井式电阻炉的节能设计要点分析

　　摘要：现阶段，随着社会经济的不断发展，井式电阻炉得到了广泛的应用，因此，文章重点分析了井式电阻炉结构、炉内内衬、热循环系统等设计要点，以此来提高井式电阻炉在运行中的节能效果，使企业实现更好的经济效益。

　　关键词：井式电阻炉;节能;设计;要点

　　1.炉体结构和炉膛形式

　　通常，使用圆炉对方炉进行替换，与方形炉相比，相同容量的圆形炉可将炉体表面积降低18%左右，并相应减少炉体表面积的热量损失。在设计圆形炉时，炉内壁中会均匀分布着电热元件，待加工的工件置于中心，循环风扇置于中间，热量会在工件周围一直循环。为使工件与热量之间的对流交换热效率得到提高，可以改变这种设计结构，将炉内结构改进成马弗膛结构，这样可以使炉内热循环速度加快，从而使工件的热交换面积得到增加，最终达到提高温度传热效率的目的。

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　　在设计此结构时，当具备较高热量的循环介质通过工件时，热量会瞬间被工件吸收，此时，低热量介质通过马弗膛结构慢慢循环至电热元件的侧面。由电热元件产生的高热和低热介质开始慢慢传递热量，介质开始升温，升温的介质在循环风扇的推动下，慢慢循环至工件的侧面，工件再次吸收热量，这样的循环工作，可以使对流传热速度加快，将加工的工件温度均匀迅速加热至设定温度。

　　2.炉内耐火材料设计

　　耐火砖和不定形耐火浇注料具有较高的导热系数。因材料自身的特性，在施工过程中必须由专业施工人员完成砌筑工作，并由专业管理人员完成管理，导致会花费大量成本费用。在设计和生产中，应按照井式电阻炉的不同工作温度，来合理选择材料，通常，矿棉和硅酸铝纤维产品被广泛应用，因为它们具备轻盈、耐高温、低导热率等优点。

　　硅酸铝产品主要的成分是氧化铝，也是陶瓷的主要成分，也被常叫做陶瓷纤维。如果将氧化锆或氧化铬添加至陶瓷纤维中，可以提升陶瓷纤维的性能。国外在设计电阻炉内衬时，普遍使用的是一种复合材料，这种材料由陶瓷纤维和矿物岩棉组成，使用这种材料的好处是可以使炉体重量得到减轻，并降低劳动力，同时还可以使保温能力得到提升，将热量损失降至最低。现阶段，随着科学技术的发展，研发出一种纳米微孔绝热材料，这种材料中含有无机纳米级耐火粉，从而形成纳米级微小气孔，具备低导热系数的特点，此材料间的接触非常小，而且接触形式为点接触，具备较大的热阻，从而使材料传导效应变小。在对流传热过程中，纳米颗粒之间会形成较大数量的纳米级孔，纳米孔的平均尺寸为20nm，平均在常温下静止空气分子的热运动自由程是50nm左右，从而将空气分子在纳米孔内锁定，使静止空气分子间的对流传热能力基本丧失，进一步降低对流传热变。

　　在高温辐射传热过程中，需要将特殊的红外添加剂添加至纳米多孔隔热材料中，以在高温状态下达到阻止和反射红外线的作用，从而降低辐射传热效果。通过比较可以看出，纳米隔热材料的导热系数和隔热性能非常低，其性能远优于陶瓷纤维棉、岩棉等传统材料，并且在高温作用下，还具备收缩率小、不易燃、小蓄热量、抗热震、环保等优点，是当前最好的隔热材料。另外，纳米绝热材料制成的炉体，还具备结构紧凑、占地面小、保温隔热效果突出、节能效果佳的优点。

　　3.炉内电热元件选择

　　3.1铁铬铝电热合金的优点

　　(1)铁铬铝电热合金可以在更高的空气温度下使用，其中HRE合金的最高工作温度可达到1400℃;镍铬电热合金中Cr20Ni80成分的合金最高工作温度可达1200℃。(2)在大气中相同的高使用温度下，铁铬铝电热合金的寿命是镍铬元素的3到4倍。(3)表面高负荷，因为铁铬铝合金可以适用于高温作用下，因此部件表面也具备较高的负荷，这不仅可以快速提高炉温，还可以减少合金材料使用量。(4)良好的抗氧化性能，在使用过程中，铁铬铝合金会在表面产生Al2O3氧化膜，氧化膜具有致密的结构，和基体合金具备较好的粘附性。另外，Al2O3具备较高的电阻率和熔点，因此使Al2O3的抗氧化能力较强，同时，其耐渗碳性也优于镍铬合金表面生成的Cr2O3。

