台车式硅碳棒高温电阻炉

崔 宇

（哈尔滨铭阳炉业有限公司，黑龙江 哈尔滨150137）

台车式硅碳棒高温电阻炉通过电加热元件硅碳棒加热，硅碳棒棒体温度可高达1 600 ℃，几乎没有烟尘和NOx排放，不需助燃空气，因此工件氧化烧损率低，特别适合于1 200 ℃以上的高温炉加热。

1 台车式硅碳棒高温电阻炉性能要求

（1）结构紧凑，装卸工件方便；

（2）硅碳棒具有较长的使用寿命；

（3）NOx排放低，工件氧化烧损小，无噪音危害；

（4）控温精度高，炉温均匀性好；

（5）具有较高的热效率，节能降耗。

2 实施方式

2.1 设备组成

台车式硅碳棒高温电阻炉，由加热元件硅碳棒、炉体、台车、双作用翻转密封机构、台车驱动机构、滚柱带、龙门架及炉门等组成（见图1、图2）。炉体由内侧的低水泥耐火浇注料、 耐火纤维炉衬和外侧的炉体钢结构组成， 低水泥耐火浇注料位于炉体侧墙和后墙的下部和炉口， 耐火纤维位于炉顶和炉体侧墙和后墙的中上部。由于设备底部可移动，因此设备装卸工件方便，便于快节奏生产。

图1 台车式硅碳棒高温电阻炉台车入炉示意图

图2 台车式硅碳棒高温电阻炉台车出炉示意图

2.2 采用双作用翻转密封机构，提高硅碳棒的使用寿命

双作用90°翻转侧密封机构，包括电动推杆（或气缸）、Y 型连接件、柔性密封块、轴、轴承、转臂（或叫做从动摇杆）及销轴（见图3、图4）。 电动推杆（或气缸）铰接固定在两侧炉体底部，电动推杆（或气缸）动力端与Y 型连接件螺纹连接，Y 型连接件开口端与转臂中后部铰接，转臂前端与柔性密封块焊接，转臂尾端与轴焊接，轴与轴承铰接，轴承通过螺栓固定在两侧炉体上。

图3 双作用翻转密封机构水平状态示意图

图4 双作用翻转密封机构竖直状态示意图

密封关闭状态如图5 所示， 台车进入炉体并且到位后，通过电动推杆（或气缸）推动Y 型连接件，在Y 型连接件的作用下， 左侧密封机构的转臂围绕轴逆时针旋转90°（右侧密封机构的转臂围绕轴顺时针旋转90°），在转臂的作用下，密封压条向上压，将炉体与台车间的缝隙紧紧封堵， 实现了炉体与台车的密封。

图5 密封压紧状态示意图

非密封打开状态形成室式炉膛，如图6 所示。通过电动推杆（或气缸）拉动Y 型连接件，在Y 型连接件的作用下， 左侧密封机构的转臂围绕轴顺时针旋转90°（右侧密封机构的转臂围绕轴逆时针旋转90°），在转臂的作用下，密封压条由水平状态旋转至竖直状态，解除炉体与台车之间的缝隙，并形成室式炉膛，不使炉膛底部直接暴露在车间室温的空气中，以免造成炉膛温度快速下降， 硅碳棒在使用中表面氧化生成二氧化硅皮膜， 此二氧化硅皮膜在结晶临界点270 ℃（α 方石英、β 方石英的可逆晶型转变）附近会发生异常的体积膨胀和收缩, 可导致二氧化硅保护膜的开裂和破坏， 如果炉膛温度因台车频繁开出后下降到此温度附近， 则会造成二氧化硅皮膜加速氧化、硅碳棒电阻急剧增加，一般认为硅碳棒电阻值增加到原来的四倍时，硅碳棒寿命终止。而设备采用该密封机构解决了台车开出后炉膛温度快速下降的问题，从而延缓二氧化硅皮膜氧化，延长硅碳棒的使用寿命，同时可以减少能源损失和环境污染。

