一、前 二、不同能源的工業(yè)加熱爐優(yōu)劣比 三、工業(yè)爐的介 四、常用工業(yè) (一)冶金爐 (二)冶金爐種類 (三)冶金爐生產(chǎn)設(shè) 五、鋼鐵工業(yè)熔煉 (一)電爐 (二)電阻爐 (三)感應(yīng)爐 (四)電弧爐 (五)真空電弧爐 (六)轉(zhuǎn)爐 (七)高爐 (八)精煉電爐 (九)電渣重熔 (十)電弧爐煉鋼 工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)手冊(cè)工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)手冊(cè)工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)手冊(cè)工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)手冊(cè)六、電弧爐操 (一)爐外精煉 七、工業(yè)加熱爐的節(jié)能關(guān)鍵技 (一)傳統(tǒng)的加熱爐節(jié)能技術(shù) (二)能使熱射線盡快到位的節(jié)能技術(shù) (三)蓄熱式工業(yè)爐，對(duì)加熱爐的排放廢氣進(jìn)行余熱回收 (四)富氧燃燒 八、案例分 (一)直流電弧爐 (二)廢鋼預(yù)熱技術(shù) (三)操作自動(dòng)化技術(shù) (四)頂?shù)淄导夹g(shù) (五)盛鋼桶預(yù)熱應(yīng)用 (六)線材球化加熱罩應(yīng)用 九、結(jié) 十、參考資 ii 目前，從所使用的能源來分類，工業(yè)加熱爐主要有電加熱、油加熱、氣加熱、煤加熱四種。應(yīng)該說，使用不同的能源各有利弊。對(duì)其優(yōu)劣比較分析見表1。表 不同能源工業(yè)加熱爐優(yōu)劣比較表方電加熱燃重油加熱燃?xì)饧訜崛济杭訜醿?yōu)對(duì)使用者來說快捷、方便、基本無(wú)污染快捷、方便、污染程度較高快捷、方便、可達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)用低、成本小缺屬二次能源投資大、費(fèi)用高，發(fā)電廠都有污染費(fèi)用較高、成本大費(fèi)用高、成本大，不便于普及占地大、污染高 2 工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)手冊(cè)工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)手冊(cè)工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)手冊(cè)工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)手冊(cè) 工業(yè)爐的介紹工業(yè)爐是在工業(yè)生產(chǎn)中，利用燃料燃燒或電能轉(zhuǎn)化的熱量，將物料或工件加熱的熱工設(shè)備。工業(yè)爐的主要組成部分有：工業(yè)爐本體、工業(yè)爐排煙系統(tǒng)、工業(yè)爐預(yù)熱器和工業(yè)爐燃燒裝置等。不同行業(yè)有不同種類工業(yè)爐；機(jī)械工業(yè)應(yīng)用的工業(yè)爐有多種類型，在鑄造有熔煉金屬的感應(yīng)爐、電阻爐、電弧爐、真空爐、坩堝爐等；有烘烤砂型的砂型干燥爐、鐵合金烘爐和鑄件退火爐等；在鍛壓有對(duì)鋼錠或鋼坯進(jìn)行鍛前加熱的各種加熱爐，和鍛后消除應(yīng)力的熱處理爐；在金屬熱處理有改善工件機(jī)械性能的各種退火、正火、淬火和回火的熱處理爐；在焊接有焊件的焊前預(yù)熱爐和焊后回火爐；在粉末冶金車間有燒結(jié)金屬的加熱爐等。工業(yè)爐還廣泛應(yīng)用于其他工業(yè)，如冶金工業(yè)的金屬熔煉爐、礦石燒結(jié)爐和煉焦?fàn)t；石油工業(yè)的蒸餾爐和裂化爐；煤氣工業(yè)的發(fā)生爐；硅酸鹽工業(yè)的水泥窯和玻璃熔化、玻璃退火爐；食品工業(yè)的烘烤爐等。工業(yè)爐的創(chuàng)造和發(fā)展對(duì)人類進(jìn)步起著十分重要的作用。中國(guó)在商代出現(xiàn)了較為完善的煉銅爐，爐溫達(dá)到1,200℃，爐子內(nèi)徑達(dá)0.8米。在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，人們?cè)谌坫~爐的基礎(chǔ)上進(jìn)一步掌握了提高爐溫的技術(shù)，從而生產(chǎn)出了鑄鐵。1794年，世界上出現(xiàn)了熔煉鑄鐵的直筒形沖天爐。后到1864年，法國(guó)人馬丁運(yùn)用英國(guó)人西門子的蓄熱式爐原理，建造了用氣體燃料加熱的第一臺(tái)煉鋼平爐。他利用蓄熱室對(duì)空氣和煤氣進(jìn)行高溫預(yù)熱，從而保證了煉鋼所需的1,600℃以上的溫度。1900年前后，電能供應(yīng)逐漸充足，開始使用各種電阻爐、電弧爐和有芯感應(yīng)爐。二十世紀(jì)50年代，無(wú)芯感應(yīng)爐得到迅速發(fā)展。后來又出現(xiàn)了電子束爐，利用電子束來沖擊固態(tài)燃料，能強(qiáng)化表面加熱和熔化高熔點(diǎn)的材料。 井式爐用于鍛造加熱的爐子最早是手鍛爐，其工作空間是一個(gè)凹形槽，槽內(nèi)填入煤炭，燃燒用的空氣由槽的下部供入，工件埋在煤炭里加熱。這種爐子的熱效率很低，加熱質(zhì)量也不好，而且只能加熱小型工件，以后發(fā)展為用耐火磚砌成的半封閉或全封閉爐膛的室式爐，可以用煤，煤氣或油作為燃料，也可用電作為熱源，工件放在爐膛里加熱。為便于加熱大型工件，又出現(xiàn)了適于加熱鋼錠和大鋼坯的臺(tái)車式爐，為了加熱長(zhǎng)形桿件還出現(xiàn)了步進(jìn)梁式爐。20世紀(jì)20年代后又出現(xiàn)了能夠提高爐子生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件的各種機(jī)械化、自動(dòng)化爐型。工業(yè)爐的燃料也隨著燃料資源的開發(fā)和燃料轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步，而由采用塊煤、焦炭、煤粉等固體燃料逐步改用發(fā)生爐煤氣、天然氣、柴油、燃料油等氣體和液體燃料，并且研制出了與所用燃料相適應(yīng)的各種燃燒裝置。工業(yè)爐的結(jié)構(gòu)、加熱工藝、溫度控制和爐內(nèi)氣氛等，都會(huì)直接影響加工后的產(chǎn)品質(zhì)量。在鍛造加熱爐內(nèi)，提高金屬的加熱溫度，可以降低變形阻力，但溫度過高會(huì)引起晶粒長(zhǎng)大、氧化或過燒，嚴(yán)重影響工件質(zhì)量。在熱處理過程中，如果把鋼加熱到臨界溫度以上的某一點(diǎn)，然后突然冷卻，就能提高鋼的硬度和強(qiáng)度；如果加熱到臨界溫度以下的某一點(diǎn)后緩慢冷卻，則又能使鋼的硬度降低而使韌性提高。為了獲得尺寸精確和表面光潔的工件，或者為了減少金屬氧化以達(dá)到保護(hù)模具、減少加工余量等目的，可以采用各種缺氧化加熱爐。在敞焰的缺氧化加熱爐內(nèi)，利用燃料的不完全燃燒產(chǎn)生還原性氣體，在其中加熱工件可使氧化燒損率降低到0.3%以下?？煽貧夥諣t是使用人工制備的氣氛，通入爐內(nèi)可進(jìn)行氣體滲碳、碳氮共滲、光亮淬火、正火、退火等熱處理：以達(dá)到改變金相組織、提高工件機(jī)械性能的目的。在流動(dòng)粒子爐中，利用燃料的燃燒氣體，或外部施加的其他流化劑，強(qiáng)行流過爐床上的石墨粒子或其他惰性粒子層，工作件埋在粒子層中能實(shí)施強(qiáng)化加熱，也可進(jìn)行滲碳、氮化等各種無(wú)氧化加熱。在鹽浴爐內(nèi)，用熔融的鹽液作為加熱介質(zhì)，可防止工作件氧化和脫碳。隨著無(wú)芯感應(yīng)爐的出現(xiàn)，沖天爐有逐步被取代的趨勢(shì)。這種感應(yīng)爐的熔煉工作不受任何鑄鐵等級(jí)的限制，能夠從熔煉一種等級(jí)的鑄鐵，很快轉(zhuǎn)換到熔煉另一種等級(jí)的鑄鐵，有利于提高鐵水的質(zhì)量。一些特殊合金鋼，如超低碳不銹鋼以及 4 軋輥和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等用的鋼，需要將平爐或一般電弧爐熔煉出的鋼水，在精煉爐內(nèi)通過真空除氣和氬氣攪動(dòng)去雜質(zhì)，進(jìn)一步精煉出高純度、大容量的優(yōu)質(zhì)鋼水。工業(yè)爐按供熱方式分為兩類：一類是火焰爐(或稱燃料爐)，用固體、液體或氣體燃料在爐內(nèi)的燃燒熱量對(duì)工作件進(jìn)行加熱；第二類是電爐，在爐內(nèi)將電能轉(zhuǎn)化為熱量進(jìn)行加熱。火焰爐的燃料來源廣，價(jià)格低，便于因地制宜采取不同的結(jié)構(gòu)，有利于降低生產(chǎn)費(fèi)用，但火焰爐難于實(shí)現(xiàn)精確控制，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，熱效率較低。電爐的特點(diǎn)是爐溫均勻和便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，加熱質(zhì)量好。按能量轉(zhuǎn)換方式，電爐又可分為電阻爐、感應(yīng)爐和電弧爐。