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1、国内熔模铸造型壳焙烧炉的应用现状及节能进展冯胜山（湖北工业大学机电研究设计院 武汉 ）摘要:介绍了近年来国内熔模铸造型壳焙烧炉在加热方法、炉型结构、保温材料等方面的技术改进、创新及其节能效果，指出黑体炉衬材料与蓄热式高温空气燃烧技术相结合的加热炉是熔模铸造型壳焙烧炉的重点发展方向。关键词: 型壳；焙烧；节能熔模铸造工艺中型壳焙烧的主要目的是：除去型壳中的水分、残余蜡料、盐分等挥发物，使型壳在浇注时具有良好透气性；使粘结剂、耐火材料等物质之间进行热物理化学反应，改变物相的组成与显微组织；建立高温强度，减少液态合金与型壳的温差，提高充型能力。型壳焙烧是熔模铸造的主要工序之一，也是耗电最多的工序。型
2、壳焙烧炉应满足如下要求：能源消耗量低；炉内温度分布均匀；型壳装炉、出炉方便； 防腐性能好；电热元件维修方便；炉型适应性广，既适合小批量生产，也适合大批量生产。目前用来焙烧型壳的加热设备，按所用能源分类，有电炉、油炉、煤（煤气）炉；按炉型的结构分类，有箱式炉、台车炉、反射炉、棱式炉等。长期以来，国内精密铸造行业最常见的精铸型壳焙烧炉是箱式电阻炉。普通箱式电阻炉采用金属电阻丝加热，其优点是温度易于控制，但是存在如下弊端： (1)能耗大，生产效率低。箱式电阻炉每焙烧一炉需 45h，耗电约300KWh。(2)升温慢，难以与炼钢炉容量相匹配。若在焙烧过程中电炉丝烧断，则升温十分缓慢，每提高100约需1h
3、左右，既浪费电力，又耽误时间。(3)装炉、出炉极为不便，操作笨重。(4)污染环境。箱式电阻炉由于没有烟巷和烟囱，型壳在型壳焙烧过程中由水分、硬化液以及粘附在型壳上的模料所产生的蒸气和酸性废气，只有通过炉门逸出，造成设备腐蚀，也污染车间生产环境。 (5)电热元件维修困难。电阻丝及炉底板常因腐蚀性气体的侵蚀而失效，影响生产。烧断的电炉丝需待炉子冷却后才能修复。为了维持生产能力，一般生产厂要设置多台大功率箱式电阻炉，致使型壳焙烧工序成为高耗能的“电老虎”，使型壳焙烧成本居高不下。因此，型壳焙烧炉的节能改造一直是铸造节能工作的重点之一。近十年来，国内熔模铸造型壳焙烧炉在加热方法、炉型结构、保温材料等方
4、面进行了一些技术改进与创新，节能技术获得了较快发展，型壳焙烧炉的节能效果和使用性能也得到了显著改善。1 硅碳棒电阻型壳焙烧炉目前有一些企业，特别是小批量生产企业，采用硅碳棒替代金属电阻丝加热的电阻焙烧炉。硅碳棒电阻焙烧炉比金属电阻丝加热焙烧炉的使用寿命长，并可从外面直接更换硅碳棒，无须停炉冷却等待，可以满足连续生产要求，降低烟尘、炉渣排放，使环保节能、清洁生产水平显著提高。对于水玻璃型壳工艺或复合工艺，由于焙烧释放出的酸性物质对电加热管腐蚀比较快，所以采用硅碳棒代替电阻炉丝有更好的效果。硅碳棒电阻炉与传统的电阻丝加热方式比较，当加热元件损坏时，不需停炉一天以上，等炉温冷却下来再更换加热元件，而
5、是热炉更换，且只需 5min左右，从而保证了生产的连续性。硅碳棒发热元件具有良好的化学稳定性，抗酸能力强，耐急冷急热，高温下不易变形。 硅碳棒嵌在工作室顶部与两侧，其接线端伸出炉外，通过可控硅及智能PID温度控制仪调整工作电压来设定炉温。炉体的内墙由异型硅砖及保温砖组成，四壁及顶部为硅酸铝纤维、氧化镁及碳化硅等，外层为保温层及空气夹层，保温效果好。因硅碳棒为电阻发热元件，整个炉体只保留出气口，没有传统意义上的烟囱，热量不易损失，因此热效率可达90以上。 硅碳棒电阻炉炉温可达1300以上。它虽然比燃油及燃气炉升温速度稍慢，但通过炉室的合理匹配，完全可与快速熔炼炉配套，即选用两倍容量的硅碳棒电阻焙