2.3 采用硅碳棒作为加热元件，装机功率大，设备结构紧凑，NOx 排放低，工件氧化烧损小，无噪音危害

当炉温大于1 200 ℃时， 由于金属电热元件表面负荷受限，导致设备装机功率不高，升温速度往往达不到要求，而采用非金属电热元件硅碳棒，则可以获得较大的装机功率，可以满足升温速率的要求。硅碳棒棒体温度一般会比炉膛温度高100 ℃， 即棒体温度一般不会达到1 600 ℃， 因此不会产生温度型NOx，由于采用硅碳棒作为电加热元件，不需要燃料，因此也不会产生燃料型NOx。 整个生产过程中不需助燃空气，因此工件氧化烧损率低，特别适合于1 200 ℃以上的高温炉加热。为增大硅碳棒有效发热表面积，减小质量以及加热发热体所需的能耗，中部发热部通常做成空心的，为保证端部正常导电，冷端部应伸出炉墙外50 mm 左右，炉墙上的耐火管的内径应为棒体冷端部直径的1.5 倍左右。 对于大直径的硅碳棒，耐火管的内径应在1.5 倍基础上再增加5 mm。台车式硅碳棒高温电阻炉由于采用硅碳棒作为加热元件，没有烧嘴及其燃气管道、空气管道、排烟管道等附件，设备结构紧凑，占地面积小；由于不需源源不断的空气助燃，即没有助燃风机，因此设备噪音小。

图6 非密封打开状态示意图

2.4 采用硅碳棒作为加热元件，控温精度和炉温均匀性均好于燃料火焰炉

采用硅碳棒作为加热元件，炉内气流稳定，便于控制炉温，采用带PID 自整定的仪表，控温精度可达到±1 ℃，其有效加热区温度均匀性可以达到Ⅲ类炉窑±10 ℃，优于传统的燃料火焰炉，燃料火焰炉控温精度一般为±2 ℃，有效加热区温度均匀性一般为Ⅳ类炉窑±15 ℃。

2.5 采用硅碳棒作为加热元件，热效率要明显高于燃料火焰炉

燃料火焰炉的排烟会带走相当大的热量， 由于台车式硅碳棒电加热炉不需排烟系统， 因此热效率要明显高于燃料火焰炉，满载时，热效率η≥75%。

2.6 硅碳棒加热控制方式

常见的控制方式分为有变压器和无变压器两种控制方式。 无变压器控制方式分为无变压器过零控制方式、 无变压器电压型移相控制方式和无变压器恒功率型移相控制方式三种； 有变压器控制方式又分为变压器副边过零控制方式、 变压器原边过零控制方式、变压器副边电压型移相控制方式、变压器原边电压型移相控制方式、 恒流型移相控制方式和变压器原边恒功率型移相控制方式六种。 考虑到性价比本文简单介绍一下无变压器控制方式， 无变压器控制方式分为无变压器过零控制方式、 无变压器电压型移相控制方式和无变压器恒功率型移相控制方式。目前，无变压器恒功率型移相控制方式还不十分成熟，无变压器过零控制方式电路简单可靠，对电网和环境无高次谐波干扰，成本低廉，缺点是对电网有较大的冲击，硅碳棒老化时不能调挡，设计时需加大初装功率，一般按1.5 倍额定功率装机，以便延长硅碳棒的使用寿命；无变压器电压型移相控制方式，采用这种方式输出的电压连续可调， 因此对电网和硅碳棒冲击小，电路也相对简单。 没有变压器，成本较低，但这种方式也有自身的缺点，对电网和环境有高次谐波干扰，尤其新棒使用时，电压调整器导通角较小，此时对电网和环境的高次谐波干扰严重，要选用抗干扰能力强的电压调整器， 可控硅要加阻容吸收回路，这种方式性价比高，硅碳棒使用寿命也相对较长。 经调查，对于炉温在1 300 ℃以下时，使用寿命可达到4~8 个月左右，运用了双作用翻转密封机构，使用寿命可达到6～12 个月左右。 综合考虑，本炉采用的是无变压器电压型移相控制方式， 设计时不需加大初装功率，也不需配带变压器。

3 实例计算

已知设备有效尺寸为6 m×2.6 m×1.8 m，额定温度1 200 ℃，装载量50 t，最大升温速率100 ℃/h,现进行装机功率、分区数量、硅碳棒数量、规格尺寸及电压与电流的计算。

3.1 装机功率计算

已知：装载量50 t，升温速率100 ℃/h，外壁温升50 ℃/h，额定温度1 200 ℃，进行设备装机功率计算（见表1）。 总蓄热量留有1.15 倍的余量，炉衬平均温度按内、外表面温度之和的0.59 倍计算，设备装机1 846 kW 时， 满载平均升温速度可达到100.4℃/h，满足最大升温速率100 ℃/h 的要求。

表1 6 m×2.6 m×1.8 m 台车式硅碳棒高温炉装机功率计算书

3.2 分区数量及硅碳棒数量的确定

考虑电器元件成本， 一般单区功率不宜超过300 kW， 结合设备的几何尺寸， 将设备分区定为7区，每区功率为1 846÷7≈263.7 kW。由于三相电源，硅碳棒根数应为3 的倍数， 结合设备可安装硅碳棒的长度尺寸和减少元件之间的相互辐射， 要保证相邻元件之间的距离要大于2D（D 为硅碳棒冷端部直径），元件与工件之间的距离应在1.5D 以上，硅碳棒数量定为105 根， 单根硅碳棒功率为1 846÷105≈17.581 kW，每区15 根，每相5 根并联。

