工業窯爐的創造和發展對人類進步起著十分重要的作用。中國在商代出現了較為完善的煉銅窯爐,窯爐溫達到1200℃,窯爐子內徑達0.8米。在春秋戰國時期,人們在熔銅窯爐的基礎上進一步掌握了提高窯爐溫的技術,從而生產出了鑄鐵。
1794年,世界上出現了熔煉鑄鐵的直筒形衝天窯爐。後到1864年,法國人馬丁運用英國人西門子的蓄熱式窯爐原理,建造了用氣體燃料加熱的第一台鍊鋼平窯爐。他利用蓄熱室對空氣和煤氣進行高溫預熱,從而保證了鍊鋼所需的1600℃以上的溫度。1900年前後,電能供應逐漸充足,開始使用各種電阻窯爐、電弧窯爐和有芯感應窯爐。
二十世紀50年代,無芯感應窯爐得到迅速發展。後來又出現了電子束窯爐,利用電子束來衝擊固態燃料,能強化表面加熱和熔化高熔點的材料。
用於鍛造加熱的窯爐子最早是手鍛窯爐,其工作空間是一個凹形槽,槽內填入煤炭,燃燒用的空氣由槽的下部供入,工件埋在煤炭里加熱。這種窯爐子的熱效率很低,加熱質量也不好,而且只能加熱小型工件,以後發展為用耐火磚砌成的半封閉或全封閉窯爐膛的室式窯爐,可以用煤,煤氣或油作為燃料,也可用電作為熱源,工件放在窯爐膛里加熱。
為便於加熱大型工件,又出現了適於加熱鋼錠和大鋼坯的台車式窯爐,為了加熱長形桿件還出現了井式窯爐。20世紀20年代后又出現了能夠提高窯爐子生產率和改善勞動條件的各種機械化、自動化窯爐型。
工業窯爐的燃料也隨著燃料資源的開發和燃料轉換技術的進步,而由採用塊煤、焦炭、煤粉等固體燃料逐步改用發生窯爐煤氣、城市煤氣、天然氣、柴油、燃料油等氣體和液體燃料,並且研製出了與所用燃料相適應的各種燃燒裝置。
工業窯爐的結構、加熱工藝、溫度控制和窯爐內氣氛等,都會直接影響加工后的產品質量。在鍛造加熱窯爐內,提高金屬的加熱溫度,可以降低變形阻力,但溫度過高會引起晶粒長大、氧化或過燒,嚴重影響工件質量。在熱處理過程中,如果把鋼加熱到臨界溫度以上的某一點,然後突然冷卻,就能提高鋼的硬度和強度;如果加熱到臨界溫度以下的某一點后緩慢冷卻,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到保護模具、減少加工余量等目的,可以採用各種少無氧化加熱窯爐。在敞焰的少無氧化加熱窯爐內,利用燃料的不完全燃燒產生還原性氣體,在其中加熱工件可使氧化燒損率降低到0.3%以下。
可控氣氛窯爐是使用人工製備的氣氛,通入窯爐內可進行氣體滲碳、碳氮共滲、光亮淬火、正火、退火等熱處理:以達到改變金相組織、提高工件機械性能的目的。在流動粒子窯爐中,利用燃料的燃燒氣體,或外部施加的其他流化劑,強行流過窯爐床上的石墨粒子或其他惰性粒子層,工件埋在粒子層中能實現強化加熱,也可進行滲碳、氮化等各種無氧化加熱。在鹽浴窯爐內,用熔融的鹽液作為加熱介質,可防止工件氧化和脫碳。
在衝天窯爐內熔煉鑄鐵,往往受到焦炭質量、送風方式、窯爐料情況和空氣溫度等條件的影響,使熔煉過程難於穩定,不易獲得優質鐵水。熱風衝天窯爐能有效地提高鐵水溫度、減少合金燒損、降低鐵水氧化率,從而能生產出高級鑄鐵。
