工業(yè)加熱保溫節(jié)能新材料的發(fā)展及其在熔模鑄造型殼焙燒爐中的應(yīng)用

工業(yè)加熱保溫節(jié)能新材料的發(fā)展及其在熔模鑄造型殼焙燒爐中的應(yīng)用

在熔模型制造過(guò)程中，中小型地殼烘焙的主要目的是清除殼體中的水、蠟、鹽和其他蒸發(fā)材料，使殼體在注水過(guò)程中具有良好的通風(fēng)性。改變磁體、原材料和其他材料之間的熱物理反應(yīng)，改變物相和微組織之間的組成和微觀組織之間的熱物理反應(yīng)。建立高溫強(qiáng)度，減少液體合金和型地殼之間的高差，提高充分性。型殼焙燒是熔模鑄造的主要工序之一,也是能源消耗最多的工序。1單纖維及其應(yīng)用1.1增加了自適應(yīng)的熱導(dǎo)率硅酸鋁耐火纖維及其制品的主要特性如下:①耐高溫,高鋁纖維的長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)1250℃,而普通硅酸鋁纖維的使用溫度為900～1000℃;②熱導(dǎo)率低,比一般隔熱磚的熱導(dǎo)率低30%以上;③質(zhì)量輕,耐火纖維制品的質(zhì)量?jī)H為一般耐火磚的20%～10%,代替耐火磚砌筑窯爐時(shí)可節(jié)約鋼材40%～50%,大幅度減輕窯爐的質(zhì)量和體積;④熱容小,耐火纖維的熱容低于其保溫層,使窯爐升溫快、熱耗小,節(jié)約燃料或電力40%～50%,顯著提高窯爐的周轉(zhuǎn)率;⑤化學(xué)穩(wěn)定性好,除HF等強(qiáng)酸腐蝕外,其他如水蒸氣、油類(lèi)和其他酸堿類(lèi)材料均不侵蝕。1.2纖維材料多晶莫來(lái)石耐火纖維是一種新型超輕質(zhì)耐高溫絕熱材料。由莫來(lái)石微晶體構(gòu)成,集晶體材料和纖維材料特性于一體,有極好的耐熱穩(wěn)定性,長(zhǎng)期使用溫度達(dá)1500℃,熱導(dǎo)率是傳統(tǒng)耐火磚的1/6,容重只有其1/25,加熱收縮率(1500℃×24h)≤2%,可廣泛應(yīng)用于工業(yè)窯爐內(nèi)襯絕熱,是高溫窯爐節(jié)能降耗的理想材料。1.3可節(jié)約煉焦余熱使用硅酸鋁纖維所謂全纖維型殼焙燒爐,是指在爐膛的爐墻、爐頂、爐門(mén)處均不用耐火磚砌筑,而是在鋼質(zhì)爐體骨架上直接鋪設(shè)硅酸鋁耐火纖維材料(高鋁纖維磚、毯、板)。據(jù)第一重型機(jī)器廠介紹:新建的1臺(tái)6m×17m全纖維爐與1臺(tái)6.8m×12m耐火磚砌筑爐比較,爐重減輕75%,鋼材節(jié)約40%,造價(jià)節(jié)省40%,節(jié)能效果達(dá)30%。目前國(guó)內(nèi)許多工廠已將硅酸鋁纖維裱貼于各種爐襯內(nèi)表面,不論是連續(xù)作業(yè)還是間歇式作業(yè),均可提高升溫速度、減少升溫時(shí)間,節(jié)能效果良好。例如:在電阻爐上應(yīng)用硅酸鋁纖維,可節(jié)能40%以上;在火焰爐上使用硅酸鋁纖維,可節(jié)能20%以上。一般裱貼厚度至少為10mm。東風(fēng)精密鑄造有限公司采用復(fù)合多層、全纖維噴涂爐襯結(jié)構(gòu)對(duì)貫通式連續(xù)焙燒爐進(jìn)行技術(shù)改造,從背火層到向火層依次采用普通硅酸鋁纖維、高鋁纖維、含鋯硅酸鋁纖維和多晶莫來(lái)石纖維,其中前3層的施工方式為纖維噴涂,向火面層的施工方式為鑲貼;窯車(chē)上表面采用高鋁纖維折疊塊組合,底部用普通硅酸鋁纖維氈填充;窯車(chē)上料盤(pán)下支架填充高鋁耐火纖維隔熱材料,窯車(chē)之間靠前后纖維面擠壓密封。改造后,爐體外表溫度從65℃降到45℃,爐子熱效率從10%以下提高到30%,每t鑄件的柴油消耗量從256kg降低到128kg。2用于高溫紅外涂料的應(yīng)用2.1阻燃涂層材料對(duì)于以輻射傳熱為主的工業(yè)爐,在爐襯表面應(yīng)用高溫紅外輻射涂料可提高爐內(nèi)參與輻射傳熱的物體表面輻射系數(shù),顯著改善爐內(nèi)傳熱過(guò)程,達(dá)到節(jié)能、增效的目的。紅外線通常是指波長(zhǎng)在2.5～1000.0μm范圍內(nèi)的電磁波,該電磁波能夠被物體吸收使物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生共振,從而使物體溫度上升。高溫紅外輻射節(jié)能涂料一般由輻射粉體基料、粘結(jié)劑和載液組成。