3.3 硅碳棒规格尺寸的计算

硅碳棒棒体表面负荷不宜过高。 表面负荷愈大，则炉膛内的温度与硅碳棒表面温度之间的温差越大，硅碳棒的寿命越短。 本炉棒体表面负荷取7 W/cm2，所以单根硅碳棒发热段表面积为17 581 W÷7 W/cm2≈2 511.6 cm2， 由炉膛有效高度可确定硅碳棒发热段的长度为2 m， 所以可由S=πDL 得单根硅碳棒发热段直径尺寸。

即硅碳棒发热段直径取40 mm， 设备炉顶为全纤维结构，下部为低水泥高铝浇注料结构，最终确定棒体上部冷端长度为600 mm，下部冷端长度为670 mm，如图7 所示。

图7 硅碳棒外形尺寸图

3.4 电阻、电压及电流的计算

3.4.1 硅碳棒电阻的计算

已知硅碳棒发热段长度为2 000 mm，发热段直径为40 mm， 通过查询表2 可知1 400 ℃时碳化硅电热元件电阻系数为1 320 Ω·mm2/m，现借助Excel表格，输入已知条件，然后通过编辑相应计算公式，最后求得硅碳棒电阻为2.1 Ω，具体详见表3。

表2 碳化硅电热元件电阻系数

表3 1 400 ℃时硅碳棒电阻值计算

3.4.2 硅碳棒功率、电压及电流计算

已知，设备装机功率为1 846 kW，接线方式为星接，单根硅碳棒电阻为2.1 Ω，电阻值允差≤10%Ω，一区分三相，每相5 根硅碳棒并联，设备共分7区控温。 现借助Excel 表格，输入已知条件，然后通过编辑相应计算公式，最后求得，当单根硅碳棒以额定功率17.58 kW 输出时，相电压为187.52 V，线电压为324.78 V，因为采用星接，所以线电流与相电流大小相等， 均为468.79 A， 单根硅碳棒最大电流为468.79 A÷5=93.76 A,具体数值详见表4。

表4 硅碳棒功率、电压及电流计算

全负荷时相电压与相电流核算， 根据下面计算公式，计算求得相电压为192.15 V，相电流为457.49 A，与表4 计算结果一致。

4 实例应用

2019 年秋为中钢集团邢台机械轧辊有限公司设计制作了一台台车式硅碳棒高温电阻炉，目前，设备已经成功交付使用。 该设备具有如下7 大优点：（1）无烟尘排放、无NOx、SO2等污染源，使锻造加热走向绿色生产；（2）该台车式硅碳棒高温电阻炉，可显著降低工件氧化烧损，节约成本；（3）热效率高，节能降耗；（4）无助燃鼓风，无噪音危害；（5）采用硅碳棒加热，炉温均匀性和控温精度好于火焰炉，可提高产品热加工质量；（6）没有空燃气及排烟管路，结构紧凑、占地面积小；（7）具有双作用翻转密封机构，密封压条向上翻转至水平状态，可实现台车与炉体之间的密封，向下翻转至竖直状态，可形成室式炉膛，延缓二氧化硅皮膜氧化，从而延长了硅碳棒的使用寿命。 该设备性能稳定，得到了用户和炉窑领域的的高度认可。 图8 为设备建成交付使用后的炉膛内部图。

图9 为台车式硅碳棒高温电阻炉与蓄热式火焰炉热加工后的工件氧化烧损对比图。很明显，燃气火焰炉加热后的工件表面氧化烧损比较严重， 氧化皮大块脱落，而且厚度较大，可达5 mm 左右，而采用硅碳棒高温电阻炉加热后的工件，工件氧化烧损要轻微得多，主要是一些细末及一些碎小的薄片状，厚度约2 mm。

图8 台车式硅碳棒高温电阻炉炉膛内部图

图9 台车式硅碳棒高温电阻炉与蓄热式火焰炉热加工后的工件氧化烧损对比图

5 台车式硅碳棒高温电阻炉与燃气蓄热式火焰炉运行成本对比

5.1 台车式硅碳棒高温电阻炉与燃气蓄热式火焰炉运行能耗对比

5.1.1 台车式硅碳棒高温电阻炉运行成本实测计算

工件装载量为50 t 满载， 即设备的装载率为100%，炉子及坯料都是常温，升到1 195 ℃出炉开锻。

经实测， 台车式硅碳棒高温电阻炉全工艺18 h共耗电13 403 kW·h，50 t 工件从室温升到1 195 ℃理论上共消耗电能11 389 kW·h，设备热效率为11 389÷13 403×100%≈84.97%，单耗为13 403 kW·h÷50 t=268.06 kW·h/t，电价按峰谷平均值，取0.6 元/kW·h。