隨著無芯感應窯爐的出現,衝天窯爐有逐步被取代的趨勢。這種感應窯爐的熔煉工作不受任何鑄鐵等級的限制,能夠從熔煉一種等級的鑄鐵,很快轉換到熔煉另一種等級的鑄鐵,有利於提高鐵水的質量。一些特種合金鋼,如超低碳不鏽鋼以及軋輥和汽輪機轉子等用的鋼,需要將平窯爐或一般電弧窯爐熔煉出的鋼水,在精鍊窯爐內通過真空除氣和氬氣攪動去雜,進一步精鍊出高純度、大容量的優質鋼水。
火焰窯爐的燃料來源廣,價格低,便於因地制宜採取不同的結構,有利於降低生產費用,但火焰窯爐難於實現精確控制,對環境污染嚴重,熱效率較低。電窯爐的特點是窯爐溫均勻和便於實現自動控制,加熱質量好。按能量轉換方式,電窯爐又可分為電阻窯爐、感應窯爐和電弧窯爐。 以單位時間單位窯爐底面積計算的窯爐子加熱能力稱為窯爐子生產率。
燃氣為液化氣,天然氣,焦窯爐煤氣,城市煤氣,轉窯爐煤氣,混合煤氣,發生窯爐煤氣,高窯爐煤氣等。工業窯爐是在工業生產中,利用燃料燃燒或電能轉化的熱量,將物料或工件加熱的熱工設備。廣義地說,鍋窯爐也是一種工業窯爐,但習慣上人們不把它包括在工業窯爐範圍內在鑄造車間,有熔煉金屬的衝天窯爐、感應窯爐、電阻窯爐、電弧窯爐、真空窯爐、平窯爐、坩堝窯爐等;有烘烤砂型的砂型乾燥窯爐、鐵合金烘窯爐和鑄件退火窯爐等;在鍛壓車間,有對鋼錠或鋼坯進行鍛前加熱的各種加熱窯爐,和鍛后消除應力的熱處理窯爐;在金屬熱處理車間,有改善工件機械性能的各種退火、正火、淬火和回火的熱處理窯爐;在焊接車間,有焊件的焊前預熱窯爐和焊后回火窯爐;在粉末冶金車間有燒結金屬的加熱窯爐等。
應用其他工業,如冶金工業的金屬熔煉窯爐、礦石燒結窯爐和煉焦窯爐;石油工業的蒸餾窯爐和裂化窯爐;煤氣工業的發生窯爐;硅酸鹽工業的水泥窯和玻璃熔化、玻璃退火窯爐;食品工業的烘烤窯爐等。
工業窯爐按熱工制度又可分為兩類:一類是間斷式窯爐又稱周期式窯爐,其特點是窯爐子間斷生產,在每一加熱周期內窯爐溫是變化的,如室式窯爐、台車式窯爐、井式窯爐等;第二類是連續式窯爐,其特點是窯爐子連續生產,窯爐膛內劃分溫度區段。在加熱過程中每一區段的溫度是不變的,工件由低溫的預熱區逐步進入高溫的加熱區,如連續式加熱窯爐和熱處理窯爐、環形窯爐、步進式窯爐、振底式窯爐等。
燃氣工業窯爐工業窯爐按供熱方式分為兩類:一類是火焰窯爐(或稱燃料窯爐),用固體、液體或氣體燃料在窯爐內的燃燒熱量對工件進行加熱;第二類是電窯爐,在窯爐內將電能轉化為熱量進行加熱。
膛式火焰窯爐膛式火焰窯爐的工作室叫做窯爐膛,由窯爐底、窯爐牆和窯爐頂組成。用作或時,窯爐底的結構有多種型式,並可按窯爐底結構稱為車底窯爐、推料式窯爐、步進窯爐、輥底窯爐、鏈式窯爐、環形窯爐等。熔煉用火焰窯爐(如、煉銅)的窯爐底是凹下的熔池,用以存放熔融金屬。熔池的形狀,呈長方形、圓形或橢圓形。熔池底部有液體金屬的排出口。窯爐牆上有窯爐門、窺視孔、出渣口等。窯爐頂結構有拱頂和吊頂兩種;前者用於寬度較小的窯爐子,後者用於較寬的窯爐子。在高溫火焰窯爐上,火焰直接進入窯爐膛。如以塊煤為燃料,則需單獨設置固體燃料的燃燒室,火焰翻過火口進入窯爐膛。如以粉煤、煤氣或燃料油為燃料,則需用燃燒器。
