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1.前言
熱處理爐是完成各種工件的熱處理工藝過程所用的熱處理設備。廣泛應用于各種金屬材料和零部件的退火、回火、淬火、正火、滲碳、滲氮和碳氮共滲等的熱處理。
隨著現代科技和工業的發展，對金屬材料和零部件的性能要求越來越高，不僅是對工件內部的金相組織，而且對工件表面的質量和變形程度均有較高的要求。而熱處理是保證金屬材料和零部件性能的最后一道工序，并且是關鍵的工序。熱處理設備是保證各種熱處理工藝實施和熱處理質量的關鍵。
熱處理過程一般分為三個階段，即加熱、保溫、和冷卻。為了確保產品的熱處理質量，通常要求爐內溫度分布均勻，工件保溫結束時，工件各部分的溫度應基本一致，因此要求爐內各處溫差應小于5-8℃。同時，由于在熱處理的加熱和保溫過程中要消耗大量的能源，且要占用很多的時間，因而，如何降低能源消耗，提高加熱速度，減少爐內各處溫差是當前國內外熱處理爐領域研究的重點。
2.熱處理爐的節能研究
2.1.1 爐襯材料的改進
目前我國絕大多數熱處理爐處于二十世紀六七十年代的水平，主要表現為爐型落后，能源利用率低，燃料消耗高，爐子熱效率一般低于10%，產品熱處理成本高，爐溫均勻性差，熱處理產品質量得不到保證。因此節能改造勢在必行。
硅酸鋁纖維又稱陶瓷纖維，是一種人造無機非金屬纖維材料，是一種高效節能耐火材料。它根據使用溫度的不同分為普通硅酸鋁纖維、高純硅酸鋁纖維和多晶莫來石硅酸鋁纖維。在20世紀60年代美國首先在加熱爐上使用，由于其卓越的性能，各先進國家都紛紛研制使用，我國在70年代研制、80年代應用、90年代得到較廣泛的推廣使用，目前已經在熱處理爐上被廣泛應用，在技術上已完全成熟可靠。近幾年來我廠投入較多的人力和財力開發全纖維爐襯，克服了目前國內外硅酸鋁纖維爐襯所存在的各種缺陷，并在爐體結構和爐體密封技術上進行研究和改進，取得了較好的效果。實踐證明這種新型、輕質、耐火、隔熱材料在工業爐上使用具有如下十大優點：
（1）比重輕
傳統的耐火粘土磚的比重為2100Kg/m3，而耐火纖維毯的比重為128Kg/m3，僅為傳統耐火粘土磚的6.1%, 當組成爐墻時, 若都按1平方米計算，則全纖維爐墻的重量僅為傳統耐火粘土磚爐墻的5.7%。
（2）蓄熱損失小
1平方米全纖維爐墻的蓄熱損失為17261.6KJ/m2，而1平方米傳統耐火粘土磚爐墻損失為453633KJ/m2，即全纖維爐墻的蓄熱損失僅為傳統耐火粘土磚爐墻的3.8%。
（3）散熱損失小
1平方米全纖維爐墻的散熱損失為955KJ/m2，而1平方米傳統耐火粘土磚爐墻的散熱損失為：1707.1KJ/m2，,則全纖維爐墻的散熱損失為傳統耐火粘土磚爐墻的55.9%。
（4）節能效果好
由于全纖維爐襯的比重輕、隔熱效果好，因此其蓄熱損失和散熱損失明顯地低于傳統的耐火粘土磚爐墻，經眾多用戶的實際測定，全纖維爐墻比傳統的耐火粘土磚爐墻相比其節能率為20~35%左右。全年的節能費用相當可貴。
（5）對環境污染少
對于燃油加熱爐因采用全纖維爐墻比傳統磚體結構爐墻節約燃油20～35％。對于一臺平均耗油量為50Kg/h的燃油加熱爐其全年排放的煙氣量可減少（每公斤柴油燃燒后可產生的煙氣量為12.5Nm3/Kg）：50Kg/h×（20%~35%）×4000h×12.5Nm3/Kg=500000~875000Nm3。
（6）使用壽命長
全纖維爐墻的熱穩定好，能抗急熱急冷，設計全纖維爐墻可不考慮應力影響，我廠采用的全纖維爐墻是整體結構，其牢固度和隔熱性能更好。
磚體結構爐墻有眾多磚縫，經多次熱脹冷縮后，磚縫擴大，不僅散熱加大，而且破壞了爐墻壁的整體性，使用壽命下降，因此全纖維爐墻的使用壽命比磚體結構爐墻長，我廠已向用戶承諾全纖維爐墻的自然壽命大于5年以上。
（7）爐體結構輕巧
由于全纖維爐墻的比重很輕，加熱和冷卻時爐墻不受熱應力和外加脹力，因此全纖維爐墻的爐襯和鋼結構要比磚體爐墻輕巧得多，我廠制造的功率為60~880KW的爐體移動式電阻爐，由于采用全纖維爐墻，其爐體采用手搖機構即能巧地移動爐體。
（8）加熱冷卻速度快(臺車爐爐門打開、臺車開出)