工業(yè)爐按熱工操作又可分為兩類：一類是間斷式爐又稱周期式爐，其特點(diǎn)是爐子間斷生產(chǎn)，在每一加熱周期內(nèi)爐溫是變化的，如室式爐、臺(tái)車式爐、井式爐等；第二類是連續(xù)式爐，其特點(diǎn)是爐子連續(xù)生產(chǎn)，爐膛內(nèi)劃分溫度區(qū)段。在加熱過程中每一區(qū)段的溫度是不變的，工件由低溫的預(yù)熱區(qū)逐步進(jìn)入高溫的加熱區(qū)，如連續(xù)式加熱爐和熱處理爐、環(huán)形爐、步進(jìn)式爐等。以單位時(shí)間單位爐底面積計(jì)算的爐子加熱能力稱為爐子生產(chǎn)率。爐子升溫速度越快、爐子裝載量越大，則爐子生產(chǎn)率越高。在一般情況下，爐子生產(chǎn)率越高，則加熱每千克物料的單位熱量消耗也越低。因此，為了降低能源消耗，應(yīng)該滿負(fù)荷生產(chǎn)，盡量提高爐子生產(chǎn)率，同時(shí)對(duì)燃燒裝置實(shí)行燃料與助燃空氣的自動(dòng)比例調(diào)節(jié)，以防止空氣量過?；虿蛔恪４送猓€要減少爐壁蓄熱和散熱損失、水冷構(gòu)件熱損失、各種開口的輻射熱損失、離爐煙氣帶走的熱損失等。金屬或物料加熱時(shí)吸收的熱量與供入爐內(nèi)的熱量之比，稱為爐子熱效率。連續(xù)式爐比間斷式爐的熱效率高，因?yàn)檫B續(xù)式爐的生產(chǎn)率高，而且是不間斷工作的，爐子熱度處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有周期性的爐壁蓄熱損失，還由于爐膛內(nèi)部有一個(gè)預(yù)熱爐料的區(qū)段，煙氣部分余熱為由于爐膛內(nèi)部有一個(gè)預(yù)熱爐料的區(qū)段，煙氣部分余熱為入爐的冷工作件所吸收，降低了離爐煙氣的溫度。為了使?fàn)t溫恒定和實(shí)現(xiàn)規(guī)定的升溫速度，除必須根據(jù)工藝要求、預(yù)熱器和爐用機(jī)械型式、燃料和燃燒裝置類別、工業(yè)爐排煙方式等確定優(yōu)良的爐型結(jié)構(gòu)外，還需要對(duì)燃料和助燃空氣的流量和壓力，或?qū)﹄姽β实瓤煽刈兞客ㄟ^各種控制單元進(jìn)行相互調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)爐溫、爐氣氛或爐壓的自動(dòng)控制。 常用工業(yè)爐(一)冶金爐冶金生產(chǎn)過程中對(duì)各種物料或工作件進(jìn)行熱工處理的工業(yè)爐。熱工處理是以物料或工作件的升溫為重要特征的處理過程，例如焙燒、熔煉、加熱、熱處理、干燥等。鋼鐵冶金和有色冶金的大部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)都離不開爐子。歷史上，許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)的革新，產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量的提高，都同舊冶金爐的改革和新冶金爐的應(yīng)用緊密相關(guān)。平爐的出現(xiàn)，曾有力地推進(jìn)了煉鋼生產(chǎn)的發(fā)展。冶金工業(yè)的能源消耗，在很大程度上取決于各種冶金爐的能耗。18世紀(jì)以來，西方國(guó)家隨著航海業(yè)、機(jī)械工業(yè)、貿(mào)易的發(fā)展，冶金業(yè)取得了迅速進(jìn)展，改進(jìn)了各種熔煉爐、加熱爐和熱處理爐，出現(xiàn)了多種多樣的爐型。20世紀(jì)以來，冶金爐朝著大容量、高產(chǎn)量和高熱效率的方向發(fā)展。以軋鋼連續(xù)加熱爐為例，先是把室狀爐延長(zhǎng)一段，以便利用廢氣余熱，繼而把爐子改進(jìn)成為兩段式。后來，由于軋機(jī)能力不斷增大，加熱爐朝著大容量、高產(chǎn)量的方向發(fā)展。30年代出現(xiàn)了三段式爐，爐子產(chǎn)量最高達(dá)每小時(shí)150噸，單位爐底面積產(chǎn)量為500~600公斤/(米時(shí)50(達(dá)1,000~1,200)的同時(shí)，采用高溫?fù)Q熱設(shè)備回收余熱，爐子產(chǎn)量提高到每小時(shí)150~250噸，單位爐底面積產(chǎn)量達(dá)700~800公斤/(米2?時(shí))，同時(shí)，為了滿足產(chǎn)量和質(zhì)量的要求，推廣應(yīng)用了步進(jìn)梁式爐，有的爐子采用全爐頂平焰燒嘴，爐子產(chǎn)量達(dá)每小時(shí)250~400噸，單位爐底面積產(chǎn)量達(dá)800~1,000公斤/(米?時(shí)。70年代中期，主要工業(yè)國(guó)出現(xiàn)石油危機(jī)以來，降低燃料消耗已成為爐子設(shè)計(jì)的中心問題。延長(zhǎng)不供熱的預(yù)熱段的長(zhǎng)度和降低煙氣排出溫度，是這個(gè)時(shí)期加熱爐爐型和熱工工藝改變的主要趨勢(shì)。(二)冶金爐種類現(xiàn)代冶金工業(yè)用爐，按熱源不同，可分為燃料爐、電爐、自熱爐三大類。 6 以燃料的燃燒熱為熱源，冶金工業(yè)中使用最為廣泛。由于爐內(nèi)的熱工特征不同，燃料爐又可分為火焰爐、豎爐、流體化爐和浴爐等四類：火焰爐特征是火焰或燃燒產(chǎn)物占據(jù)爐膛的一部分空間，物料或工作件占據(jù)另一部分空間。一般情況下，火焰與物料直接接觸；但在有些情況下，例如為防止工作件的氧化，將火焰與工作件隔開，火焰的熱量通過隔墻傳給物料。豎爐特征是爐身直立，大部分空間堆滿塊狀物料，爐氣通過料層的孔隙向上流動(dòng)，與爐料間呈逆流換熱。流體化爐特征是爐內(nèi)為細(xì)顆粒物料的流體化床。氣體由下部通入。使物料“沸騰”成流體化。浴爐特征是爐內(nèi)盛液體介質(zhì)(熔融鹽類或熔融金屬)。將工作件浸入此介質(zhì)中進(jìn)行加熱，主要用于熱處理。浴爐熱源可用燃料，也可用電。特征是以電為熱源。由于電熱轉(zhuǎn)換方法不同，又分為電阻爐、感應(yīng)爐、電弧爐三種。特征是靠爐料自身產(chǎn)生的熱量維持爐子的正常工作，除爐料的預(yù)熱或預(yù)熔化外，爐內(nèi)不需要或基本上不需要外加熱量。例如：煉鋼轉(zhuǎn)爐，銅、鎳吹煉轉(zhuǎn)爐和鋁熱法冶煉爐。硫化礦的焙燒爐也往往是自熱爐。冶金爐還有間歇式爐和連續(xù)式爐的區(qū)別。間歇式爐的特征是分批裝料、出料，爐子溫度在生產(chǎn)過程中呈周期性變化。連續(xù)式爐特征是物料或工作件連續(xù)穿爐運(yùn)行，按工藝要求控制爐內(nèi)各部分的溫度，并保持穩(wěn)定。連續(xù)式爐在產(chǎn)量、質(zhì)量、燃料消耗、機(jī)械化、自動(dòng)化等方面都比間歇式爐優(yōu)越。此外還有按裝料和出料方 法、裝料和出料機(jī)械、爐體形狀、附屬設(shè)備如空氣預(yù)熱器的名稱、溫度高低等稱呼爐子的。(三)冶金爐生產(chǎn)設(shè)備一般由爐子熱工工藝系統(tǒng)、裝出料系統(tǒng)和熱工檢測(cè)控制系統(tǒng)等三部分組成。包括爐子的工作室(爐膛)、燃料的燃燒裝置或電熱轉(zhuǎn)換裝置、空氣和(或)煤氣的預(yù)熱器，以及風(fēng)機(jī)、管道、煙道、余熱鍋爐和煙囪等。工作室是爐子的核心。主要的熱工和工藝過程都在工作室內(nèi)完成。其他部分的任務(wù)是為工作室內(nèi)的熱工工藝過程提供有利條件?，F(xiàn)代化冶金爐不可缺少的兩個(gè)工作系統(tǒng)。前者包括：爐前爐后的裝料、出料機(jī)械和爐內(nèi)的運(yùn)料機(jī)械。后者包括：熱工參數(shù)的測(cè)量?jī)x表、顯示儀表或記錄儀表、過程式控制制儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。配備這兩個(gè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)爐子的自動(dòng)化操作，從而提高爐子的生產(chǎn)指標(biāo)。對(duì)冶金爐的基本要求：能滿足產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量要求；燃料和其他能源的消耗量低；建爐投資和運(yùn)行費(fèi)用低；耐用，勞動(dòng)條件好，污染物的排放量符合環(huán)境保護(hù)要求。一座好的爐子應(yīng)同時(shí)滿足上述要求。為了使產(chǎn)品質(zhì)量好，應(yīng)控制爐內(nèi)溫度和氣氛，選擇適宜的筑爐材料。爐子的生產(chǎn)能力必須與生產(chǎn)過程所要求的產(chǎn)量相適應(yīng)。為了節(jié)約燃料，在爐子的設(shè)計(jì)和操作中，必須重視熱量在爐膛內(nèi)充分利用，并充分利用余熱。為了降低建爐投資和運(yùn)行費(fèi)用，應(yīng)提高爐子單位容積的生產(chǎn)能力，簡(jiǎn)化爐子結(jié)構(gòu)。爐子的廢氣、廢水、廢渣中往往含有污染物質(zhì)，必須采取措施，使各種污染物的排放量不超過國(guó)家或地區(qū)的規(guī)定值。爐子大型化、連續(xù)化、機(jī)械化和自動(dòng)化，是全面滿足上述要求的重要途徑，目前，高爐的最大容積超過5,000米3，氧氣轉(zhuǎn)爐的最大爐容量超過300噸。有些爐子已采用計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度很高。冶金爐理論1911年提出爐子的水力學(xué)原理，把一座正在工作的爐子，看成是一條“倒置的河床＂，提出了爐子設(shè)計(jì)方面的若干重要原則。