迴轉窯爐迴轉窯爐或稱迴轉窯,在冶金工業中用於鐵礦石的直接還原、氧化鋁礦物的焙燒、粘土礦物的焙燒,以及各種散狀原料的焙燒揮發、離析和乾燥作業。迴轉窯爐的窯爐體呈圓筒形,用厚鋼板製成,筒內襯以耐火材料。窯爐體橫架在支座的滾輪上,稍傾斜(4~6%)。窯爐體長度與直徑之比在12:1到30:1之間。操作時窯爐體勻速轉動。由於窯爐體的傾斜和轉動,窯爐料由高處逐漸移向低處。窯爐料在運動過程中逐漸升溫,並依次發生物理、化學變化。迴轉窯爐的溫度一般控制在窯爐料熔點以下。
電窯爐電窯爐利用電熱效應供熱的冶金窯爐—神光電窯爐。電窯爐設備通常是成套的,包括電窯爐窯爐體,電力設備(電窯爐變壓器、整流器、變頻器等),開閉器,附屬輔助電器(阻流器、補償電容等),真空設備,檢測控制儀錶(電工儀錶、熱工儀錶等),自動調節系統,窯爐用機械設備(進出料機械、窯爐體傾轉裝置等)。大型電窯爐的電力設備和檢測控制儀錶等一般集中在電窯爐供電室。同燃料窯爐比較,電窯爐的優點有:窯爐內氣氛容易控制,甚至可抽成真空;物料加熱快,加熱溫度高,溫度容易控制;生產過程較易實現機械化和自動化;勞動衛生條件好;熱效率高;產品質量好等。
工業窯爐以單位時間單位窯爐底面積計算的窯爐子加熱能力稱為窯爐子生產率。窯爐子升溫速度越快、窯爐子裝載量越大,則窯爐子生產率越高。在一般情況下,窯爐子生產率越高,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,應該滿負荷生產,盡量提高窯爐子生產率,同時對燃燒裝置實行燃料與助燃空氣的自動比例調節,以防止空氣量過剩或不足。此外,還要減少窯爐牆蓄熱和散熱損失、水冷構件熱損失、各種開口的輻射熱損失、離窯爐煙氣帶走的熱損失等。
金屬或物料加熱時吸收的熱量與供入窯爐內的熱量之比,稱為窯爐子熱效率。連續式窯爐比間斷式窯爐的熱效率高,因為連續式窯爐的生產率高,而且是不間斷工作的,窯爐子熱制度處於穩定狀態,沒有周期性的窯爐牆蓄熱損失,還由於窯爐膛內部有一個預熱窯爐料的區段,煙氣部分餘熱為入窯爐的冷工件所吸收,降低了離窯爐煙氣的溫度。
提高窯爐子熱效率的基本措施是:充分提高燃燒效率,強化對工件的傳熱 ;儘可能地連續生產和滿負荷工作;設置預熱器,對空氣及煤氣進行預熱,以回收煙氣餘熱;採用比熱容和熱導率低的耐火材料,以減少窯爐牆蓄熱和散熱損失。
為了使窯爐溫恆定和實現規定的升溫速度,除必須根據工藝要求、預熱器和窯爐用機械型式、燃料和燃燒裝置類別、工業窯爐排煙方式等確定優良的窯爐型結構外,還需要對燃料和助燃空氣的流量和壓力,或對電功率等可控變數通過各種控制單元進行相互調節,以實現窯爐溫、窯爐氣氛或窯爐壓的自動控制。
