐火纤维炉衬组合形式，砖砌炉衬由耐火层和隔热层组成，根据不同的使用温度选用刚玉、莫来石、氧化铝砖等，炉底灰缝不大于2 mm。由于耐火纤维制品的热导率低、密度小，比热容与普通耐火砖接近，因此与砖砌炉衬相比，其散热损失和蓄热损失大大减小，因此炉体侧墙和炉顶可采用耐火纤维炉衬[4]。

2.3 加热元件

加热元件是电阻炉的核心，关系到炉子的工作性能和使用寿命。由于钼在还原气氛中，抗腐蚀性极好，耐高温，电阻率较小，电阻温度系数高，因此在高温氢气炉中选择钼作为加热元件非常合适。表2列出了钼在不同温度时的电阻率。

表2 钼在不同温度下的电阻率

加热元件通常为钼带或钼丝，钼带虽然使用寿命长，可靠性高，但制造成本高。综合考虑，钼板加热电阻炉采用钼丝作为加热元件[5]。

3 其他附属设备

3.1 炉口火封装置

传统的钨、钼加热炉只是在炉内通有保护氢气，在炉外没有保护，因此在高温材料从炉内取出时，因为炉膛内压力的降低，造成炉外空气进入炉内，增加的火封装置能够在炉口形成火帘，阻止空气进入炉内，保持炉内气氛稳定，同时避免爆炸。

火封装置设置在炉口进出料的位置，在炉口进出料位置通入氢气形成一道屏障将炉外与炉内隔开，保持炉内有足够的氢气进行保护，使原料在炉口不会瞬间氧化，提高产品成品率，保证了产品质量。

火封装置供气系统见图2，首先打开氮气管路阀门，对管道进行吹扫，20 s后火帘管氢气管路阀门打开，火帘管道的氢气被长明火引燃，调节至使喷出的火焰高度能封住炉口为限。

火帘管的结构形式有钻孔喷口式、开槽喷口式、竖管喷口式和套筒喷口式等，喷口直径一般取φ2～3 mm，喷口间距5～12 mm，火帘管有效长度与被封孔洞宽度一直。火帘管流通截面应为喷口总截面的2～3倍，一般采用DN40～DN65的低压流体输送钢管。具体见图3。

图2 火封装置供气系统图

图3 火帘管结构示意图

3.2 防爆装置

防爆装置的作用是，当可燃气体意外爆炸(急剧燃烧)时使膨胀气体能迅速排出，避免发生事故。对于氢气保护电阻炉，必须设置防爆装置。防爆口的面积按照经验公式和计算：

A=0.025V

式中:A—防爆口面积(m2)

V—可燃气体的容积( m3)

3.3 排 气

为了调节炉内压力使之维持一定值，钼板加热电阻炉通常要求炉膛压力保持在101 kPa左右。排气装置通常有水封排气和阀门排气，阀门排气简单，但容易吸入空气，安全性差，因此在实际使用中常采用用水封排气，如图4所示。

图4 水封结构图

3.4 加热电阻炉充气

在加热炉内通氢气保护之前，首先要充入氮气(20 kPa)进行炉腔内空气的置换，通过合理调节氮气流量的大小，向炉腔内充氮气进行置换，时间根据炉膛的尺寸和氮气流量以及压力的大小具体确定。氮气置换结束后，充入氢气(20 kPa)置换炉腔中的氮气，结束后要在炉底的取样口和水封排气口出分别取样做鸣爆实验，实验合格后方可进行水封排气点火。

4 钼板加热电阻炉在使用中注意的问题

(1)在加热升温过程中，要严格控制升温速度，由于加热丝为钼丝，钼的温度系数大，如果升温速度太快，容易导致局部过热，降低加热丝使用寿命，增加故障率和维修率，提高了生产成本。

(2)电阻炉加热过程中，首次打开炉口炉门之前应确保炉口长明火完全点燃，否则不能进行开关炉门操作。

(3)必须保证水封排气内水面的高度。水位过高，炉内压力增加，水封有可能不能顺利排气。水位过低，水封密封效果降低，一旦无水，后果非常严重。

5 结 论

氢气作为保护气氛在钨、钼加热炉中使用，从生产成本，产品质量各方面都有重要的影响。我公司开发的钼板加热电阻炉，结合近年来多台设备的实际生产使用情况，相比传统的生产线上的加热炉，生产效率高，电能消耗低，炉体密封性好，加热元件使用寿命延长，设备运行安全可靠，维护成本显著降低，取得了良好的成效。