對(duì)當(dāng)時(shí)爐子的單位 8 產(chǎn)量不高，爐內(nèi)氣體呈自然流動(dòng)的情況是適用的，在生產(chǎn)上也發(fā)揮了作用。后來，為使?fàn)t子不斷提高產(chǎn)量，逐步采用液體和氣體燃料的燃燒裝置，爐內(nèi)氣體變成強(qiáng)制流動(dòng)，這一理論就不適用了。50年代初較全面地研究了爐內(nèi)的燃燒、氣體運(yùn)動(dòng)、傳熱等熱工過程。1960年代爐子的一般原理把爐子的工作制度分為三類：輻射制度、對(duì)流制度和層狀制度。在討論每一種工作制度時(shí)，都從熱交換出發(fā)，對(duì)燃料的選擇、燃燒過程、氣流的組織等提出相應(yīng)的要求。近年來，冶金爐熱工理論發(fā)展的主要特點(diǎn)是：在進(jìn)一步明確研究對(duì)象的前提下，對(duì)爐子設(shè)計(jì)和操作(包括過程式控制制)的最適化問題進(jìn)行了更深入的研究；利用計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)及模擬技術(shù)對(duì)爐內(nèi)的燃燒、氣體運(yùn)動(dòng)、傳熱等熱工過程進(jìn)行更全面的分析和研究。爐子結(jié)構(gòu)(幾何形狀、尺寸、筑爐材料的種類等)和熱工操作(燃料量、空氣量、閘門開啟度等)的變動(dòng)，會(huì)影響到爐內(nèi)的熱工過程(傳熱、燃燒、氣體運(yùn)動(dòng))。而熱工過程的變動(dòng)又會(huì)影響到爐子的生產(chǎn)指標(biāo)(單位生產(chǎn)率、單位熱耗、爐子使用壽命等)。主要目的是提高生產(chǎn)指標(biāo)，但人們所能直接規(guī)定或操縱的因素，既不是熱工過程參數(shù)，也不是生產(chǎn)指標(biāo)，而是結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)。爐子的結(jié)構(gòu)和操作之間，必須互相適應(yīng)；各個(gè)熱工過程之間也必須互相配合。同樣，各生產(chǎn)指標(biāo)之間也互相關(guān)聯(lián)。在爐子熱工理論的研究工作中，要十分重視同一類變量之間的相互關(guān)系。在其他條件不變的情況下，爐子的生產(chǎn)率的變動(dòng)將引起爐子熱效率的變動(dòng)。為了提高爐子熱效率，爐子生產(chǎn)率的波動(dòng)必須限制在某一合理范圍內(nèi)。研究冶金爐的最適化問題，不應(yīng)孤立地著眼于爐子本身，還應(yīng)包括爐子前后的冶金設(shè)備，因?yàn)樗鼈冊(cè)谏a(chǎn)流程中是互相關(guān)聯(lián)的。如研究軋鋼廠的加熱爐，應(yīng)該與軋機(jī)聯(lián)系起來考慮。降低鋼坯的加熱溫度，一方面能減少加熱爐的燃耗，另一方面則會(huì)增加軋機(jī)的電耗。如加熱溫度的降低在合理范圍之內(nèi)，可使加熱爐和軋機(jī)的總能耗下降；如加熱溫度過低，就會(huì)使總能耗增加。所以應(yīng)權(quán)衡得失，尋求最佳方案。 五鋼鐵工業(yè)熔煉爐用于冶煉礦物和熔煉金屬的工業(yè)爐。鋼鐵工業(yè)中常用的有高爐、電爐、轉(zhuǎn)爐、鐵合金電爐，有色金屬工業(yè)中常用的有鼓風(fēng)爐、反射爐、臥式轉(zhuǎn)爐、閃速爐等，其他如感應(yīng)電爐、真空電子束爐等，就廣義而言都可稱為熔煉爐。(一)電爐利用電熱效應(yīng)供熱的冶金爐。電爐設(shè)備通常是成套的，包括電爐爐體，電力設(shè)備(電爐變壓器、整流器、變頻器等)，開閉器，附屬輔助電器(阻流器、補(bǔ)償電容等)，真空設(shè)備，檢測(cè)控制儀表(電工儀表、熱工儀表等)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，爐用機(jī)械設(shè)備(進(jìn)出料機(jī)械、爐體傾轉(zhuǎn)裝置等)。大型電爐的電力設(shè)備和檢測(cè)控制儀表等一般集中在電爐供電室。同燃料爐比較，電爐的優(yōu)點(diǎn)有：爐內(nèi)氣氛容易控制，甚至可抽成真空；物料加熱快，加熱溫度高，溫度容易控制；生產(chǎn)過程較易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化；勞動(dòng)衛(wèi)生條件好；熱效率高；產(chǎn)品質(zhì)量好等。冶金工業(yè)上電爐主要用于鋼鐵、鐵合金、有色金屬等的熔煉、加熱和熱處理。19世紀(jì)末出現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模的電爐，20世紀(jì)50年代以來，由于對(duì)高級(jí)冶金產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)和電費(fèi)隨電力工業(yè)的發(fā)展而下降，電爐在冶金爐設(shè)備中的比額逐年上升。電爐可分為電阻爐、感應(yīng)爐、電弧爐等。(二)電阻爐以電流通過導(dǎo)體所產(chǎn)生的焦耳熱為熱源的電爐。按電熱產(chǎn)生方式，電阻爐分為直接加熱和間接加熱兩種。在直接加熱電阻爐中，電流直接通過物料，因電熱功率集中在物料本身，所以物料加熱很快，適用于要求快速加熱的工藝，例如鍛造坯料的加熱。這種電阻爐可以把物料加熱到很高的溫度，例如碳素材料石墨化電爐，能把物料加熱到超過2,500℃。直接加熱電阻爐可作成真空電阻加熱爐或通保護(hù)氣體電阻加熱爐，在粉末冶金中，常用于燒結(jié)鎢、鉭、鈮等制品。采用這種爐子加熱時(shí)應(yīng)注意：(1)為使物料加熱均勻，要求物料各部位的導(dǎo)電截面和電導(dǎo)率 10 一致；(2)由于物料自身電阻相當(dāng)小，為達(dá)到所需的電熱功率，工作電流相當(dāng)大，因此送電電極和物料接觸要好，以免起電弧燒損物料，而且送電母線的電阻要小，以減少電路損失；(3)在供交流電時(shí)，要合理配置短網(wǎng)，以免感抗過大而使功率因數(shù)過低。大部分電阻爐是間接加熱電阻爐，其中裝有專門用來實(shí)現(xiàn)電-熱轉(zhuǎn)變的電阻體，稱為電熱體，由它把熱能傳給爐中物料。這種電爐爐殼用鋼板制成，爐膛砌襯耐火材料，內(nèi)放物料。最常用的電熱體是鐵鉻鋁電熱體、鎳鉻電熱體、碳化硅棒和二硅化鉬棒。根據(jù)需要，爐內(nèi)氣氛可以是普通氣氛、保護(hù)氣氛或真空。一般電源電壓220伏或380伏，必要時(shí)配置可調(diào)節(jié)電壓的中間變壓器。小型爐〈10千瓦〉單相供電，大型爐三相供電。對(duì)于品種單一、批料量大的物料，宜采用連續(xù)式爐加熱。爐溫低于700℃的電阻爐，多數(shù)裝置鼓風(fēng)機(jī)，以強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱，保證均勻加熱。用于熔化易熔金屬(鉛、鉛鉍合金、鋁和鎂及其合金等)的電阻爐，可做成坩堝爐；或做成有熔池的反射爐，在爐頂上裝設(shè)電熱體。電渣爐是由溶渣實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)變的電阻爐。(三)感應(yīng)爐利用物料的感應(yīng)電熱效應(yīng)而使物料加熱或熔化的電爐。感應(yīng)爐的基本部件是用紫銅管繞制的感應(yīng)圈。感應(yīng)圈兩端加交流電壓，產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，導(dǎo)電的物料放在感應(yīng)圈中，因電磁感應(yīng)在物料中產(chǎn)生渦流，受電阻作用而使電能轉(zhuǎn)變成熱能來加熱物料；所以，也可認(rèn)為感應(yīng)電熱是一種直接加熱式電阻電熱。感應(yīng)電熱的特點(diǎn)是在被加熱物料中轉(zhuǎn)變的電熱功率(電流分布)很不均勻，表面最大，中心最小，稱為趨膚效應(yīng)。為了提高感應(yīng)加熱的電熱效率，供電頻率要合宜，小型熔煉爐或?qū)ξ锪系谋砻婕訜岵捎酶哳l電，大型熔煉爐或?qū)ξ锪仙钔讣訜岵捎弥蓄l或高頻電。感應(yīng)圈是電感量相當(dāng)大的負(fù)載，其功率因數(shù)一般很低。為了提高功率因數(shù)，感應(yīng)圈一般并聯(lián)電容器，稱為補(bǔ)償電容。感應(yīng)圈和物料之間的間隙要小，感應(yīng)圈宜用方形紫銅管制作，管內(nèi)通水冷卻，感應(yīng)圈的匝間間隙要盡量小，絕緣要好。感應(yīng)加熱裝置，主要用于鋼、銅、鋁和鋅等的熔鑄，加熱快，燒損少，機(jī)械化和自動(dòng)化程度高，適合配置在自動(dòng)作業(yè)在線。工業(yè)上應(yīng)用的感應(yīng)熔化爐有坩堝爐(無(wú)芯感應(yīng)爐)和熔堝爐(有芯感應(yīng)爐)。坩堝用耐火材料或鋼制成，容量從幾公斤到幾十噸。其熔煉特點(diǎn)是坩堝中熔體受電動(dòng)力作用，迫使熔池液面凸起，熔體自液面中心流向四周而引起循環(huán)流動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為電動(dòng)效應(yīng)，可使熔體成分均勻，缺點(diǎn)是爐渣偏向周邊，覆蓋性差。與熔堝 爐比較，坩堝爐操作靈活，熔煉溫度高，但功率因數(shù)低，電耗較高。熔堝爐的感應(yīng)器由鐵芯、感應(yīng)圈和熔溝爐襯組成，熔溝為一條或兩條帶狀環(huán)形溝，其中充滿與熔池相聯(lián)通的熔體。在原理上，可以把熔堝爐看作是次級(jí)只有一匝線圈而且短路的鐵芯變壓器。