高檔工業產品對窯爐內溫度場的均勻性要求較高,對燃燒氣氛的穩定可控性要求較高,使用傳統的連續燃燒控制無法實現。隨著寬斷面、大容量的工業窯爐的出現,必須採用脈衝燃燒控制技術才能控制窯爐內溫度場的均勻性。窯爐高溫漆是把常耐溫要達到窯爐高溫,耐溫度要提高到1800℃,耐溫高,塗層工作穩定,高溫耐火防腐防氧化,耐火隔熱保溫節能,工業生產窯爐持續耐磨抗衝擊,具體高溫漆如下: 窯爐耐高溫隔熱保溫漆,採用志盛威華特製高溫溶液,耐溫可以達到1800℃,可以直接面對火焰長時間燒烤,隔熱保溫率極佳,塗層導熱係數都只有0.03W/m.K,能有效抑制並屏蔽紅外線的輻射熱和熱量的傳導,隔熱保溫抑制效率可達90%左右,可抑制高溫物體的熱輻射和熱量的傳導散失,絕緣、耐壓、固化后可再加工,塗刷不規則物體方便,志盛威華功能塗料直接塗刷在物體上幾個毫米即可。 窯爐耐高溫防腐漆,耐溫可達到1700℃,功能塗料可以在高溫氣體(煙氣)、火中、高溫液體(海水、污水)環境中保護基體耐防腐、抗氧化、封閉保護等作用,志盛功能塗料塗層穩定性高耐磨,在高溫環境下會與其他活性分子反應,使用壽命長。 窯爐耐磨防水漆,耐溫可達600℃,主要成分是純剛玉,其常溫下強度可達210Mpa以上,志盛威華塗料功能塗料可以薄層塗刷,可用工業、冶金、礦山、建築、交通、醫藥、輕工等上的汽蝕摩擦不粘、硬度摩擦不粘、撞擊摩擦不粘,另外功能塗料耐酸鹼、防水、附著力好、施工方便。 窯爐耐高溫封閉漆,耐溫到1700℃,防水封閉性能好,塗刷方便,使用壽命長,耐酸鹼、抗老化、自潔、耐磨,可以很好的保持基體不被水、液體、汽侵蝕,延長基體的使用壽命,志盛威華塗料高溫封閉功能塗料可以直接塗刷在高溫煙道、煙囪、混凝土、各種金屬、纖維面、保溫磚等上。 窯爐煙氣防腐漆,可以長效防腐:極好的耐蝕性,抗煙氣中H2S等介質腐蝕。和傳統的玻璃鱗片防腐功能塗料有更好的延展性和牢固的附著力。超強的附著力:塗層與基體結合力極強,功能塗料組合物中含有的金屬氧化物納米材料和稀土氧化物超微粉體,幫助塗層形成一個緻密的界面過渡層,使其綜合熱力學性質與基體相匹配。耐高溫:本產品的基料和填料均有耐高溫的無機材料組成,志盛威華塗料的煙氣防腐功能塗料耐熱600℃。 窯爐耐高溫透明防腐隔熱漆採用高純度硅酸鹽溶液,加如超微無機金屬氧化物精細加工而組成,耐溫可達1700℃,功能塗料完全透明,在常溫和高溫下無任何揮發性氣味,志盛威華功能塗料塗刷后塗膜影不響物體的本來顏色,功能塗料塗刷在無機的材質基體上,能與物體表面形成互穿網路結構,附著力好,透明功能塗料具有一定的隔熱、阻燃、防氧化、防腐的保護作用,延長基體的使用壽命,節能環保。 窯爐耐高溫遠紅外輻射漆是一種耐高溫(溫度可以達到1700℃)、強輻射率(0.95)、耐蝕性和高耐磨性的特種功能節能功能塗料,通過志盛威華功能塗料塗層紅外輻射,改善爐內熱交換、提高爐膛內溫度場強及均勻性、使燃料燃燒更充分,達到增加熱效率,大大提高耐火材料熱效率,減少能耗、節約能源和延長爐體內襯使用年限。窯爐耐高溫無機粘漆是北京志盛威華塗料獨立研究開發,擁有自己知識產權的新型產品,耐溫可以達到1800℃,志盛威華耐高溫無機粘合劑粘結力強且對金屬基體無腐蝕性,而且可以再高溫下保持良好的粘接性能和抗腐蝕性,使用壽命長。窯爐耐高溫陶瓷絕緣漆,耐溫可以達到1700℃,能承受較強電場而不被擊穿的陶瓷塗層。志盛威華高溫絕緣塗料塗層具有較高的機械強度和良好的化學穩定性,能耐老化,耐水,耐化學腐蝕;同時還具有耐機械衝擊和熱衝擊性能。