　　(5)铁铬铝合金的比重小于镍铬合金，当制造一样的电热元件时，使用铁铬铝的材料要少于镍铬材料。(6)高电阻率，铁铬铝合金比镍铬合金具有更高的电阻率，在元件设计时可以使用规格较大合金材料，这样可以提高电热元件的使用年限。当使用相同规格材料时，电阻率越高使用的材料越少，电热元件在炉中的位置占用就越小。(7)良好的抗硫性。当设备在处理含硫工件时，铁铬铝的耐腐蚀性较好，而镍铬的耐腐蚀性则较差，如果用这种材质的设备处理含硫工件，则会导致设备发生严重腐蚀。

　　3.2镍铬电热合金的优点

　　(1)镍铬电热合金含有镍成分，在高温作用下其强度高于铁铬铝电热合金，并且在高温下不易变形，在选择布局电热元件的余地较大。(2)长时间使用塑性良好，长时间使用冷却后镍铬合金不会变脆，具备可靠性好、维修方面的优点;(3)高发射率，与铁铬铝合金相比，完全氧化的镍铬合金具有更高的发射率。因此，当表面负荷一样时，镍铬合金元件的温度略低于铁铬铝的温度。(4)无磁性，镍铬合金本身是非磁性的(Cr15Ni60仅在低温下具有较弱的磁性)，这更适用于某些在低温下使用的器具。而铁铬铝合金只有在600°C以上才是非磁性的。

　　通过以上比较，两种电热合金材料各有优缺点，因此，产品选择使用时，可以根据不同的使用条件对它们进行个性化设置。当选择电热合金材料的成分时，除了主要成分外，还可以适量添加其他成分来对合金材料的性能进行改善，使其能够满足使用条件。例如，可以将适量的硅添加至镍铬合金中，可以使合金的抗热震能力得到提高。添加适量Zr、Ce等成分元素可以使合金的最高允许温度得到提升。将适量Co，Nb等添加至铁铬铝合金中，可以使其高温强度得到增强，并提高使用年限。因此，在实际设计时，可以根据实际情况，在材料中添加需要的成分，来提高电热合金材料的性能。

　　4.炉门密封结构

　　为了增加电阻炉中的对流传热，必须安装一个热循环风扇。在高速气流的作用下，可以提高传热速度，使工件加热时间缩短。将传统的炉门密封条(普通盘根)用陶瓷纤维盘根代替，陶瓷纤维盘根一般是由质量上乘的陶瓷纤维制成，耐磨性和耐高温性较好。为了使密封效果得到提升，将单密封炉门的设计改为双密封炉门，通过气缸压缩方式来提高炉门软密封性能，最大限度降低外界空气流入炉内，使炉内的热量损耗降低，实现节能减排的目的。

　　5.温控仪表选择

　　目前，人工智能控制的恒温器已经出现，人工智能温度控制器是通过人工智能温控器来控制温度。启动仪器后，可以根据被控对象的特性自动找到自整定功能，并以最优参数对其进行控制，全程不需要手动对PID等参数进行调整，具备操作简便、温控精度高的优点，误差基本在±0.1℃，不存在超欠调等问题。通过测试对比人工智能温度控制器与普通仪器发现：设置比较条件，在高温炉内装满加热材料，工作标准温度设定为200.0℃，当温度升高时，人工智能温度控制器的最大过冲为0.8°C，稳定时间约为26分钟后，温度稳定后精度控制误差为±0.1°C，控制精度远高于普通温度控制器。设备加热迅速，工件达到预设温度耗时短，可以大大节约电能消耗量。人工智能温度控制器还具备安装操作方便、简单，数据标准化管理的优势，总体上来说，可以提高生产管理效率和生产效率。

　　结束语

　　由于井式电阻炉在运行中会消耗较高的能耗，因此，在设计井式电阻炉时，必须通过一系列新方法、技术来分析和计算电阻炉的各个方面，以优化其性能和结构，从而降低井式电阻炉在运行中消耗的能耗，使企业生产效率得到提升。

　　参考文献:

　　[1]王秉权，工业炉设计手册[M]，北京：机械工业出版社，2016

　　[2]王红艳，冶金炉热工程基础[M]，北京：化学工业出版社，2016。

　　[3]王天权，电阻炉设计[M]，北京：航空工业出版社，2015

　　作者：杨群1鲍忠凯2

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