6、烧炉与一台快速熔炼炉匹配，可确保型壳完全烧透。 2 红外电阻型壳焙烧炉红外电阻炉的技术核心是以优质红外涂料为基础的红外电阻带和红外复合炉衬。节能机理是加强热能的定向辐射，使热量更多地为工件吸收，较少地从炉壁散热损失；同时采用陶纤内贴面，减少蓄热、散热损失。红外电阻带是先把电阻带弯曲成连续波纹形，再扭平并贴在炉衬内表面，然后在电阻带面向炉膛的表面涂上红外涂料。红外复合炉衬是多层炉衬，在轻质砖上内贴一层陶瓷纤维，陶纤表面涂上红外涂料。红外涂料除加强热量辐射外，还可提高陶纤的强度、耐火度，防止其粉化、焦化。红外复合炉衬及红外电阻带结构示意图如图1所示1。1炉壳 2陶纤绵 3陶纤毡 4轻质砖 5陶纤毡
7、 (侧壁涂红外涂料)6挂销 7电阻带 (表面涂红外涂料)图 1 红外复合炉衬及红外电阻带示意图普通红外涂料一般由碳化硅或铁红与水玻璃混合而成，它们在600下有一定红外作用。而中温电炉的使用温度为800950，要求在2.5m左右波长段具有高的光谱发射率，普通红外涂料就难以满足要求。如果骨料采用多种氧化物高温反应烧结成反型尖晶石结构，粘结剂采用铝铬硅复合溶胶，则可满足中温炉要求。 优质红外涂料的热辐射率高，热吸收率也高，若直接涂在重质耐火砖上，在加强辐射传热的同时也有促进散热的负作用。如果炉壁用轻质砖，再内贴陶瓷纤维，红外涂料涂在陶纤上，由于轻质砖特别是陶纤的导热率低，涂料热吸收高这个因素就会受到
8、抑制。加热元件本身工作温度总是比工件炉壁温度高，它只会发射热，不会吸收热，因而在加热元件表面上红外涂料，只有积极作用，没有消极影响。 电阻带一侧上涂料，一侧不上，热量辐射有涂料侧多，无涂料侧少，使热量定向辐射。好的涂料与金属加热元件的粘结粘结强度高，可以在1200淬水多次不剥落。 红外电阻炉具有如下特点： (1)节能。天津某厂的一台保护气氛推杆炉，可比单耗为182.6kWht，远低于ZBJ01033-89规定的一等炉要求(370kWht)，耗能达到当前国际先进水平。一般升温时节能5060%，保温时节能3040%。 (2)升温速度快。升温快就省时，提高工效，原来每昼夜开二炉的可以开三炉。用户反映
9、：提高工效带来的实际效益，超过了节电效益。 (3) 炉温均匀。采用红外技术，由于加强了辐射传热，炉温均匀度明显提高。某航空机械厂3台炉子的炉温分布差分别为6、6.5、8以内。(4)使用寿命长。红外涂料是从防护涂料发展而来的，所以红外涂料对加热元件和炉衬起保护延寿作用。上海交通大学将这种涂料涂在氮化炉的内壁后，其老化寿命提高了5l0倍。用红外电阻炉焙烧型壳有特殊优点，除了升温快、温度均匀以外，还可促进水分挥发和粘结剂固化。这是因为红外电磁波的波长与水分子振动的波长相近，会加强水分子振动，摆脱型砂的束缚挥发出去。此外，红外可以部分透入铸型内部，使铸型表里受热较为均匀，不致产生外表烤焦而内部焙烧不足
10、的现象。3 燃煤贯通式型壳焙烧炉燃煤贯通式型壳焙烧炉的结构特征是：型壳装在的耐热装料盘上，在机械推杆的推动下，连续不断地进入炉内；焙烧好的型壳亦相应地被推出炉门，由过渡小车运往熔炼炉前浇注。炉膛长度方向设计成3段：低温段（炉温200300）、中温段（炉温300600）、焙烧段（炉温600900）。燃烧室设置在焙烧段，优先对焙烧段的型壳进行强制对流加热。中温段和低温段则依靠贯通炉中的高温烟气流的余热加热。焙烧段炉顶采用硅酸铝耐火纤维组合成型顶结构，压低拱高而形成扁拱，强化火焰对型壳的对流及辐射。贯通式炉型炉膛长而横截面小，同一截面的炉温相对比较均匀，因此型壳装料盘的上下层温差明显减小。在整个焙烧
11、过程中，型壳经历逐渐从低温到中温，直至焙烧的过程，彻底摒弃了箱式电阻炉“急火猛烧”的不良焙烧方式。焙烧炉内空气过剩系数选择偏大值，使炉气持续保持氧化性气氯，有利于型壳挥发物的不断析出和高温物化反应的进行，能显著改善型壳的高温力学性能，提高焙烧质量。燃烧方式采用下饲式机械加煤明火反烧。这种燃烧方式可使从馏层挥发出的可燃气体在上升到氧化层时充分燃烧。由于火自上而下燃烧，煤层得到充分预热，不存在还原层，燃烧工况稳定，烟尘少。燃煤贯通式型壳焙烧炉的主要特点是有利于热量的充分利用和实现规模生产。上海市机械制造工艺研究所开发的节能型燃煤贯通式型壳焙烧炉结构见图22。图2 节能型燃煤贯通式型壳焙烧炉结构该炉