全纖維爐墻比重輕、蓄熱損失小，因此加熱速度快，熱效率高。由于其冷卻速度也較快，因此對于像軋輥和高合金鋼淬火后需及時回火的零件可以省去一臺回火爐。全纖維爐墻從850~1000℃溫度冷至200~300℃只需0.5~1小時，而磚體爐墻需要8~12小時以上。
（9）爐子密封性好
整體結構的全纖維爐襯透氣阻力大，其密封性比砂封還要好，全纖維爐墻爐子的各相對移動部位（爐門與門框、臺車與爐體）采用軟密封結構，使其密封可靠，有效地防止爐體熱量和煙氣外溢，可提高爐溫均勻性，節約燃料，延長爐子使用壽命，改善操作環境
（10）檢修簡易方便
耐火纖維質地柔軟，可加工性好，因此全纖維爐墻的檢修也非常簡易方便。只要對加熱爐操作工稍加培訓指導，即可進行檢修，不需要專門的筑爐工。全纖維爐墻工業爐是21世紀優質、高效、低耗、長壽、清潔靈活的工業爐設備，被國外譽為“工業爐結構的巨大革命”。
2.1.2 爐體結構的改進
在爐體結構和爐體密封技術上我公司研究開發了復合大模塊組合結構和吊掛鉚固技術，即在爐襯低溫段平鋪20mm厚普通型硅酸鋁纖維作為保溫層，在爐襯高溫段鋪設240或300mm高溫型硅酸鋁纖維模塊作為耐火層。這種復合大模塊組合結構有利于提高爐襯的絕熱性和氣密性，減少熱短路，耐氣流沖刷，在爐溫狀態下可耐60m/S的高速沖刷，降低了施工周期，并能有效地保證纖維與鋼結構之間的連接強度，提高爐襯的使用壽命。
2.1.3 爐體密封機構的改進
2.1.3.1 臺車兩側與爐體
由于臺車與爐體之間有相對運動，所以采用的密封方式必須簡單、可靠，即能保證使用性能，又便于維護。我公司開發了新型密封結構，改變了傳統的砂封方式，提高了熱處理爐的密封性能。
2.1.3.2 臺車后端與爐體
在爐子后端設置軟密封快，靠彈簧作用來實現與爐子臺車后端的密封。因動力來自臺車，所以其簡單、實用、可靠。
3. 改造后的熱處理爐使用效果
爐子熱平衡表明，間歇式磚體熱處理爐的蓄散熱塤失占總供熱的25%-35%，而爐體的蓄散熱與爐襯的重量及絕熱性能成正比關系，硅酸鋁耐火纖維不僅導熱系數低，而且容量輕，纖維爐襯僅為磚體爐襯的1/25-1/30。因此，纖維爐襯能大幅度地降低爐子的蓄散熱塤失，節能效果顯著，一般地說，與磚體爐子相比可以節能20%-25%，在對耐火纖維材質選擇正確和合理的爐襯結構的前提下，熱孝率可提高到30%-40%。熱處理爐的爐襯由于爐襯輕，熱容量小，爐子升溫快，有利于縮短操作周期，提高爐子作業率和熱效率，使爐子同時獲得節能、增產的效果。例如：
（1）對于一臺中型的燃油加熱爐，當采用傳統耐火粘土磚爐墻時的平均耗油量為50Kg/h。而采用全纖維爐墻時的平均耗油量為40Kg/h，假定該爐子全年的使用時間為4000小時，輕柴油的單價為3元/Kg，則全年的節油費為：（50-40）Kg/h×3元/Kg=120000元/年。
（2）對一臺平均耗電為100KW的磚體結構電阻爐改為全纖維爐墻后其全年的節電費為（電費單價為0.7元/度）100KW×20%×4000h/年×0.7元/KW-h=56000元/年，因此用戶采用全纖維爐墻的投資回報率是很高的。
同時由于爐襯輕，無拱頂推力，故骨架負荷大大減少，可節約建爐鋼材1/3左右，且可簡化爐體基礎。
目前我公司已為用戶制造了幾百臺全纖維爐子，產品分布在全國各地，經用戶使用證明，其熱效率可比單耗達到一等或特等爐標準的熱處理爐在滿載正常工作時高，熱效率在35%以上，與傳統爐子相比，綜合節能在30%以上。
4.結論
采用硅酸鋁纖維改造熱處理爐具有比重輕、蓄熱損失小 、散熱損失小、節能效果好 、對環境污染少 、使用壽命長、爐體結構輕巧、加熱冷卻速度快 、爐子密封性好、檢修簡易方便等優點，熱效率在35%以上。與傳統爐子相比，降低了能源消耗，綜合節能可達30%以上，從而極大的提高了生產效率，節省了設備投資。這將從根本上降低熱處理成本，同時，也將全面提高熱處理產品的質量。
全纖維爐墻工業爐是21世紀優質、高效、低耗、長壽、清潔靈活的工業爐設備，被國外譽為“工業爐結構的巨大革命”。加強其技術的研究和開發，對促進我國熱處理爐的發展，降低熱處理行業的能源消耗，提高產品質量具有重要的意義。
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