感應(yīng)電流在熔堝熔體中流動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)中，每爐金屬熔煉完畢后，不能把熔池放空，一定要保留一部分熔體作為下一爐的起熔體。熔堝溫度比熔池高，又承受熔體流動(dòng)的沖刷，所以熔堝爐襯容易損壞，為便于維修，現(xiàn)代爐子的感應(yīng)器制成便于更換的裝配件。熔堝爐的容量從幾百公斤到百余噸。熔堝爐供高頻電，由于有用硅鋼片制作的鐵芯作磁通路，電效率和功率因數(shù)都很高。熔堝爐主要用于鑄鐵、銅、鋅、黃銅等的熔化，還可用來貯存和加熱熔體。(四)電弧爐利用電弧熱效應(yīng)熔煉金屬和其他物料的電爐。按加熱方式分為三種類型：(1)間接加熱電弧爐。電弧在兩電極之間產(chǎn)生，不接觸物料，靠熱輻射加熱物料。這種爐子噪聲大，效率低，漸被淘汰。(2)直接加熱電弧爐。電弧在電極與物料之間產(chǎn)生，直接加熱物料；煉鋼三相電弧爐是最常用的直接加熱電弧爐。(3)埋弧電爐，亦稱還原電爐或礦熱電爐。電極一端埋入料層，在料層內(nèi)形成電弧并利用料層自身的電阻發(fā)熱加熱物料；常用于冶煉鐵合金。(五)真空電弧爐是在抽真空的爐體中用電弧直接加熱熔煉金屬的電爐。爐內(nèi)氣體稀薄，主要靠被熔金屬的蒸氣發(fā)生電弧，為使電弧穩(wěn)定，一般供直流電。按照熔煉特點(diǎn)，分為金屬重熔爐和澆鑄爐。按照熔煉過程中電極是否消耗(熔化)，分為自耗爐和非自耗爐，工業(yè)上應(yīng)用的大多數(shù)是自耗爐。真空電弧爐用于熔煉特殊鋼、活潑的和難熔的金屬如鈦。電弧電熱可以認(rèn)為是弧阻電熱。電弧(弧阻)穩(wěn)定是爐子正常生產(chǎn)的必要條件。交流電弧爐通常采用高頻電，為使電弧穩(wěn)定，爐子供電電路中要有適當(dāng)?shù)母锌?，但是存在感抗?huì)降低功率因數(shù)和電效率。降低電流頻率是發(fā)展交流電弧爐的途徑?；∽枳柚迪喈?dāng)小，為獲得必要的熱量，爐子需要相當(dāng)大的工作電流，因此爐子短網(wǎng)的電阻要盡量小，以免電路損耗過大。對(duì)于三相電弧爐，要使三相的阻抗接近一致，以免三相負(fù)荷不平衡。 12 (六)轉(zhuǎn)爐爐體可轉(zhuǎn)動(dòng)，用于吹煉鋼。轉(zhuǎn)爐爐體用鋼板制成，呈圓筒形，內(nèi)襯耐火材料，吹煉時(shí)靠化學(xué)反應(yīng)熱加熱，不需外加熱源，是最重要的煉鋼設(shè)備，銅、鎳冶煉中也應(yīng)用很廣。煉鋼轉(zhuǎn)爐：早期都用空氣通過底部風(fēng)嘴鼓入鋼水進(jìn)行吹煉。側(cè)吹轉(zhuǎn)爐容量一般較小，從爐墻側(cè)面吹入空氣。煉鋼轉(zhuǎn)爐按不同需要用酸性或堿性耐火材料作爐襯。直立式圓筒形的爐體，通過托圈、耳軸架置于支座軸承上，操作時(shí)用機(jī)械傾動(dòng)裝置使?fàn)t體圍繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)。50年代發(fā)展起來的氧氣轉(zhuǎn)爐仍保持直立式圓筒形，隨著技術(shù)改進(jìn)，發(fā)展成頂吹噴氧槍供氧，因而得名氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，即L-D轉(zhuǎn)爐；用帶吹冷卻劑的爐底噴嘴的，稱為氧氣底吹轉(zhuǎn)爐。(七)高爐橫斷面為圓形的煉鐵豎爐，用鋼板作爐殼，里面砌耐火磚內(nèi)襯。高爐本體自上而下分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸五部分。爐缸上部沿周均勻設(shè)風(fēng)口，熱風(fēng)通過熱風(fēng)圍管、支管和彎頭、直吹管由風(fēng)口鼓入爐內(nèi)。風(fēng)口平面之下有出渣口，渣口平面之下有出鐵口。隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，高爐本體和附屬設(shè)備也不斷擴(kuò)大，高爐最大容積在20世紀(jì)初為幾百立方米，60年代為2,000~3,000米3，70年代達(dá)4,000~5,000米3。高爐大型化帶來了技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、勞動(dòng)生產(chǎn)率高和生產(chǎn)成本低的效果。從工藝操作和功能方面來說，高爐容積的大小，在很大程度上取決于鋼鐵廠規(guī)模以及礦石和燃料的質(zhì)量。大型高爐要求焦炭強(qiáng)度高，礦石的強(qiáng)度、還原度、品位等也要高，粒度小于5毫米的粉礦要低于5%。iid

d為爐缸直徑(米)i為冶煉強(qiáng)度〔噸/(米?日)1.0~1.2V為高爐容積(米3)J為燃燒強(qiáng)度〔噸焦炭/(米2?日)24~28.8。然后按各部分尺寸比例和爐身角(85左右)計(jì)算。設(shè)計(jì)的內(nèi)型要與生產(chǎn)中的高爐內(nèi)型對(duì)比，參考容積近似的其他高爐的尺寸進(jìn)行修改。 過去高爐只設(shè)一個(gè)鐵口，大型高爐增至2~4個(gè)。渣口一般是2個(gè)，多鐵口和渣量不多的高爐可不設(shè)渣口。風(fēng)口數(shù)目可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按爐缸圓周大小來確定。一般兩個(gè)風(fēng)口的中心距沿爐缸內(nèi)壁圓周上不應(yīng)小于1,000毫米。高爐爐體結(jié)構(gòu)：按爐體外部結(jié)構(gòu)、高爐基礎(chǔ)、高爐內(nèi)襯和冷卻設(shè)備分述如下：爐體外部結(jié)構(gòu)：主要有自立式、爐缸支柱式、框架支柱式、框架自立式等四種，它們的差別在于支承爐頂、上部爐殼和磚襯負(fù)荷的地方不同。早期小高爐多是自立式，大型高爐大多采用框架自立式。現(xiàn)代大型高爐鼓風(fēng)壓力高，爐體外殼鋼板加厚，殼內(nèi)噴涂耐火材料，防止熱應(yīng)力和晶間腐蝕引起開裂和變形。風(fēng)口平臺(tái)有較寬敞的操作空間；取消渣口，改用矮式泥炮；風(fēng)口平臺(tái)連成一片，以便叉車和換風(fēng)口機(jī)行走。高爐基礎(chǔ)：高爐基礎(chǔ)所承受的負(fù)荷按平均每立方米爐容約5~6噸考慮，用鋼筋混凝土基礎(chǔ)建在巖石、筒式樁或鋼管樁(內(nèi)灌水泥)上。高爐內(nèi)襯：高爐爐殼內(nèi)部砌有一層厚345~1,150毫米的耐火磚，以減少爐殼散熱量，磚中設(shè)置冷卻設(shè)備防止?fàn)t殼變形。高爐各部分磚襯損壞機(jī)理不同，為了防止局部磚襯先損壞而縮短高爐壽命，必須根據(jù)損壞、冷卻和高爐操作等因素，選用不同的耐火磚襯。爐缸、爐底傳統(tǒng)使用高級(jí)和超高級(jí)黏土磚。這部分磚是逐漸熔損的，因收縮和砌磚質(zhì)量不良，過去常引起重大燒穿事故，現(xiàn)在爐缸、爐底大多用碳素耐火材料，基本上解決了爐底燒穿問題。爐底使用碳磚有三種型式：全部為碳磚；爐底四周和上部為碳磚，下部為黏土磚或高鋁磚；爐底四周和下部為碳磚，上部為黏土磚或高鋁磚。后兩種又稱為綜合爐底。設(shè)計(jì)爐底厚度有減薄趨勢(shì)(由0.5d左右減至0.3d左右或爐殼內(nèi)徑的1/4d為爐缸直徑)。碳磚的缺點(diǎn)是易受空氣、二氧化碳、水蒸氣和堿金屬侵蝕。爐腰特別是爐身下部磚襯，由于磨損、熱應(yīng)力、化學(xué)侵蝕等，容易損壞。采用冷卻壁的高爐，投產(chǎn)兩年左右，爐身下部磚襯往往全被侵蝕。爐身上部和爐喉磚襯要求具有抗磨性和熱穩(wěn)定性的材料，以黏土磚為宜。爐腹磚襯被侵蝕后靠“渣皮”維持生產(chǎn)。近幾年應(yīng)用噴補(bǔ)技術(shù)修補(bǔ)磚襯已相當(dāng)普遍。噴補(bǔ)高鋁質(zhì)耐火材料(含Al2O340~60%)，壽命為砌襯的3/4。冷卻設(shè)備：早期的小高爐爐壁無(wú)冷卻設(shè)備，19世紀(jì)60年代高爐磚襯開始用水冷卻。冷卻設(shè)備主要有冷卻水箱和冷卻壁兩種。因高爐各部分熱負(fù)荷而異。爐底四周和爐缸使用碳磚時(shí)采用光面冷卻壁。爐底之下可用空氣、水或油冷卻。爐腹 14 使用碳磚時(shí)可從外部向爐殼噴水冷卻，使用其他磚襯時(shí)，用冷卻水箱或鑲磚冷卻壁。爐腰和爐身下部多采用傳統(tǒng)的銅冷卻水箱，左右間距250~300毫米，上下間距1~1.5米。爐身上部可采用各種形式的冷卻設(shè)備，一般用鑄鐵或鋼板焊接的冷卻水箱。近幾年來爐腰和爐身有的用鑲磚冷卻壁汽化冷卻。但爐身下部由于熱負(fù)荷較高，多改用強(qiáng)制循環(huán)純水冷卻；爐喉一般不冷卻。冷卻介質(zhì)過去使用工業(yè)水，現(xiàn)在改用軟水和純水。直流或露天循環(huán)供水系統(tǒng)也已被強(qiáng)制循環(huán)供水系統(tǒng)所代替，后者優(yōu)點(diǎn)是熱交換好、無(wú)沈淀、消耗水量少等。 爐缸支柱式框架支柱 1高爐2支柱3托圈4圖 高爐爐體結(jié)構(gòu)(八)精煉電爐用于精煉中碳、低碳、微碳鐵合金。電爐容量一般為1,500~6,000千伏安，采用敞口固定或帶蓋傾動(dòng)形式。前者類似還原電爐，可配備連續(xù)自焙電極；后者類似電弧煉鋼爐，使用石墨或炭質(zhì)電極。(九)電渣重熔把平爐、轉(zhuǎn)爐、電弧爐或感應(yīng)爐冶煉的鋼鑄造或鍛壓成為電極，通過熔渣電阻熱進(jìn)行二次重熔的精煉工藝，英文簡(jiǎn)稱ESR。美國(guó)霍普金斯(R.K.Hopkins)于20世紀(jì)40年代首先提出這種精煉方法的原理。