12、的主要技术性能指标如下： 炉膛尺寸： 0.9m11.5m (宽长) 工作温度： 950 (焙烧段) 燃料： 烟煤燃料消耗量： 40 kgh 加煤方式： 下饲式机械加煤型壳装料盘数： l6盘 型壳焙烧生产率：每小时出炉型壳4盘，可浇注钢水400600 kg节能型燃煤贯通式型壳焙烧炉在浙东某些精铸厂取得了令人满意的节能效果。某精铸厂建成节能型焙烧炉1台，配套使用2台150kg可控硅中频熔炼炉 (实际每炉出钢水230250 kg) ，三班制生产。现实际每天耗煤0.7 t，每t成品铸件约耗煤 175 kg。原配用的 4台45 kW箱式电阻炉全部停用。过去4台箱式电阻炉年耗电约70万度。经测算，焙烧炉改
13、造后年节约电费和维修费达30万元以上，其中还不包括由于提高型壳焙烧质量而降低铸件废品率所产生的经济效益。为了充分利用高温烟气余热，环形燃煤型壳焙烧炉应运而生，可实现节能和高质量模组焙烧的统一。使用环型焙烧炉并且同时供应两台中频炉的壳型后，每炉熔钢时间控制在45min左右，按每2025min出壳一次的节奏生产，那么壳型的焙烧时间可达到80min，其中700800预热段20min，9001000准高温段20min，1100以上高温段40min。与过去壳型由常温到1100仅焙烧45min相比，质量大有提高，同时由于预热段和准高温段都是利用烟气余热，又采用节能喷嘴，每日连续工作的煤耗总量下降30。某厂
14、过去每日完成40炉次，耗煤2吨；现在每日可完成50炉次，耗煤1.5吨，单炉煤耗由50公斤下降到30公斤（下降40），中频炉电耗由于缩短等待浇注时间而下降12。 4 转窑式煤气型壳焙烧炉 采用煤气发生炉将煤转化成煤气，可提高能源利用率，降低成本和排放，降低能耗达到 3 0以上3。如果说硅碳棒电阻炉适用于中小精铸工厂，那么转窑式煤气焙烧炉则适合规模、产量较大精铸工厂使用。 转窑式煤气焙烧炉外壳采用钢结构焊接而成，炉膛由优质高铝砖砌制，炉壳与炉膛之间加有优质高铝岩棉作为保温材料，炉体顶部亦铺贴高铝岩棉保温材料，以防止散热。炉门及其周边采用耐热材料制成，炉门内填充高纤维材料，具有炉门不变形、隔热密封效
15、果好等优点。 炉内转盘式结构设计，可使型壳进入焙烧炉后经过预热、热交换、焙烧等多段温区，避免了型壳的急热。 转窑式煤气焙烧炉虽在结构上具备烟道较长、烟气与型壳接触充分等优点，但燃料在燃烧过程中，会排出废气，废气会带走热量，随着炉温的增高，带走的热量增多，烟气热量得不到充分利用。为了解决这一问题，采用钢铁厂尾气排放的节能经验，开发设计了一款适合自制水煤气使用的新式烧嘴。该烧嘴能在极短时间内把常温空气加热。被加热的高温空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量低于20的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料，燃料在贫氧状态下实现燃烧。与此同时，炉膛内燃烧后的热烟气经过另一个烧嘴排空，将高温烟气的热量储存在另一个烧嘴内。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，常用的切换周期为30200s。两个烧嘴分别处于储热与放热交替工作状态。现在绝大多数工厂使用的箱式炉，排烟温度在900以上；而转窑式焙烧炉烟道排烟温度150，可获得良好的节能效果。 转窑式煤气焙烧炉与新式烧嘴的结合，从根本上提高了加热炉的能源利用率，特别是对低热值脏燃料(如脏煤气)的合理利用，既减少了污染物(高炉煤气)的排放，又节约了能源。另外，新的燃烧方式强化了加热炉内的炉气循
