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1.前言
热处理炉是完成各种工件的热处理工艺过程所用的热处理设备。广泛应用于各种金属材料和零部件的退火、回火、淬火、正火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等的热处理。
随着现代科技和工业的发展，对金属材料和零部件的性能要求越来越高，不仅是对工件内部的金相组织，而且对工件表面的质量和变形程度均有较高的要求。而热处理是保证金属材料和零部件性能的最后一道工序，并且是关键的工序。热处理设备是保证各种热处理工艺实施和热处理质量的关键。
热处理过程一般分为三个阶段，即加热、保温、和冷却。为了确保产品的热处理质量，通常要求炉内温度分布均匀，工件保温结束时，工件各部分的温度应基本一致，因此要求炉内各处温差应小于5-8℃。同时，由于在热处理的加热和保温过程中要消耗大量的能源，且要占用很多的时间，因而，如何降低能源消耗，提高加热速度，减少炉内各处温差是当前国内外热处理炉领域研究的重点。
2.热处理炉的节能研究
2.1.1 炉衬材料的改进
目前我国绝大多数热处理炉处于二十世纪六七十年代的水平，主要表现为炉型落后，能源利用率低，燃料消耗高，炉子热效率一般低于10%，产品热处理成本高，炉温均匀性差，热处理产品质量得不到保证。因此节能改造势在必行。
硅酸铝纤维又称陶瓷纤维，是一种人造无机非金属纤维材料，是一种高效节能耐火材料。它根据使用温度的不同分为普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维和多晶莫来石硅酸铝纤维。在20世纪60年代美国首先在加热炉上使用，由于其卓越的性能，各先进国家都纷纷研制使用，我国在70年代研制、80年代应用、90年代得到较广泛的推广使用，目前已经在热处理炉上被广泛应用，在技术上已完全成熟可靠。近几年来我厂投入较多的人力和财力开发全纤维炉衬，克服了目前国内外硅酸铝纤维炉衬所存在的各种缺陷，并在炉体结构和炉体密封技术上进行研究和改进，取得了较好的效果。实践证明这种新型、轻质、耐火、隔热材料在工业炉上使用具有如下十大优点：
（1）比重轻
传统的耐火粘土砖的比重为2100Kg/m3，而耐火纤维毯的比重为128Kg/m3，仅为传统耐火粘土砖的6.1%, 当组成炉墙时, 若都按1平方米计算，则全纤维炉墙的重量仅为传统耐火粘土砖炉墙的5.7%。
（2）蓄热损失小
1平方米全纤维炉墙的蓄热损失为17261.6KJ/m2，而1平方米传统耐火粘土砖炉墙损失为453633KJ/m2，即全纤维炉墙的蓄热损失仅为传统耐火粘土砖炉墙的3.8%。
（3）散热损失小
1平方米全纤维炉墙的散热损失为955KJ/m2，而1平方米传统耐火粘土砖炉墙的散热损失为：1707.1KJ/m2，,则全纤维炉墙的散热损失为传统耐火粘土砖炉墙的55.9%。
（4）节能效果好
由于全纤维炉衬的比重轻、隔热效果好，因此其蓄热损失和散热损失明显地低于传统的耐火粘土砖炉墙，经众多用户的实际测定，全纤维炉墙比传统的耐火粘土砖炉墙相比其节能率为20~35%左右。全年的节能费用相当可贵。
（5）对环境污染少
对于燃油加热炉因采用全纤维炉墙比传统砖体结构炉墙节约燃油20～35％。对于一台平均耗油量为50Kg/h的燃油加热炉其全年排放的烟气量可减少（每公斤柴油燃烧后可产生的烟气量为12.5Nm3/Kg）：50Kg/h×（20%~35%）×4000h×12.5Nm3/Kg=500000~875000Nm3。
（6）使用寿命长
全纤维炉墙的热稳定好，能抗急热急冷，设计全纤维炉墙可不考虑应力影响，我厂采用的全纤维炉墙是整体结构，其牢固度和隔热性能更好。
砖体结构炉墙有众多砖缝，经多次热胀冷缩后，砖缝扩大，不仅散热加大，而且破坏了炉墙壁的整体性，使用寿命下降，因此全纤维炉墙的使用寿命比砖体结构炉墙长，我厂已向用户承诺全纤维炉墙的自然寿命大于5年以上。
（7）炉体结构轻巧
由于全纤维炉墙的比重很轻，加热和冷却时炉墙不受热应力和外加胀力，因此全纤维炉墙的炉衬和钢结构要比砖体炉墙轻巧得多，我厂制造的功率为60~880KW的炉体移动式电阻炉，由于采用全纤维炉墙，其炉体采用手摇机构即能巧地移动炉体。