其后蘇聯(lián)和美國(guó)相繼建立工業(yè)生產(chǎn)用的電渣爐。60年代中期由于航空、航天、電子、原子能等工業(yè)的發(fā)展，電渣重熔在蘇聯(lián)、西歐、美國(guó)獲得較快的發(fā)展。生產(chǎn)的品種包括：優(yōu)質(zhì)合金鋼、高溫合金、精密合金、耐蝕合金以及鋁、銅、鈦、銀等有色金屬的合金。 電渣重熔基本過程如圖電渣重熔示意圖所示。在銅制水冷結(jié)晶器內(nèi)盛有熔融的爐渣，自耗電極一端插入熔渣內(nèi)。自耗電極、渣池、金屬熔池、鋼錠、底水箱通過短網(wǎng)導(dǎo)線和變壓器形成回路。在通電過程中，渣池放出焦耳熱，將自耗電極端頭逐漸熔化，熔融金屬匯聚成液滴，穿過渣池，落入結(jié)晶器，形成金屬熔池，受水冷作用，迅速凝固形成鋼錠。在電極端頭液滴形成階段，以及液滴穿過渣池滴落階段，鋼-渣充分接觸，鋼中非金屬夾雜物為爐渣所吸收。鋼中有害元素(硫、鉛、銻、鉍、錫)通過鋼-渣反應(yīng)和高溫氣化比較有效地去除。液態(tài)金屬在渣池覆蓋下，基本上避免了再氧化。因?yàn)槭窃阢~制水冷結(jié)晶器內(nèi)熔化、精煉、凝固的，這就杜絕了耐火材料對(duì)鋼的污染。鋼錠凝固前，在它的上端有金屬熔池和渣池，起保溫和補(bǔ)縮作用，保證鋼錠的致密性。上升的渣池在結(jié)晶器內(nèi)壁上形成一層薄渣殼，不僅使鋼錠表面光潔，還起絕緣和隔熱作用，使更多的熱量向下部傳導(dǎo)，有利于鋼錠自下而上的定向結(jié)晶。由于以上原因，電渣重熔生產(chǎn)的鋼錠的質(zhì)量和性能得到改進(jìn)，合金鋼的低溫、室溫和高溫下的塑性和沖擊韌性增強(qiáng)，鋼材使用壽命延長(zhǎng)。電渣重熔設(shè)備簡(jiǎn)單，投資較少，生產(chǎn)費(fèi)用較低。電渣重熔的缺點(diǎn)是電耗較高，目前通用的渣料含CaF2較多，在重熔過程中，污染環(huán)境，必須設(shè)除塵和去氟裝置。(十)電弧爐煉鋼通過石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能，以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進(jìn)行煉鋼的方法。電弧爐以電能為熱源，可調(diào)整爐內(nèi)氣氛，對(duì)熔煉含有易氧化元素較多的鋼種極為有利，發(fā)明后不久，就用于冶煉合金鋼。并得到較大的發(fā)展。隨著電弧爐設(shè)備的改進(jìn)以及冶煉技術(shù)的提高，電力工業(yè)的發(fā)展，電爐鋼的成本不斷降低，現(xiàn)在電爐不但用于生產(chǎn)合金鋼，而且大量用來生產(chǎn)普通碳素鋼，其產(chǎn)量在主要工業(yè)國(guó)家鋼總產(chǎn)量中的比重，不斷上升。 16 電弧爐操作電弧爐煉鋼以廢鋼為主要原料，有些電弧爐采用直接還原的海綿鐵來代替部分(30~70%)廢鋼。廢鋼經(jīng)多次循環(huán)冶煉，會(huì)使某些對(duì)鋼質(zhì)有害而又不能在冶煉過程中除去的元素(如銅、鉛等)富集。海綿鐵比廢鋼純凈得多，摻和使用就可起“凈化”的作用。冶煉合金鋼時(shí)，大多數(shù)采用成分相近或相應(yīng)的合金廢鋼為爐料，以節(jié)約昂貴的鐵合金，不足之?dāng)?shù)在冶煉過程中再用鐵合金補(bǔ)充。上一爐的鋼水和渣出凈以后，立即把被侵蝕的爐襯補(bǔ)好。補(bǔ)爐動(dòng)作要快，以便利用爐內(nèi)的殘余高溫，將補(bǔ)爐料和原爐襯燒結(jié)在一起，并可減少熱損失，節(jié)約電能。補(bǔ)爐完畢后，移開爐蓋，用料筐從爐子頂部把爐料裝入爐內(nèi)。不易氧化和難熔的合金料如鎳、鉬等可與廢鋼同時(shí)裝入。爐料的塊度應(yīng)適當(dāng)搭配，堆密度以1.6~2.0噸/米3為宜。裝好爐料，合上爐蓋后，即降下電極到爐料面近處，接通主電路開關(guān)，將電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)放到自動(dòng)控制位置，以次高級(jí)電壓通電起弧。約5~10分鐘，電弧伸入爐料熔成的“小井”后，改用最高電壓，達(dá)到輸入變壓器的最大有效功率，加速熔化爐料。電極隨“小井”底部的熔化而逐漸下降，直到電弧觸到鋼液，然后電極又隨鋼液面的升高而上提。當(dāng)大部分爐料熔化，電弧就完全暴露在熔池面上，這時(shí)，為減少電弧對(duì)爐頂?shù)膹?qiáng)烈輻射，要改用較低電壓，直到爐料完全熔化。爐子輸入能量的制度，隨爐子的容量、冶煉鋼種和冶煉工藝而不同。電弧暴露在熔池面上并降低輸入功率后，可即向熔池吹入氧氣，以加速?gòu)U鋼的熔化。氧氣壓力為6~10公斤力/厘米2。吹氧不宜過早，否則所生成的氧化鐵將積聚在溫度尚低的熔池中，待溫度上升時(shí)會(huì)發(fā)生急劇的氧化反應(yīng)，引起爆炸式的大沸騰，導(dǎo)致惡性事故。 在爐料將近全部熔化，而被爐渣覆蓋時(shí)，取樣分析并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整鋼和渣的成分。此時(shí)，爐內(nèi)是氧化性氣氛，加上熔池中有來自銹蝕廢鋼和在熔化過程中廢鋼氧化產(chǎn)生的氧化鐵，或者來自爐料鐵礦石的氧化鐵，鋼液中的硅、磷、錳等元素會(huì)大量氧化。如果熔池有足夠高的溫度尤其是在吹氧時(shí)，氧炬附近的鋼水就可引起碳的氧化。在熔化期，合金廢鋼中除了硅、磷、錳、碳等元素氧化外，鉻、釩、鈦、鋁、硼等元素也會(huì)氧化，硫、鉛有少量氧化，只有鎳、鉬、銅、錫不氧化。精煉過程通過對(duì)各階段鋼樣和渣樣的分析、溫度的測(cè)定來調(diào)整和控制。在精煉期，除碳的氧化物成為氣態(tài)逸出外，其他元素的化合物為固態(tài)或液態(tài)，分別浮入渣中，或留在鋼液內(nèi)。精煉就是把對(duì)鋼質(zhì)有害的一些元素和化合物，盡可能地從鋼液中排除掉。電弧爐冶煉分為單渣法和雙渣法。一般如廢鋼含磷高，則采用雙渣法，先加入氧化劑或向鋼液中吹氧氣，進(jìn)行氧化，除去一部分碳、磷和其他雜質(zhì)，扒脫氧化渣再進(jìn)行還原精煉。對(duì)含磷要求不高的鋼種可采用不扒脫氧化渣、直接用脫氧劑進(jìn)行還原精煉的單渣法。冶煉高合金鋼時(shí)，為避免爐料中合金元素的氧化損失，多采用以純凈廢鋼裝料的單渣法。普碳鋼和一般低合金鋼可采用只造氧化渣的單渣法冶煉，許多生產(chǎn)普碳鋼的大型電弧爐即采用此法；在氧化精煉末期，鋼液成分和溫度達(dá)到規(guī)定要求時(shí)出鋼，同時(shí)加入鐵合金到盛鋼桶脫氧。為了充分利用變壓器的容量，提高鋼的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低電耗，近年采用爐外精煉，把電弧爐的雙渣法中的還原期工作移到鋼包或精煉爐中進(jìn)行。氧化精煉的主要目的是去磷、去氣、去非金屬夾雜物，并將溫度均勻地提高到高于出鋼溫度。碳的氧化，使熔池沸騰，起強(qiáng)烈攪拌作用，增加鋼液和渣液的接觸面，促進(jìn)渣中的氧向鋼液傳輸，以氧化雜質(zhì)，提高熔池溫度并使非金屬夾雜上浮，進(jìn)入爐渣。鋼液中的氫、氮等氣體擴(kuò)散到一氧化碳?xì)馀葜?，一起逸入爐氣。鋼液經(jīng)過氧化精煉，如果仍含較高的磷，則需除去部分爐渣，再造新渣去磷。還原精煉操作過程是在氧化期結(jié)束除凈氧化渣后，加入鋁等進(jìn)行預(yù)脫氧。隨后立即加石灰、火磚塊(或砂子)、螢石等先造稀薄渣，然后按照冶煉鋼種的要求再加還原渣料進(jìn)行還原精煉。常用的還原渣有電石渣和白渣等幾種，它們都是還原性強(qiáng)的強(qiáng)堿性渣(堿度CaO：SiO2=3~4)。與其他煉鋼渣相比，它們可以更多更快地脫去鋼液中的氧和硫。由于爐氣也是還原性的，鋼液不易氧化，所加入的易氧化元素?fù)p失也很少。 18 電石渣的大致成分為：CaO55~65%，SiO210~15%，MgO8~10%，Al2O32~3%，MnO〈1%，CaC21~4%，F(xiàn)eO〈0.5%。電石渣分強(qiáng)電石渣和弱電石渣兩種，強(qiáng)電石渣含碳化鈣(CaC2)2~4%，冷后呈黑色并夾有白色條紋，無(wú)光澤。弱電石渣含CaC21~2%，冷后呈灰色。制造電石渣的方法是向爐內(nèi)的稀薄渣上加較多的炭粉、硅鐵粉，密封爐子不使空氣進(jìn)入，使碳與鈣在高溫下生成碳化鈣。這種爐渣脫氧能力強(qiáng)，碳化鈣與渣中氧化物反應(yīng)生成CO逸出，而氧化物被還原成金屬進(jìn)入鋼液：為保持渣中有一定量的CaC2，需周期性地加入炭粉和石灰。由于形成CaC2所需的溫度較高，所以造渣時(shí)間較長(zhǎng)。這種渣易使鋼液增碳，宜用于冶煉高碳鋼種。還因它不易與鋼液分離，會(huì)形成鋼中的夾雜物，所以在出鋼前要破壞電石渣，使它變成白渣。因?yàn)榘自c鋼液之間界面張力大，不致污染鋼液。白渣的大致成分為：〈0.5%。造渣方法是向稀薄渣上加硅鐵粉和適量的炭粉，使渣中FeO還原成鐵進(jìn)入鋼液，并形成SiO2，因此需追加石灰以保持渣液的堿度。這種爐渣的形成時(shí)間較短，脫硫能力強(qiáng)。爐渣呈白色，冷卻后自行碎裂成白色粉末，以此得名。有時(shí)為了提高脫氧能力，在還原開始時(shí)，先造一個(gè)短時(shí)間的弱電石渣，隨即使之轉(zhuǎn)變?yōu)榘自?。另有火磚渣，用石灰、螢石和廢耐火磚塊造成，是中性渣，主要用于冶煉不銹鋼；特點(diǎn)是加熱快，不易增碳，渣、鋼容易分離，但脫硫能力低。(一)爐外精煉將轉(zhuǎn)爐或電爐中初煉過的鋼液移到另一個(gè)容器中進(jìn)行精煉的煉鋼過程，也叫“二次煉鋼＂。煉鋼過程因此分為初煉和精煉兩步進(jìn)行。初煉：爐料在氧化性氣氛的爐內(nèi)進(jìn)行熔化、脫磷、脫碳和主合金化。精煉：將初煉的鋼液在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器中進(jìn)行脫氣、脫氧、脫硫，去除夾雜物和進(jìn)行成分微調(diào)等。這樣將煉鋼分兩步進(jìn)行，可提高鋼的質(zhì)量，縮短冶煉時(shí)間，簡(jiǎn)化工藝過程并降低生產(chǎn)成本。 1933年法國(guó)佩蘭(R.Perrin)應(yīng)用專門配制的高堿度合成渣，在出鋼的過程中，對(duì)鋼液進(jìn)行“渣洗脫硫”，這是爐外精煉技術(shù)的萌芽。1950年在聯(lián)邦德國(guó)用鋼液真空處理法脫除鋼中的氫以防止“白點(diǎn)”。60年代末期以來，爐外精煉技術(shù)經(jīng)過不斷地發(fā)展，目前已有幾十種方法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，逐步形成了煉鋼工藝中的一個(gè)新分支。中國(guó)于1957年開始研究鋼液真空處理法。建立了鋼液脫氣、真空鑄錠裝置，70年代建立了氬氧爐、鋼包精煉爐和鋼包噴粉裝置等爐外精煉設(shè)備。精煉主要通過下述作用：鋼液中氣體的溶解度服從平方根定律，鋼中氫含量H