輻射粉體基料提供高輻射性能,粘結(jié)劑使涂料牢固地粘結(jié)在基體表面。有時(shí)在涂料中還加入燒結(jié)劑,其目的是促進(jìn)涂料在高溫時(shí)的燒結(jié),提高涂層致密度和強(qiáng)度,改善涂料的輻射性能。中科院上海硅酸鹽研究所在國(guó)內(nèi)最早從事遠(yuǎn)紅外輻射涂料技術(shù)的研究和推廣,先后研制成功多種遠(yuǎn)紅外涂料。它們是具有選擇性輻射性能的涂料,可涂在金屬或陶瓷基體上,使用溫度范圍為60～1800℃,主要性能已達(dá)到同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。南京航空航天大學(xué)研制成功一種高溫紅外涂料,其輻射基材為Fe2O3和MnO2,并采用Co2O3、CuO、MnO為助燒劑。該涂料在沈陽(yáng)黎明公司一臺(tái)138kW的高溫電阻爐上應(yīng)用,空爐室溫升到1200℃的時(shí)間由14.0h縮短至6.5h,耗電由1932kWh降至897kWh,節(jié)電64%;在南京晨光兩臺(tái)75kW的臺(tái)車(chē)爐上使用,與舊爐相比節(jié)電57%。北京科技大學(xué)研制了BJ-Ⅰ紅外節(jié)能涂料。該涂料分別在加熱爐、陶瓷隧道窯等進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn),取得了良好效果,涂層發(fā)射率穩(wěn)定,節(jié)能達(dá)8%以上。武漢鋼鐵集團(tuán)以Fe2O3、CuO、MnO2、Co2O3、CeO等過(guò)渡金屬氧化物為主要原材料,選擇鋰輝石、堇青石為膨脹調(diào)節(jié)劑,采用SiO2溶膠、α-Al2O3微粉、Cr2O3微粉為結(jié)合劑,開(kāi)發(fā)了適應(yīng)鐵鉻鋁金屬基體和耐火材料基體的高抗熱震性紅外輻射涂料。該紅外輻射涂料在武鋼機(jī)械制造公司小型臺(tái)車(chē)式電加熱熱處理爐上的應(yīng)用表明,爐子升溫時(shí)間由原來(lái)的3.5h縮短為3.0h,即升溫時(shí)間縮短14.3%;在武鋼軋輥公司燃?xì)鉄崽幚頎t上應(yīng)用結(jié)果表明,節(jié)能率可達(dá)30%,還提高了爐襯表面的結(jié)合強(qiáng)度,改善了爐襯的表面抗沖刷能力,延長(zhǎng)了爐襯的使用壽命。2.2紅外復(fù)合爐襯紅外電阻爐具有節(jié)能、升溫速度快、爐溫均勻、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。紅外電阻爐的核心技術(shù)是以優(yōu)質(zhì)紅外輻射涂料為基礎(chǔ)的紅外電阻帶和紅外復(fù)合爐襯。紅外電阻帶是先把電阻帶彎曲成連續(xù)波紋形,再扭平并貼在爐襯內(nèi)表面,然后在電阻帶面向爐膛的表面涂上紅外輻射涂料。紅外復(fù)合爐襯是多層爐襯,在輕質(zhì)磚上內(nèi)貼一層陶瓷纖維,陶纖表面涂上紅外輻射涂料。紅外涂料除加強(qiáng)熱輻射外,還可提高陶纖的強(qiáng)度、耐火度,防止其粉化、焦化。紅外復(fù)合爐襯及紅外電阻帶結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。優(yōu)質(zhì)紅外涂料的熱輻射率高,熱吸收率也高,若直接涂在重質(zhì)耐火磚上,在加強(qiáng)輻射傳熱的同時(shí)也有增大爐襯對(duì)外散熱的負(fù)作用。如果爐壁用輕質(zhì)磚,再內(nèi)貼陶瓷纖維,紅外涂料涂在陶纖上,由于輕質(zhì)磚特別是陶纖的熱導(dǎo)率低,則涂料熱吸收率高導(dǎo)致對(duì)外散熱多的不利因素就會(huì)受到抑制。加熱元件本身工作溫度總是比工件爐壁溫度高,它只會(huì)發(fā)射熱,不會(huì)吸收熱,因而在加熱元件表面使用紅外涂料,只有積極作用。用紅外電阻爐焙燒型殼,除升溫快、溫度均勻以外,還可促進(jìn)水分揮發(fā)和粘結(jié)劑固化。這是因?yàn)榧t外電磁波的波長(zhǎng)與水分子振動(dòng)的波長(zhǎng)相近,會(huì)加強(qiáng)水分子振動(dòng),導(dǎo)致加速揮發(fā)。此外,紅外可以部分透入鑄型內(nèi)部,使鑄型表里受熱較為均勻,不致產(chǎn)生外表烤焦而內(nèi)部焙燒不足的現(xiàn)象。