（8）加热冷却速度快(台车炉炉门打开、台车开出)
全纤维炉墙比重轻、蓄热损失小，因此加热速度快，热效率高。由于其冷却速度也较快，因此对于像轧辊和高合金钢淬火后需及时回火的零件可以省去一台回火炉。全纤维炉墙从850~1000℃温度冷至200~300℃只需0.5~1小时，而砖体炉墙需要8~12小时以上。
（9）炉子密封性好
整体结构的全纤维炉衬透气阻力大，其密封性比砂封还要好，全纤维炉墙炉子的各相对移动部位（炉门与门框、台车与炉体）采用软密封结构，使其密封可靠，有效地防止炉体热量和烟气外溢，可提高炉温均匀性，节约燃料，延长炉子使用寿命，改善操作环境
（10）检修简易方便
耐火纤维质地柔软，可加工性好，因此全纤维炉墙的检修也非常简易方便。只要对加热炉操作工稍加培训指导，即可进行检修，不需要专门的筑炉工。全纤维炉墙工业炉是21世纪优质、高效、低耗、长寿、清洁灵活的工业炉设备，被国外誉为“工业炉结构的巨大革命”。
2.1.2 炉体结构的改进
在炉体结构和炉体密封技术上我公司研究开发了复合大模块组合结构和吊挂铆固技术，即在炉衬低温段平铺20mm厚普通型硅酸铝纤维作为保温层，在炉衬高温段铺设240或300mm高温型硅酸铝纤维模块作为耐火层。这种复合大模块组合结构有利于提高炉衬的绝热性和气密性，减少热短路，耐气流冲刷，在炉温状态下可耐60m/S的高速冲刷，降低了施工周期，并能有效地保证纤维与钢结构之间的连接强度，提高炉衬的使用寿命。
2.1.3 炉体密封机构的改进
2.1.3.1 台车两侧与炉体
由于台车与炉体之间有相对运动，所以采用的密封方式必须简单、可靠，即能保证使用性能，又便于维护。我公司开发了新型密封结构，改变了传统的砂封方式，提高了热处理炉的密封性能。
2.1.3.2 台车后端与炉体
在炉子后端设置软密封快，靠弹簧作用来实现与炉子台车后端的密封。因动力来自台车，所以其简单、实用、可靠。
3. 改造后的热处理炉使用效果
炉子热平衡表明，间歇式砖体热处理炉的蓄散热埙失占总供热的25%-35%，而炉体的蓄散热与炉衬的重量及绝热性能成正比关系，硅酸铝耐火纤维不仅导热系数低，而且容量轻，纤维炉衬仅为砖体炉衬的1/25-1/30。因此，纤维炉衬能大幅度地降低炉子的蓄散热埙失，节能效果显著，一般地说，与砖体炉子相比可以节能20%-25%，在对耐火纤维材质选择正确和合理的炉衬结构的前提下，热孝率可提高到30%-40%。热处理炉的炉衬由于炉衬轻，热容量小，炉子升温快，有利于缩短操作周期，提高炉子作业率和热效率，使炉子同时获得节能、增产的效果。例如：
（1）对于一台中型的燃油加热炉，当采用传统耐火粘土砖炉墙时的平均耗油量为50Kg/h。而采用全纤维炉墙时的平均耗油量为40Kg/h，假定该炉子全年的使用时间为4000小时，轻柴油的单价为3元/Kg，则全年的节油费为：（50-40）Kg/h×3元/Kg=120000元/年。
（2）对一台平均耗电为100KW的砖体结构电阻炉改为全纤维炉墙后其全年的节电费为（电费单价为0.7元/度）100KW×20%×4000h/年×0.7元/KW-h=56000元/年，因此用户采用全纤维炉墙的投资回报率是很高的。
同时由于炉衬轻，无拱顶推力，故骨架负荷大大减少，可节约建炉钢材1/3左右，且可简化炉体基础。
目前我公司已为用户制造了几百台全纤维炉子，产品分布在全国各地，经用户使用证明，其热效率可比单耗达到一等或特等炉标准的热处理炉在满载正常工作时高，热效率在35%以上，与传统炉子相比，综合节能在30%以上。
4.结论
采用硅酸铝纤维改造热处理炉具有比重轻、蓄热损失小 、散热损失小、节能效果好 、对环境污染少 、使用寿命长、炉体结构轻巧、加热冷却速度快 、炉子密封性好、检修简易方便等优点，热效率在35%以上。与传统炉子相比，降低了能源消耗，综合节能可达30%以上，从而极大的提高了生产效率，节省了设备投资。这将从根本上降低热处理成本，同时，也将全面提高热处理产品的质量。
全纤维炉墙工业炉是21世纪优质、高效、低耗、长寿、清洁灵活的工业炉设备，被国外誉为“工业炉结构的巨大革命”。加强其技术的研究和开发，对促进我国热处理炉的发展，降低热处理行业的能源消耗，提高产品质量具有重要的意义。
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