梁香寧

(西安博萊爐業(yè)科技股份有限公司，陜西 西安 710021)

0 引 言

目前，在鎢、鉬及其合金的加工行業(yè)中，主要廠家采用氫氣保護電阻加熱爐和感應加熱爐來進行加熱。氫氣作為鎢鉬加熱爐中的重要介質，對提高產品質量、降低生產成本有重要影響。鎢鉬行業(yè)多采用氫氣保護加熱爐進行加熱處理，過去常規(guī)感應爐和電阻爐，只限于一些板幅較小的板材加熱，遠遠滿足不了目前超寬幅(1 m)以上板材的加熱需要。我公司根據(jù)使用單位的工藝要求，研制了鉬板加熱電阻爐，已投入使用多臺設備，取得了較好的使用效果，獲得用戶的認可。目前國內最大的鉬板加熱電阻爐由我公司設計制造，并投入使用。

1 氫氣在對鎢、鉬加熱爐使用中的影響

1.1 對產品質量的影響

常溫下鉬在空氣中是穩(wěn)定的，當溫度達到400 ℃時開始發(fā)生輕微的氧化，當達到600 ℃后則會發(fā)生劇烈的氧化反應而生成三氧化鉬。常溫下，鎢在空氣中穩(wěn)定，但在400～500 ℃開始出現(xiàn)明顯氧化，形成藍黑色的致密的三氧化鎢[1]。因此在鎢鉬加熱過程中，為了防止鎢鉬制品在加熱過程中出現(xiàn)氧化，需要將加熱產品用氫氣作為保護氣體與空氣完全隔絕，避免影響產品的質量。實踐證明，高溫下氫氣的量越足，處理產品的品質越高。

1.2 對爐膛內熱場的影響

鎢、鉬板材加熱電阻爐多采用鉬或鎢絲作為加熱元件，利用加熱元件對原材料進行輻射加熱。在各種氣體中，氫氣具有較高的熱導率(見表1)[2]，因此在電阻爐中通入氫氣，利用氫氣的流動將加熱元件的熱量進行了傳輸，增加了對流傳熱的作用，在加熱爐使用過程中通過對氫氣流量和壓力及氣流通道的控制，極大地提高了爐膛內溫度的均勻性。根據(jù)我公司近年來為多家鎢、鉬廠家提供的電阻爐使用情況來看，電阻爐爐膛均溫區(qū)的溫度偏差均控制在±10 ℃。

表1 標準氣壓、0℃時各種氣體的相對熱導率 W/m. K

1.3 對生產成本的影響

對于鎢、鉬加熱設備，在生產過程中必須采用保護氣氛進行加熱處理，有些廠家在實際生產過程中采用充氮氣或氬氣進行保護。從原料成本上來說，氬氣的成本較高，使用氬氣作為保護氣氛最終會造成生產成本的增加。另外，充氮氣或氬氣，當爐門打開進出料時，爐口處不能做到完全密封，爐膛內加熱元件會出現(xiàn)氧化，減低其使用壽命，從而增加了生產成本。有些廠家采用氮氣和氬氣進行保護，爐內加熱元件頻繁損壞(見圖1)。

圖1 加熱元件損壞

2 鉬板加熱電阻爐的設計和應用

2.1 爐 殼

爐殼采用焊接式鋼結構框架，保證焊接的密封性。由于氫氣密度小于空氣，爐殼進氣口設置在上部，排氣口設置在下部，在排氣口處有長明火咀，工作時將排出的廢氣點燃，確保設備和工作環(huán)境安全。爐口處有水冷套，爐門采用新型結構[2]，保證了爐口的氣密性。同時，出于安全考慮，在爐頂部設有防爆裝置。

2.2 爐 襯

爐襯采用磚砌爐襯和耐火纖維爐襯組合形式，磚砌爐襯由耐火層和隔熱層組成，根據(jù)不同的使用溫度選用剛玉、莫來石、氧化鋁磚等，爐底灰縫不大于2 mm。由于耐火纖維制品的熱導率低、密度小，比熱容與普通耐火磚接近，因此與磚砌爐襯相比，其散熱損失和蓄熱損失大大減小，因此爐體側墻和爐頂可采用耐火纖維爐襯[4]。

2.3 加熱元件

加熱元件是電阻爐的核心，關系到爐子的工作性能和使用壽命。由于鉬在還原氣氛中，抗腐蝕性極好，耐高溫，電阻率較小，電阻溫度系數(shù)高，因此在高溫氫氣爐中選擇鉬作為加熱元件非常合適。表2列出了鉬在不同溫度時的電阻率。