南京晨光機(jī)器廠的兩臺(tái)紅外臺(tái)車(chē)爐,輪流用于精鑄型殼的焙燒和鑄鋼件退火,兩年大修一次,不僅節(jié)能,而且顯著提高了生產(chǎn)率。3蓄熱式高溫氣候燃燒技術(shù)的應(yīng)用3.1蓄熱式高溫燃燒系統(tǒng)蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)(HighTemperatureAirCombustion,簡(jiǎn)稱(chēng)HTAC)是近年來(lái)熱工領(lǐng)域最令人矚目的新技術(shù)之一。該技術(shù)具有高效節(jié)能和低污染的雙重優(yōu)越性。蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)改變了傳統(tǒng)燃燒方式,主要表現(xiàn)為:空氣經(jīng)過(guò)陶瓷蜂窩體的助燃,被預(yù)熱至1000℃以上,以適當(dāng)?shù)乃俣葒娙霠t膛,在高速氣流卷吸、攪拌作用下與爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物混和,空氣中21%的氧被稀釋,在低氧濃度(最低5%～6.5%)流體中燃燒。高溫空氣燃燒技術(shù)與傳統(tǒng)燃燒技術(shù)的比較見(jiàn)表1。蓄熱式高溫空氣燃燒系統(tǒng)一般包括一對(duì)裝有蓄熱體的燃燒器和一套換向系統(tǒng)(包括換向閥及控制系統(tǒng))以及相關(guān)管路系統(tǒng),它周期性換向操作,是集燒嘴、蓄熱室、排煙器為一體,同時(shí)具備組織燃燒、空氣預(yù)熱、煙氣排放3種功能的燃燒系統(tǒng)。蓄熱式高溫空氣燃燒系統(tǒng)正常工作時(shí),兩只燃燒器分別處于兩種不同的工作狀態(tài)(即燃燒狀態(tài)或蓄熱狀態(tài))。工作原理見(jiàn)圖2。圖2中的狀態(tài)I,由鼓風(fēng)機(jī)供給的助燃空氣經(jīng)換向系統(tǒng)進(jìn)入右側(cè)蓄熱室。預(yù)熱后的空氣在燒嘴噴口處與燃料混合,并從噴口噴出燃燒。燃燒產(chǎn)物對(duì)爐內(nèi)物料加熱后進(jìn)入左側(cè)噴口,并通過(guò)左側(cè)蓄熱室進(jìn)行熱交換,將大部分熱量傳給左側(cè)蓄熱體后,以150℃左右的溫度進(jìn)入換向機(jī)構(gòu),然后經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣。0.5～3.0min后控制系統(tǒng)發(fā)出指令換向機(jī)構(gòu)動(dòng)作,系統(tǒng)變?yōu)閳D2狀態(tài)II,此時(shí)空氣通過(guò)左側(cè)蓄熱室在噴口處和燃料相遇并混合燃燒,這時(shí)右側(cè)噴口只作為煙道。在引風(fēng)機(jī)作用下,高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)右側(cè)熱蓄熱體排出,一個(gè)換向周期完成。周而復(fù)始,達(dá)到交替燃燒、蓄熱的目的。高溫空氣燃燒技術(shù)的節(jié)能作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①“極限”回收煙氣余熱,采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)可以將空氣溫度預(yù)熱到僅比爐膛溫度低50～100℃的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)所謂的“極限”回收;②低空氣系數(shù)燃燒,HTAC燒嘴使助燃空氣的預(yù)熱溫度達(dá)到燃料的著火點(diǎn)以上,燃料與高溫空氣接觸后便能迅速燃燒。另外,由于煙氣再循環(huán)使燃燒火焰體積成倍增大,燃料與助燃空氣的混合更為均勻,因此HTAC燒嘴在空氣系數(shù)接近1的情況下亦能完全燃燒;③爐膛溫度均勻,換熱效率提高,燃料在高溫低氧的狀態(tài)下燃燒,高溫爐氣充滿爐膛,爐內(nèi)溫度分布趨于均勻,溫度梯度僅為30～50℃,爐內(nèi)的輻射換熱也大大加強(qiáng);④降低氧化燒損,HTAC技術(shù)使燃料在低氧的氣氛下完成快速燃燒過(guò)程,這可降低工件的氧化燒損,起到直接節(jié)料、間接節(jié)能的作用。