氮氫熱處理爐設備優化改造

陳長松

摘要：闡述了硅鋼設備熱處理加熱爐運行現狀，分析了導致設備工藝性能參數波動的原因，提出了解決優化思路，提高試驗的用氣控制精度，滿足不同工藝情況下試驗要求，為今后其他加熱爐提供借鑒。

關鍵詞：硅鋼熱處理爐；氣體保護；優化

中圖分類號：TG155.1

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）8015204

1加熱爐現狀

中試生產工藝流程為冶煉、鍛造、軋制、剪切、熱處理、加工試樣等，熱處理站現有幾臺不同型號試驗加熱爐，分別是成品爐、高溫爐、梯度爐、滲氮爐、燒結爐，主要是硅鋼中心生產試驗和汽車板、產品鋼科研試驗設備，熱處理加熱爐是科研試驗重要配套設施。

1.1硅鋼加熱爐的技術參數

工作電源： 380V，50Hz，設備總功率： 36kW，相數： 3相，控溫區數： 3區最高使用溫度：1200℃，使用氣體：N2、H2、NH3，加熱元件： 硅碳棒，加熱元件接法：Y/Δ，加熱元件規格：φ18×250×350，控溫方式：采用PID智能模糊控制，控溫精度可達±1℃，爐溫均勻性可達±5℃。

1.2加熱爐的工藝結構：

加熱爐的工藝流程結構如圖1所示。

2加熱爐目前主要問題

2.1加熱爐運行現狀

以高溫爐為例：爐體兩邊和爐口分別有氮氣、氫氣各一路入口管道，爐口氮氣一路封爐口、一路與氫氣混合燃燒，用氣量均采用閥門或氣瓶減壓閥調節。滲氮爐和梯度爐的用氣點與高溫爐多二路加濕氫氣入爐口。爐體布置通過加熱元件加溫，達到一定溫度后通入氮氣，控制其流量，通過熱電偶測定儀表測定溫度，爐溫達到試驗溫度時向爐膛通入氫氣，在上部點火管點燃明火燃燒，根據各試驗工藝不同，調整氮氣、氫氣或氨氣的用量，控制氣源控制精度波動，防止存在安全隱患。

2.2加熱爐的運行操作步驟

按工藝要求連接保護氣體、水冷系統管路；檢查確認排風系統、冷卻系統、送氣系統； 閉合控制柜各段開關，實施手動控制升溫，確認電壓表、電流表指示正常；按工藝規定調節控制儀表工作溫度和預報警溫度；升溫至300℃后，通入N2氣保護，N2流量為5～10 L/min，啟動水冷系統；爐溫升至控制工作溫度后用電位差計檢測爐溫準確性。

若工藝規定需加入H2時，應先將N2氣流量加大至≥15～30 L/min，清掃爐膛20 min后方可開啟H2氣瓶開關，然后適量減少N2流量；H2進入爐膛后，在點火嘴處點燃明火燃燒；按工藝規定調整N2、H2流量，N2、H2壓力應大于等于2倍大氣壓。

2. 3現有工藝與設備缺陷

（1）氣體流量控制經常憑經驗用閥門操作，致使科研試驗數據不準確。

（2）現場管道部分用膠皮管連接，一般使用一個月，多則三個月就出現老化斷裂，造成安全隱患。

（3）外網氮氣主管壓力為8 kPa，而加熱爐使用壓力為4 kPa，未安裝減壓設備使爐內混合氣體波動大，造成燃燒不充分，溫度不穩定。

（4）氫氣管道未采取防回火措施，操作不當容易出現爆燃事故。

（5）氣瓶室擺放不規范，未達到公司危險源管理要求。

（6）閥門控制使用頻率過高，閥門易損壞增加了備件費用成本。

（7）現場設備管路隨意鋪設，操作工器具隨意擺放不規范。

3改造應用實踐

3.1管網優化與布置

針對現場管道布局不規范，存在安全隱患，應采取以下步驟進行改造。

（1）選用材料比較好的不銹鋼管，進口主管采用焊接鋼管，閥門選用不銹鋼球閥。

（2）氮氣根據使用純度和壓力，分別布置管道氣、瓶裝氣管道接入爐口，并在入口處加裝減壓器，使壓力保持在4 kPa左右。

（3）增設新型氫氣加濕機，滿足工藝條件要求。

（4）氫氣管道根據使用工藝不同，在入口處安置氫氣防回火裝置。

（5）在每臺爐體下布置氣體匯流排，選用701HB型玻璃轉子流量計，對不同流量通過閥門控制分別安裝高低流量計。

（6）在滲氮爐爐口加裝快速加熱裝置。

（7）增設氫氣、氮氣固定報警器。

（8）在爐體下部焊接支架擺放取試樣的導管架。

管路布置如圖2所示。

3.5安裝故障狀態下的氮氣自動吹掃裝置

成品退火爐是常用的可控氣氛爐，主要做光亮退火、高溫退火等各種熱處理試驗，以N2、H2O、H2作為保護氣氛，但是目前該爐流量計失靈、爐膛漏氣、設備跳閘等故障頻繁發生，如果在做含H2保護氣氛試驗時，發生爐膛漏氣或者設備短路跳閘等故障，勢必會導致爐壓下降，空氣吸入爐內，這時易發生爐膛氧化及氫氣爆炸事故，存在較大安全隱患。如果在發生上述故障時，自動向爐內輸送氮氣進行吹掃，那樣不僅可以保護爐膛不被氧化，而且還消除了氫氣爆炸事故的隱患，因此設計一種故障狀態下氮氣自動吹掃裝置是非常有必要的。其示意圖與電路原理圖分別如圖4、圖5所示。

4效果與效益

4.1加熱爐的運行操作步驟

對硅鋼熱處理滲氮爐進行加裝快速加熱段的改造。改造后的快速加熱脫碳/滲氮退火爐，滿足快速加熱工藝研究的需要，同時也不影響原脫碳/滲氮試驗的單獨進行。

5節約成本

根據2007年與2008年設備能源介質使用統計：氫氣為146×30×22×20%=19272元，氮氣為67×50×22=14740元，月節約用氣成本34012元，年可節約用氣成本40.8144萬元，其中還不包括備件材料維護、運輸費約60000元/年。

6結語

通過改造現場管道布局大為改善規范了管理，提高試驗的用氣控制精度，滿足不同工藝試驗要求。設備故障時自動通入氮氣吹掃保護爐膛不氧化提高了安全使用，同時消除氫氣爆炸隱患，避免了安全事故發生。減少能源介質消耗量，節約備件材料維護成本費用，提高硅鋼熱處理科研保障水平。

參考文獻：

[1]

武美林.熱處理手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]包耳.真空熱處理[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2002.

[3]胡憶偽， 魯國良.管工[M].北京：化學工業出版社，2000.

[4]呂佐周， 王光輝.燃氣工程[M].北京：冶金工業出版社，1999.

[5]陳甘棠.化學反應工程[M].北京：化學工業出版社，1995.

[6]譚天恩， 麥本熙， 丁惠華.化工原理[M].北京：化學工業出版社，2000.