表2 鉬在不同溫度下的電阻率

加熱元件通常為鉬帶或鉬絲，鉬帶雖然使用壽命長，可靠性高，但制造成本高。綜合考慮，鉬板加熱電阻爐采用鉬絲作為加熱元件[5]。

3 其他附屬設備

3.1 爐口火封裝置

傳統(tǒng)的鎢、鉬加熱爐只是在爐內通有保護氫氣，在爐外沒有保護，因此在高溫材料從爐內取出時，因為爐膛內壓力的降低，造成爐外空氣進入爐內，增加的火封裝置能夠在爐口形成火簾，阻止空氣進入爐內，保持爐內氣氛穩(wěn)定，同時避免爆炸。

火封裝置設置在爐口進出料的位置，在爐口進出料位置通入氫氣形成一道屏障將爐外與爐內隔開，保持爐內有足夠的氫氣進行保護，使原料在爐口不會瞬間氧化，提高產品成品率，保證了產品質量。

火封裝置供氣系統(tǒng)見圖2，首先打開氮氣管路閥門，對管道進行吹掃，20 s后火簾管氫氣管路閥門打開，火簾管道的氫氣被長明火引燃，調節(jié)至使噴出的火焰高度能封住爐口為限。

火簾管的結構形式有鉆孔噴口式、開槽噴口式、豎管噴口式和套筒噴口式等，噴口直徑一般取φ2～3 mm，噴口間距5～12 mm，火簾管有效長度與被封孔洞寬度一直?；鸷煿芰魍ń孛鎽獮閲娍诳偨孛娴?～3倍，一般采用DN40～DN65的低壓流體輸送鋼管。具體見圖3。

圖2 火封裝置供氣系統(tǒng)圖

圖3 火簾管結構示意圖

3.2 防爆裝置

防爆裝置的作用是，當可燃氣體意外爆炸(急劇燃燒)時使膨脹氣體能迅速排出，避免發(fā)生事故。對于氫氣保護電阻爐，必須設置防爆裝置。防爆口的面積按照經(jīng)驗公式和計算：

A=0.025V

式中:A—防爆口面積(m2)

V—可燃氣體的容積( m3)

3.3 排 氣

為了調節(jié)爐內壓力使之維持一定值，鉬板加熱電阻爐通常要求爐膛壓力保持在101 kPa左右。排氣裝置通常有水封排氣和閥門排氣，閥門排氣簡單，但容易吸入空氣，安全性差，因此在實際使用中常采用用水封排氣，如圖4所示。

圖4 水封結構圖

3.4 加熱電阻爐充氣

在加熱爐內通氫氣保護之前，首先要充入氮氣(20 kPa)進行爐腔內空氣的置換，通過合理調節(jié)氮氣流量的大小，向爐腔內充氮氣進行置換，時間根據(jù)爐膛的尺寸和氮氣流量以及壓力的大小具體確定。氮氣置換結束后，充入氫氣(20 kPa)置換爐腔中的氮氣，結束后要在爐底的取樣口和水封排氣口出分別取樣做鳴爆實驗，實驗合格后方可進行水封排氣點火。

4 鉬板加熱電阻爐在使用中注意的問題

(1)在加熱升溫過程中，要嚴格控制升溫速度，由于加熱絲為鉬絲，鉬的溫度系數(shù)大，如果升溫速度太快，容易導致局部過熱，降低加熱絲使用壽命，增加故障率和維修率，提高了生產成本。

(2)電阻爐加熱過程中，首次打開爐口爐門之前應確保爐口長明火完全點燃，否則不能進行開關爐門操作。

(3)必須保證水封排氣內水面的高度。水位過高，爐內壓力增加，水封有可能不能順利排氣。水位過低，水封密封效果降低，一旦無水，后果非常嚴重。

5 結 論

氫氣作為保護氣氛在鎢、鉬加熱爐中使用，從生產成本，產品質量各方面都有重要的影響。我公司開發(fā)的鉬板加熱電阻爐，結合近年來多臺設備的實際生產使用情況，相比傳統(tǒng)的生產線上的加熱爐，生產效率高，電能消耗低，爐體密封性好，加熱元件使用壽命延長，設備運行安全可靠，維護成本顯著降低，取得了良好的成效。