3.2焦?fàn)t爐殼技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)支出,直接或連續(xù)工業(yè)以提高能源效率為轉(zhuǎn)窯式煤氣型殼焙燒爐的爐內(nèi)轉(zhuǎn)盤(pán)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可使型殼進(jìn)入焙燒爐后經(jīng)過(guò)預(yù)熱、熱交換、焙燒等多段溫區(qū),避免了型殼的急熱。采用煤氣發(fā)生爐將煤轉(zhuǎn)化成煤氣,可提高能源利用率,降低成本和排放,降低能耗達(dá)到30%以上。轉(zhuǎn)窯式煤氣焙燒爐外殼采用鋼結(jié)構(gòu)焊接而成,爐膛由優(yōu)質(zhì)高鋁磚砌制,爐殼與爐膛之間加有優(yōu)質(zhì)高鋁巖棉作為保溫材料,爐體頂部亦鋪貼高鋁巖棉保溫材料,以防止散熱。爐門(mén)及其周邊采用耐熱材料,爐門(mén)內(nèi)填充高纖維材料,具有爐門(mén)不變形、隔熱密封效果好等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)窯式煤氣焙燒爐與蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的結(jié)合,從根本上提高了加熱爐的能源利用率,特別是對(duì)低熱值臟燃料(如臟煤氣)的合理利用,既減少了污染物(高爐煤氣)的排放,又節(jié)約了能源。另外,新的燃燒方式強(qiáng)化了加熱爐內(nèi)的爐氣循環(huán),使?fàn)t內(nèi)的溫度場(chǎng)均勻,提高了加熱質(zhì)量。采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的轉(zhuǎn)窯式煤氣焙燒爐焙燒型殼,噸鋼水耗煤在250kg以下,與傳統(tǒng)的箱式焙燒爐相比可節(jié)能60%以上?，F(xiàn)在絕大多數(shù)工廠使用的箱式爐,排煙溫度在900℃以上,而應(yīng)用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的轉(zhuǎn)窯式焙燒爐,其煙道排煙溫度<150℃。4黑基因發(fā)揮的節(jié)能作用當(dāng)前加熱爐領(lǐng)域都致力于發(fā)展輕質(zhì)保溫材料(其典型代表就是“全纖維爐”),認(rèn)為越輕越節(jié)能,實(shí)際并非完全如此。如果材料過(guò)輕,會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度、荷重軟化點(diǎn)等技術(shù)指標(biāo)不能匹配。因此爐襯材料輕型化是有限度的。如果在爐襯材料輕型化的基礎(chǔ)上采用“黑體”技術(shù),即在輕型化爐襯壓制成型、真空成型或澆注、搗打過(guò)程中,在其面向爐膛一側(cè)設(shè)置合適參數(shù)值的“黑體”元件,再經(jīng)適當(dāng)加工處理,可獲得新型的黑體爐襯。用這種黑體爐襯建造爐窯和改造現(xiàn)有爐窯,在各種爐窯特定的使用條件下,黑體元件均能發(fā)揮其優(yōu)異功能,實(shí)現(xiàn)爐窯“優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、環(huán)?！钡囊蟆Ｊ褂煤隗w爐襯材料可節(jié)能20%～30%。所謂“黑體”,是指能夠吸收輻射能的物體。理想黑體的吸收率和發(fā)射率均為1。成都某節(jié)能技術(shù)公司根據(jù)黑體理論,將黑體的概念加以技術(shù)化,制成集增大爐膛面積、提高爐膛黑度和增加輻照度于一體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)黑體元件,其黑度(全發(fā)射率)達(dá)到0.96(1078K)。黑體元件在爐膛內(nèi)以0.96的高吸收率,可迅速吸收射向它的漫散射狀的熱射線,自身熱量增加并積累后,溫度升高,隨即轉(zhuǎn)化成具有高發(fā)射功能的新“熱源”。黑體元件同樣又以0.96的比率,按設(shè)定的方向,定向地、不斷地向工件發(fā)射熱射線。就這樣,黑體元件將漫散射狀的熱射線從無(wú)序調(diào)控到有序,直接射向工件,提高了熱射線的到位率,使工件單位面積上吸收的輻射能增加,即輻照度增大,顯著減少熱量通過(guò)爐襯的蓄熱和散熱損失。采用黑體爐襯的各種加熱爐的使用效果如下:電阻爐、燃?xì)鉅t節(jié)能20%～