脈衝燃燒控制採用的是一種間斷燃燒的方式,使用脈寬調製技術,通過調節燃燒時間的占空比(通斷比)實現窯窯爐的溫度控制。燃料流量可通過壓力調整預先設定,燒嘴一旦工作,就處於滿負荷狀態,保證燒嘴燃燒時的燃氣出口速度不變。當需要升溫時,燒嘴燃燒時間加長,間斷時間減小;需要降溫時,燒嘴燃燒時間減小,間斷時間加長。脈衝燃燒控制的主要優點為傳熱效率高,大大降低能耗。可提高窯爐內溫度場的均勻性。無需在線調整,即可實現燃燒氣氛的精確控制。可提高燒嘴的負荷調節比。系統簡單可靠,造價低。減少NOx的生成。普通燒嘴的調節比一般為1:4左右,當燒嘴在滿負荷工作時,燃氣流速、火焰形狀、熱效率均可達到最佳狀態,但當燒嘴流量接近其最小流量時,熱負荷最小,燃氣流速大大降低,火焰形狀達不到要求,熱效率急劇下降,高速燒嘴工作在滿負荷流量50%以下時,上述各項指標距設計要求就有了較大的差距。
脈衝燃燒則不然,無論在何種情況下,燒嘴只有兩種工作狀態,一種是滿負荷工作,另一種是不工作,只是通過調整兩種狀態的時間比進行溫度調節,所以採用脈衝燃燒可彌補燒嘴調節比低的缺陷,需要低溫控制時仍能保證燒嘴工作在最佳燃燒狀態。在使用高速燒嘴時,燃氣噴出速度快,使周圍形成負壓,將大量窯內煙氣吸人主燃氣內,進行充分攪拌混合,延長了煙氣在窯內的滯流時間,增加了煙氣與製品的接觸時間,從而提高了對流傳熱效率,另外,窯內煙氣與燃氣充分攪拌混合,使燃氣溫度與窯內煙氣溫度接近,提高窯內溫度場的均勻性,減少高溫燃氣對被加熱體的直接熱衝擊。
工業窯爐行業中普及脈衝燃燒控制技術,由高速燃燒器和工業窯爐控制系統兩部分組成,採用脈衝燃燒技術來完成工業窯爐的升溫、控溫。對於燃氣窯窯爐內部溫度場和溫度波動力±2°C,對於燃油(柴油)窯窯爐內部溫度場和溫度波動為±3°C,在使用重柴油為燃料的窯窯爐上效果良好。普通燃燒器當窯窯爐內部溫度低於燃料自燃溫度時,燃燒器燃料間斷後火焰立即熄滅,無法繼續燃燒,對窯爐內溫度不會產生影響,解決了熄火這一問題,並採用當今最先進的霧化技術——氣泡霧化技術,使燃燒器的霧化效果更好、霧化介質使用量更少,原來燒輕柴油的窯窯爐現可燒重柴油。
在實際應用過程中,採用普通的脈寬調製的方法調節燃燒占空比時,當占空比接近0%或100%時,間斷或燃燒的時間太短,現場的運行效果不理想,於是我們引人了最小時間這一概念,將間斷和燃燒的最小時間定為3秒,當占空比接近0%或100%時,延長相應的燃燒和間斷時間即可解決這一問題。脈衝燃燒作為一項新技術有著廣闊的應用前景,可廣泛應用於陶瓷、冶金、石化等行業,對提高產品質量、降低燃耗、減少污染將發揮重大作用,是工業窯爐行業自動控制的一次革新,將成為未來工業窯爐燃燒技術的發展方向。
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