空處理時(shí)，降低精煉容器中氫的分壓P，即可達(dá)到鋼液脫氫的目的。氫的溶解反應(yīng)平衡常數(shù)KH是溫度的函數(shù)，在1,600KH＝0.0027。氫在鋼液中溶解平衡常數(shù)低，擴(kuò)散速度快，所以鋼液脫氫速度很快，可使鋼中氫含量接近平衡值。同理，也可進(jìn)行脫氮，但氮在鋼液中的溶解平衡常數(shù)較高，KH＝0.040，擴(kuò)散速度慢，因此鋼液真空處理時(shí)，氮的脫出率僅為10~25%。爐外精煉通常用兩種脫氧方法。真空下碳脫氧和加入合金元素硅、錳、鋁等進(jìn)行沈淀脫氧。真空下碳氧反應(yīng)為：[C]+[O─→CO↑，則[C][O]＝PCOKmpCO，平衡常數(shù)K為溫度的函數(shù)，在1,600PCO1大氣壓時(shí)， 1mK值為0.0020~0.0025，因此真空下碳的脫氧能力很強(qiáng)，可超過脫氧元素 硅、錳和鋁。反應(yīng)產(chǎn)物CO是氣態(tài)而不是呈夾雜物形態(tài)，在真空下極易排除。向鋼水中吹入惰性氣體，這種氣體本身不參與冶金反應(yīng)，但從鋼水中上升的每個(gè)小氣泡都相當(dāng)于一個(gè)“小真空室”(氣泡中H2、N2、CO的分壓接近于零)具有“氣洗”的作用，爐外精煉生產(chǎn)不銹鋼的原理，就是應(yīng)用不同的CO分壓下碳鉻和溫度之間的平衡關(guān)系。用惰性氣體加氧進(jìn)行精煉脫碳(工藝過程中不斷變換氬/氧的比例)，可以降低碳氧反應(yīng)中CO的分壓，在較低溫度的條件下，降低碳含量而鉻不被氧化。 20 爐外精煉過程中對(duì)鋼液進(jìn)行攪拌，使鋼液成分和溫度均勻化，并能促進(jìn)冶金反應(yīng)。多數(shù)冶金反應(yīng)過程是相界面反應(yīng)，反應(yīng)物和生成物的擴(kuò)散速度是這些反應(yīng)限制性環(huán)節(jié)。鋼液在靜止?fàn)顟B(tài)下，冶金反應(yīng)速度很慢，如電爐中靜止的鋼液脫硫需要30~60分鐘；爐外精煉中攪動(dòng)鋼液進(jìn)行脫硫只需3~5分鐘，即可達(dá)到同樣的效果。鋼液在靜止?fàn)顟B(tài)下，夾雜物靠上浮除去，服從于斯托克斯(Stokes)定律，排除速度較慢；攪拌鋼液時(shí)，夾雜物的除去服從于指數(shù)規(guī)律，XXekt X0分別表示時(shí)間t和開始時(shí)間t＝0)時(shí)夾雜物的濃度；k為常數(shù)，與攪拌強(qiáng)度、類型和夾雜物的特性有關(guān)。處理方式：鋼包處理型爐外精煉，特點(diǎn)是精煉時(shí)間短(10~30分鐘)，精煉任務(wù)單一，沒有補(bǔ)償鋼水溫度降低的加熱裝置，工藝操作簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少。有鋼水脫氣、脫硫，成分控制和改變夾雜物形態(tài)等裝置。真空循環(huán)脫氣法，鋼包真空吹氬法(Gazid)，鋼包噴粉(CaSi或其他粉劑)處理法等均屬此類。鋼包精煉型爐外精煉，特點(diǎn)是精煉時(shí)間長(zhǎng)(60~180分鐘)，具有多種精煉機(jī)能，有補(bǔ)償鋼水溫度降低的加熱裝置，適于各類高合金鋼和特殊性能鋼種(如超純鋼種)的精煉生產(chǎn)。真空吹氧脫碳法(VOD)、真空電弧加熱脫氣法(VAD)和鋼包精煉爐法(ASEA-SKF)等，均屬此類。與此類似的還有氬氧脫碳法(AOD)。典型的爐外精煉設(shè)備如圖2典型的爐外精煉設(shè)備所示。工藝特點(diǎn)，爐外精煉具有共同工藝特點(diǎn)：(1)選擇一個(gè)理想的精煉氣氛條件，通常采用真空、惰性氣氛或還原性氣氛。(2)對(duì)鋼液進(jìn)行攪拌，可采用電磁感應(yīng)、惰性氣流或機(jī)械方法攪拌。(3)鋼液加熱，在精煉過程中通常采用電弧加熱、埋弧加熱或增加化學(xué)熱等。各種爐外精煉法不外乎這三個(gè)方面技術(shù)的不同組合。幾種爐外精煉的工藝特點(diǎn)和冶金機(jī)能見表2幾種爐外精煉法的工藝特點(diǎn)和冶金機(jī)能。在各種爐外精煉方法中，鋼包處理型爐外精煉在工業(yè)生產(chǎn)中使用最多。70年代末期世界各國(guó)投入工業(yè)生產(chǎn)的爐外精煉設(shè)備約有400余座。美國(guó)和日本生產(chǎn)軸承鋼全部都經(jīng)真空處理(RH法、DH法等)，超低硫鋼的生產(chǎn)以及控制夾雜物形態(tài)的鋼種主要應(yīng)用鋼包噴粉處理法生產(chǎn)(TN法、SL法)。AOD爐利用氬-氧混合吹煉生產(chǎn)不銹鋼，鉻元素的回收率達(dá)98%以上，并可使用高碳鉻鐵做合金原料，經(jīng)濟(jì)效果十分顯著。美國(guó)的不銹鋼生產(chǎn)幾乎全部用AOD爐。目前世界上AOD爐生產(chǎn)的不銹鋼約占75%。ASEA-SKF爐和VAD爐均采用電弧加熱鋼液，用電磁感應(yīng)或氬氣流攪拌 鋼液，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的精煉操作，多用于生產(chǎn)高合金鋼。這類設(shè)備還可作鋼液保護(hù)爐，用于多爐聯(lián)合生產(chǎn)特大鋼錠。爐外精煉法可以大幅度地提高冶金質(zhì)量，并將鋼中有害雜質(zhì)降低到以下水[H]0.5~3pp[O]5~30pp[N]15~50pp[C]0.002~0.03[S]0.002~0.01%，提高現(xiàn)有煉鋼爐生產(chǎn)能力30~50%，使鋼液澆鑄溫度波動(dòng)幅度保持±3~4℃范圍內(nèi)，生產(chǎn)成本降低13~54%。幾種爐外精煉法的設(shè)備投資、操作費(fèi)用、工業(yè)化水平的比較見表2爐外精煉法工業(yè)生產(chǎn)概況。爐外精煉技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。長(zhǎng)期以來用電爐生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼的地位有被氧氣轉(zhuǎn)爐加爐外精煉和電爐加爐外精煉的工藝流程代替的趨勢(shì)。每種爐外精煉法，各有所長(zhǎng)，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品方向、生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備狀況、原料供應(yīng)條件和資金等情況進(jìn)行綜合研究，作出選擇。

接真空 粉

aO脫氣f氬氧脫碳圖 典型的爐外精煉設(shè)備 22 表 幾種爐外精煉法的工藝特點(diǎn)和治金機(jī)能真空吹氧脫碳法脫氣法高高高脫氣脫氧脫硫脫碳表 幾種爐外精煉法的工藝特點(diǎn)和治金機(jī)能脫氣法 (一)傳統(tǒng)的加熱爐節(jié)能技術(shù)筑爐材料輕型化，由熱平衡的測(cè)試或者計(jì)算可知，爐體蓄熱損失和散熱損失高達(dá)60%~70%，而加熱工作件的有效熱僅有25%~30%。于是采用熱容量很小的輕質(zhì)耐火材料筑爐，以達(dá)到不讓熱量被爐襯過多地“吃”掉，減少爐體的蓄熱損失，同時(shí)增強(qiáng)爐子的隔熱保溫，少讓熱量從爐子外表面跑掉，減少爐壁的散熱損失。從20世紀(jì)70年代后期開始，更加廣泛地采用耐火纖維和各種輕質(zhì)耐火材料做成復(fù)合爐襯，發(fā)展到極至，就是當(dāng)前盛行的全纖維爐。這種方法是把熱量盡力“堵”在爐膛中。但是，被堵在爐膛中的熱量是否能成為有效熱而被工作件吸收，這個(gè)問題并沒有解決。對(duì)于高溫連續(xù)加熱爐，從60年代中期開始，廣泛采用不定形耐火材料。其施工方法有現(xiàn)場(chǎng)搗打、現(xiàn)場(chǎng)澆灌和預(yù)制構(gòu)件吊裝等。此項(xiàng)技術(shù)有利于爐壁氣密性增強(qiáng)，延長(zhǎng)爐襯壽命，從整體而言，還省去了耐火材料砌筑前的燒制過程。改進(jìn)和完善燃燒系統(tǒng)的節(jié)能，旨在完全充分地釋放出燃料的熱能。設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)，以各相關(guān)系統(tǒng)的及時(shí)精確配合和控制來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。有關(guān)減少爐子冷卻系統(tǒng)的節(jié)能。眾所周知，工業(yè)加熱爐技術(shù)進(jìn)步發(fā)展至今，如果只采用上述傳統(tǒng)的辦法，哪怕要想再降低能耗3%都是非常困難的。那麼，工業(yè)加熱爐熱效率難以再提高的原因究竟是什麼呢？加熱爐熱效率低下的本質(zhì)原因在爐膛內(nèi)，熱源發(fā)出的熱能，是以電磁波即熱射線的形式，沿半球空間呈直線射出狀進(jìn)行輻射的。電磁波遵循光學(xué)原理進(jìn)行傳播。 24 實(shí)際上，這些熱射線只有一部分能夠直接射到了工作件上，被工作件吸收而成為有效熱；還有許多的熱射線卻射不到工作件上，而是射到了爐壁的某處。這些射到爐壁的熱射線中，有一部分要被爐墻吸收，并陸續(xù)地通過爐墻外壁向大氣空間散發(fā)損失掉；另一部分則按“入射角等于反射角”的規(guī)律，被爐墻反射出去。被反射的熱射線中的一部分，此時(shí)可能射到工作件上，被工作件吸收成為有效熱；而另一部分仍然射不到工作件上，再一次發(fā)生上述的“爐墻吸收和反射”過程。由于爐壁一般是粗糙的工程面，爐膛中來回反射的熱射線就形成了一種漫反射的分布狀態(tài)，卻都不能到位。沒有射到工作件上的熱射線，不能成為有效熱被利用。前述各種傳統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)，都沒有解決爐膛內(nèi)熱射線到位的問題，也就是沒有改變熱射線在爐膛中呈漫反射分布的狀態(tài)，因此，工作件單位表面積上獲得的輻射熱較少，即輻照度較低。這就是傳統(tǒng)爐型和傳統(tǒng)的節(jié)能方法，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上熱效率難以再提高的本質(zhì)原因。(二)能使熱射線盡快到位的節(jié)能技術(shù)黑體強(qiáng)化輻射傳熱技術(shù)，是把紅外物理中黑體的概念加以技術(shù)化，制作成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的黑體元件，安裝在爐膛內(nèi)，用以調(diào)控?zé)嵘渚€，改變其漫反射狀態(tài)，使之集中、有效地射向工作件，增大了熱射線的到位率，提高了對(duì)工作件的輻照度，也就大幅度地提高了爐子的熱效率。采用黑體強(qiáng)化輻射傳熱技術(shù)，構(gòu)成了多功能爐襯的工業(yè)爐。在爐頂和爐壁上設(shè)置眾多的黑體元件，這些元件有的突出在爐壁之外，有的凹入在爐壁的里面。對(duì)熱源裝置如電熱體或燒嘴磚作保護(hù)性處理整體爐墻進(jìn)行強(qiáng)化處理。處理的目的之一是強(qiáng)化爐襯并增強(qiáng)爐襯的氣密性；目的之二是提高爐襯的發(fā)射率。眾多的黑體元件和爐襯共同組成一個(gè)基本不老化，且壽命又得以延長(zhǎng)的紅外加熱系統(tǒng)———多功能爐襯。 強(qiáng)輻射元件爐膛空間黑體元件是多功能爐襯工業(yè)爐的技術(shù)關(guān)鍵黑體元件是將絕對(duì)黑體的概念加以技術(shù)化，形成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)黑體，將其成功地應(yīng)用于爐膛中，并以它為核心構(gòu)成多功能爐襯。黑體元件的結(jié)構(gòu)形式是多孔陶瓷的空腔錐臺(tái)，根據(jù)不同的爐型、不同的使用溫度，元件已經(jīng)形成了完整的系列。其作用是：增大爐膛的傳熱面積在不改變?cè)瓲t膛結(jié)構(gòu)的前提下，在爐膛內(nèi)設(shè)置眾多的黑體元件后，爐膛的傳熱面積大幅度地增加，其數(shù)值可以達(dá)到原爐膛面積的1倍以上。提高爐膛的黑度傳統(tǒng)的提高爐膛黑度的方法，是采用發(fā)射率高的紅外涂料對(duì)其進(jìn)行涂裝，迄今能達(dá)到的最高水平為=088~092，但其老化問題難以從根本上解決，涂層失效快，工業(yè)運(yùn)用不能持久。黑體元件的全發(fā)射率為=096(1,078K，中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院測(cè)試)。其特征是：元件的高發(fā)射率由其幾何參數(shù)和表面特性獲得，具有高穩(wěn)定性，不老化。元件本身不是熱源，它只起中間傳熱的作用，工業(yè)實(shí)施方便可靠。能調(diào)控?zé)嵘渚€黑體元件具有調(diào)控?zé)嵘渚€的功能：對(duì)爐膛內(nèi)呈漫射狀的熱射線，元件首先以其高吸收特性能盡快地吸收，并因不斷聚集熱量而使其自身溫度提高。當(dāng)其再以高發(fā)射特性重新發(fā)射熱射線時(shí)，借其自身的幾何結(jié)構(gòu)和布置的位置，就完成了把熱射線從無(wú)序到有序的調(diào)控過程，使熱射線能夠射向工作件，大大地提高了熱射線的到位率，增大了對(duì)工作件的輻照度，即增多了工作件單位面積所吸收的輻射能。 26 提高輻射傳熱的比例在燃料爐中，當(dāng)火焰流流經(jīng)黑體元件時(shí)，元件吸收對(duì)流傳遞的熱量后，再以輻射的方式向工作件傳遞，實(shí)現(xiàn)了傳熱方式的轉(zhuǎn)換,即把爐內(nèi)的一部分對(duì)流傳熱轉(zhuǎn)化成輻射傳熱，增大了輻射傳熱的比例，提高了傳熱效率。黑體元件本身并不是熱源，它在爐膛內(nèi)實(shí)際上就象是排球二傳手一樣，在熱能利用的源頭(爐膛內(nèi))進(jìn)行著熱射線(熱能)的調(diào)控，使之迅速輻射到位，達(dá)到了強(qiáng)化輻射傳熱的目的。黑體元件又象是爐膛內(nèi)的許多個(gè)“溫柔”的燒嘴，使工作件均勻地被加熱。節(jié)能20%~30%提高生產(chǎn)率10%~20%，對(duì)有的工藝，如調(diào)質(zhì)、正火，甚至可達(dá)50%改善爐溫均勻性，提高產(chǎn)品加熱質(zhì)量。延長(zhǎng)爐襯壽命一倍以上。具有環(huán)保效應(yīng)?？蓽p少?gòu)U氣排放量，并降低廢氣溫度。適用于各種熱處理電阻爐、燃料爐及其生產(chǎn)線、軋鋼加熱爐、陶瓷燒成窯等。實(shí)踐證明，黑體強(qiáng)化輻射傳熱新穎的節(jié)能機(jī)理，是加熱爐節(jié)能的突破性進(jìn)展。不論是電爐還是燃料爐，大爐子還是小爐子，高、中、低溫爐均可應(yīng)用。世界兩工業(yè)爐集團(tuán)(日本黑旗窯業(yè)，法國(guó)斯太因工業(yè)爐集團(tuán))均不掌握此項(xiàng)黑體技術(shù)。本技術(shù)經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的中試，直至進(jìn)入市場(chǎng)。迄今，黑體元件已經(jīng)發(fā)展到第三代，形成了完整的系列，節(jié)能20%~30%，成熟可靠。本技術(shù)不僅實(shí)施方便，不改變?cè)瓲t膛的結(jié)構(gòu)，而且使用安全，運(yùn)行成本低廉。用黑體強(qiáng)化輻射傳熱節(jié)能新技術(shù)裝備的爐窯，可以獲得綠色優(yōu)勢(shì)；用作改造現(xiàn)有加熱爐窯，可以用較小的投資獲得“更新裝備”的價(jià)值，使工業(yè)加熱爐熱能利用接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。大幅度節(jié)能，是可持續(xù)發(fā)展的必然要求；環(huán)保，是人類的共同追求。 21世紀(jì)綠色工業(yè)爐要求工業(yè)爐節(jié)能并減少或消除對(duì)環(huán)境的污染。在現(xiàn)有加熱爐的基礎(chǔ)上，能夠大幅度節(jié)能的創(chuàng)新技術(shù)是關(guān)鍵。黑體強(qiáng)化輻射傳熱節(jié)能新技術(shù)投資少、見效快、效果大，是改造傳統(tǒng)加熱爐窯的關(guān)鍵技術(shù)。(三)蓄熱式工業(yè)爐，對(duì)加熱爐的排放廢氣進(jìn)行余熱回收蓄熱燃燒技術(shù)，現(xiàn)今已運(yùn)用在許多的鋼鐵生產(chǎn)制程上，它的優(yōu)點(diǎn)在于熱能回收效率高出傳統(tǒng)復(fù)熱式熱交換器許多，是一項(xiàng)更具優(yōu)勢(shì)的廢熱回收節(jié)能技術(shù)；除此之外，也因?yàn)樗娜紵绞讲煌谝酝娜紵Ｊ?，因此可提升工業(yè)加熱爐膛的加熱性能及其產(chǎn)品的質(zhì)量。蓄熱燃燒加熱是利用陶瓷材料當(dāng)為熱的傳遞介質(zhì)，因?yàn)樘沾刹牧媳冉饘俑吣蜏匦?，所以可置于相?dāng)高的溫區(qū)位置來回收排氣中的熱能，并同時(shí)加熱燃燒用的空氣。從熱交換器材質(zhì)的溫度限制來看，復(fù)熱式熱交換器受限于它金屬材質(zhì)的特性，無(wú)法如陶瓷材料直接接觸1,000℃以上的高溫?zé)煔?，所以?fù)熱式熱交換器的燃料節(jié)約率就無(wú)法比擬蓄熱燃燒方式，而且有一段明顯的落差。例如圖3的空氣預(yù)熱與節(jié)能效率關(guān)系圖所示，其中最佳情況的復(fù)熱式熱交換器能將燃燒空氣預(yù)熱至500~600℃，而蓄熱燃燒方式則可預(yù)熱至1,100~1,200℃。就熱能回收的潛力來看，蓄熱燃燒方式約有兩倍的節(jié)能潛力，所以，適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用蓄熱燃燒方式于燃燒加熱的制程中是值得鼓勵(lì)的。

圖 空氣預(yù)熱與節(jié)能效率關(guān)系 28 蓄熱燃燒系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖4所示。蓄熱燃燒主要由燃燒器、蓄熱體及切換機(jī)構(gòu)三者組合而成；燃燒器為周期性的交互切換運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)A燃燒器燃燒時(shí)，B燃燒器便作為高溫?zé)煔獾呐欧磐ǖ?，并將高溫?zé)煔庵械臒崮苄罘e在B燃燒器里的陶瓷材料中，而在下一個(gè)切換運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，B燃燒器開始運(yùn)轉(zhuǎn)燃燒，并利用空氣將B燃燒器陶瓷中的熱能取出當(dāng)作燃燒之用；此時(shí)A燃燒器為高溫?zé)煔獾呐欧磐ǖ?，并將煙氣中的熱能回收在A燃燒器的陶瓷材料里。A

B圖 蓄熱燃燒系統(tǒng)及其運(yùn)轉(zhuǎn)原理從燃燒的角度來看，火焰溫度越高，越容易產(chǎn)生氮氧化物，所以學(xué)理上蓄熱燃燒方式容易產(chǎn)生高溫的火焰及大量的氮氧化物，因此，如果蓄熱燃燒模式僅具有高效率的節(jié)能效果，而無(wú)法符合氮氧化物的環(huán)保要求的話，它也不易為工業(yè)界接受。所以，蓄熱燃燒需要有特殊的機(jī)制以防治氮氧化物的產(chǎn)生；針對(duì)此點(diǎn)已可利用燃料分段燃燒及燃料直接噴入法，配合低氧氣氛的燃燒環(huán)境，以達(dá)到低氮氧化物排放的目的。圖5是采用不同的蓄熱燃燒模式進(jìn)行重油燃燒試驗(yàn)時(shí)，氮氧化物的實(shí)際排放狀況，由比較中得知采用燃料分段燃燒或燃料直接噴入法在低氧濃度的條件下，氮氧化物的排放值均可控制在250ppm以下，符合環(huán)保排放要求。 Nox,Nox,爐內(nèi)O2圖 高溫空氣燃燒之氮氧化物控制對(duì)于蓄熱燃燒的應(yīng)用及燃燒節(jié)能診斷的方法，基本上可以從蓄熱燃燒機(jī)中的陶瓷蓄熱體上、下端溫度量測(cè)中得知，如圖6所示。簡(jiǎn)單的蓄熱體溫度效率值計(jì)算乃以下述公式來計(jì)算初估：溫度效率＝(TAPH－Ta)÷(TFG－Ta)。其中TFG為進(jìn)入蓄熱體前之煙氣溫度、TAPH為通過蓄熱體后之燃燒空氣預(yù)熱溫度、Ta為進(jìn)入蓄熱體前之新鮮冷空氣溫度。

圖 蓄熱燃燒節(jié)能評(píng)

由研究中得知，爐膛溫度分別為800℃、1,000℃、1,100℃及1,200℃時(shí)，測(cè)得進(jìn)入蓄熱體前之煙氣溫度分別為702℃、900℃、978℃及1,095℃，而通過蓄熱體后之燃燒空氣預(yù)熱溫度值則分別為625℃、828℃、910℃及1,039℃。由以上數(shù)據(jù)計(jì)算陶瓷蓄熱體的溫度效率值分別為0.89、0.92、0.93及0.95。 30 另外，可以參酌圖7的方法，來診斷及評(píng)估加熱系統(tǒng)的蓄熱燃燒節(jié)能效率。如圖7，采用蓄熱燃燒技術(shù)時(shí)，當(dāng)燃燒空氣預(yù)熱在1,150℃的情況下，往上對(duì)應(yīng)加熱爐爐內(nèi)的溫度曲線為1,200℃，再往右對(duì)應(yīng)代表燃料節(jié)能率的Y軸，其值為52%；此值意謂著蓄熱燃燒技術(shù)比未裝置任何熱回收裝置的制程節(jié)省燃料52%。而傳統(tǒng)的熱交換技術(shù)，將燃燒空氣預(yù)熱到400℃時(shí)，其對(duì)應(yīng)未裝置任何熱回收裝置的制程，其燃料節(jié)約率約為25%。因此，采用蓄熱燃燒技術(shù)者比傳統(tǒng)熱回收裝置的制程，其燃料節(jié)約能力約為36%〔(52-25)/(100-25)=36% 圖 蓄熱燃燒之節(jié)能評(píng)估蓄熱燃燒除了具有高效率的節(jié)能及符合氮氧化物排放的能力外，其爐膛內(nèi)部的熱均勻性亦較其他燃燒模式優(yōu)異，所以具有提升產(chǎn)能、縮小爐體尺寸及提升質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。圖8(A)為傳統(tǒng)式加熱爐，此類型燃燒的爐內(nèi)溫度分布和熱通量分布相似，最高點(diǎn)均位于燃燒機(jī)爐前位置，然后沿著火焰的中心軸往下游的方向逐漸降低，在爐膛內(nèi)分布較不均勻。而蓄熱燃燒之圖8(B)則為間歇性的交互切換式燃燒，從整個(gè)爐體的空間分布來看，周期性的交互切換結(jié)果，熱通量的時(shí)間平均分布的相當(dāng)均勻，且落在被加熱物及爐體可容許的范圍內(nèi)，故不致有過熱現(xiàn)象，對(duì)于爐體空間大而溫度均勻性要求高的工業(yè)加熱系統(tǒng)而言，蓄熱燃燒的特性可符合此一要求。

加熱爐位 加熱爐位

(A)傳統(tǒng)燃燒加 (B)蓄熱燃燒加圖 傳統(tǒng)與蓄熱燃燒加熱系統(tǒng)比較蓄熱燃燒節(jié)能主要的方法是對(duì)燃燒后排放的煙氣進(jìn)行廢熱回收，回收的熱能普遍應(yīng)用于燃燒空氣的預(yù)熱，以減少燃料的消耗。蓄熱式燃燒器藉著將蓄熱體整合在燃燒器本體內(nèi)，除維持原有的高溫度效率外，也避免預(yù)熱后燃燒空氣的散熱損失，因此在1,200℃的爐溫時(shí)，可將排氣的溫度降至250℃以內(nèi)，燃燒空氣預(yù)熱的溫度提升至800℃以上，如此不但有效地回收煙氣中的熱能，也由于其高效率的燃燒節(jié)能效果，大幅降低燃燒系統(tǒng)CO2的排放量。高溫預(yù)熱空氣燃燒技術(shù)在經(jīng)濟(jì)部能源科技發(fā)展項(xiàng)目的推動(dòng)下，藉由業(yè)界合作于煉鋼廠盛鋼桶預(yù)熱臺(tái)，進(jìn)行150噸的盛鋼桶預(yù)熱臺(tái)燃控系統(tǒng)換裝─蓄熱燃燒器示范工作，結(jié)果證實(shí)蓄熱式燃燒技術(shù)在盛鋼桶加熱站的能源節(jié)約潛能及其加熱作業(yè)時(shí)間的縮短，成果可作為技術(shù)推廣與實(shí)務(wù)運(yùn)作參考，并建立業(yè)主的經(jīng)驗(yàn)與信心。目前已可達(dá)成之目標(biāo)如下：獲致節(jié)能效果驗(yàn)證-35%以上。獲致低氮氧化物排放驗(yàn)證--符合環(huán)保法規(guī)。獲致熱均勻分布特性驗(yàn)證---溫差30℃以內(nèi)。獲致桶底溫度提高的驗(yàn)證---較傳統(tǒng)燃燒為高。完成性能評(píng)估資料與技術(shù)的建立。 32 所以就蓄熱燃燒的開發(fā)與推廣而言，其可達(dá)到國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力、產(chǎn)業(yè)及環(huán)境保護(hù)三贏的標(biāo)的，包括節(jié)約能源30%、降低CO2排放、提升燃料使用效率、縮小爐膛體積20%、工業(yè)爐性能提升、提高產(chǎn)品質(zhì)量及大幅降低氮氧化物排放。為進(jìn)一步推廣與提升蓄熱燃燒加熱的應(yīng)用，目前正進(jìn)行蓄熱式重油燃燒加熱的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)驗(yàn)證工作，替國(guó)內(nèi)使用重油為加熱熱源的工業(yè)使用者開啟另頁(yè)節(jié)能實(shí)務(wù)運(yùn)用的新章。(四)富氧燃燒富氧助燃節(jié)能的原理十分簡(jiǎn)單，特別是被應(yīng)用于爐窯時(shí)，其原理就是加熱助燃，據(jù)資料報(bào)道，向爐窯鼓風(fēng)的空氣中含氧量每增加4~5%，火焰溫度可升高200~300℃，從而提高了燃料的燃燒效率。鍛造加熱爐，若采用23~25%的富氧空氣助燃，則可節(jié)省燃料25%左右；石灰窯若采用23%的富氧空氣鼓風(fēng)，就能增加生產(chǎn)能力大約25%。其他如玻璃熔化爐、水泥生產(chǎn)窯、耐火材料生產(chǎn)窯、磚瓦窯以及其他各種工業(yè)爐窯，都能應(yīng)用富氧助燃而獲得明顯的節(jié)能效果。美國(guó)的賓夕半尼珍珠巖廠和美國(guó)Airco氣體工業(yè)公司開發(fā)的富氧系統(tǒng)，使珍珠巖的產(chǎn)量提高18%，并節(jié)省天然氣用量12%。在電力工業(yè)中，一個(gè)月發(fā)電量為720萬(wàn)千瓦小時(shí)的熱電廠，如果采用富氧助燃，則每天可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約為558噸。日本的有關(guān)研究表明：欲使燃料在富氧狀態(tài)下燃燒，其富氧空氣的濃度一般為30%左右。過度提高富氧空氣中氧的濃度，只不過使火焰溫度處于飽和狀態(tài)，而不會(huì)繼續(xù)使火焰溫度提高。因?yàn)殡S著富氧空氣中氧濃度的增加，使其火焰溫度上升，其速度最快的一段，是發(fā)生在富氧空氣中氧的濃度剛開始增加的一段時(shí)間內(nèi)。而當(dāng)富氧空氣中的氧濃度繼續(xù)增加時(shí)，火焰溫度上升的速度反而下降。如下表所示： 表 火焰溫度與富氧空氣中的氧濃度之間關(guān)系火焰溫度℃空氣過量系數(shù)富氧助燃與空氣助燃相比，有著明顯的節(jié)能效果，現(xiàn)把日本試驗(yàn)的有關(guān)資料列于下表5：表 富氧空氣助燃系統(tǒng)的節(jié)能效果(日本試驗(yàn)資料富氧濃度所需能耗