所以， 加热1 t 钢成本为268.06 kW·h×0.6 元/kW·h≈160.8 元

加热50 t 钢总耗电成本为268.06 kW·h/t×50 t×0.6 元/kW·h≈8 042 元

5.1.2 燃气蓄热式火焰炉运行成本理论计算

燃气蓄热式火焰炉按钢铁行业2011 年制定的技术规范，主要技术指标为：排烟温度降到180 ℃以下，高于露点以上，助燃空气预热到1 000 ℃，热效率达到70%，NOx排放指标为180 mg/m3。 假设能耗达到了模锻件特等炉等级，单耗指标bk（标煤）≤100 kg/t，在此单耗指标bk（标煤）取85 kg/t，特等炉要求其能耗及装备水平达到或接近国外先进水平。 标煤的热值为7 000×4.18 kJ/m3，天然气每立方燃烧热值为（8 000～8 500）×4.18 kJ，为了更好地对比计算，将天然气的热值取最大值8 500×4.18 kJ/m3，这样的话85 kg 标煤就相当于70 m3的天然气，天然气价钱按3.4 元/m3计算。

所以，加热1 t 钢成本为70 m3/t×3.4 元/kW·h＝238 元。

加热50 t 钢总成本为70 m3/t×50 t×3.4 元/kW·h=11 900 元。

另外， 助燃风机、 阀门等机电产品消耗电能约55 kW×18 h×0.6 元/kW·h=594 元。

综上，台车式硅碳棒高温电阻炉比燃气蓄热式火焰炉单炉次运行能耗可节约11 900+594-8 042=4 452 元。

5.2 台车式硅碳棒高温电阻炉与燃气蓄热式火焰炉运行工件氧化烧损对比

5.2.1 台车式硅碳棒高温电阻炉工件氧化烧损成本计算

台车式硅碳棒高温电阻炉坯料氧化烧损率约1%，工件成本为8 000 元/t，总装载量为50 t，氧化皮回收价格按800 元/t 进行计算。

一火工件氧化烧损量为50 t×1%×8 000 元/t=4 000 元。

氧化皮回收为50 t×1%×800 元/t=400 元。

一炉工件氧化烧损损失为4 000-400=3 600 元。

5.2.2 燃气蓄热式火焰炉工件氧化烧损成本计算

燃气蓄热式火焰炉坯料氧化烧损率约3%，工件成本为8 000 元/t，总装载量为50 t，氧化皮回收价格按800 元/t 进行计算。

一火工件氧化烧损量为50 t×3%×8 000 元/t=12 000 元。

氧化皮回收为50 t×3%×800 元/t=1 200 元。

一炉工件氧化烧损损失为12 000-1 200=10 800 元。

综上，台车式硅碳棒高温电阻炉比燃气蓄热式火焰炉单炉次运行氧化烧损可节约10 800-3 600=7 200 元。

综上所述， 台车式硅碳棒高温电阻炉比燃气蓄热式火焰炉单炉次可降低运行成本为4 452+7 200=11 652 元。一年按300 炉次计算，一台台车式硅碳棒高温电阻炉比一台燃气蓄热式火焰炉可降低运行成本为11 652 元/炉×300 炉=3 495 600 元。

6 推广应用前景

利用电能加热是解决周期式台车锻造加热炉氧化烧损量大、能源消耗多、NOx排放高的重要途径，根据中国能源大数据报告显示，2019 年我国发电总量约为7.5 万亿kW·h，位居全球第一。 因此，周期式锻造加热炉使用电能具有广阔的市场空间， 在加热工件过程中， 炉膛中大部分氧会与工件表面的铁元素发生氧化反应， 这样便为硅碳棒的寿命提高提供了有利条件。此外，将钛酸钡悬浮液涂覆在硅碳棒表面，然后在高温下（1 400 ℃）保温30 min，使其与碳化硅生成一层高温下很稳定的硅酸钛酸钡 （BaO·TiO2·SiO2） 三元保护膜， 可使硅碳棒与周围气氛隔离，从而防止硅碳棒由于高温氧化而产生老化现象。因此， 周期式锻造加热炉使用硅碳棒作为加热元件具有推广应用前景。

7 结语

该台车式硅碳棒高温电阻炉， 显著降低烟尘、NOx、SO2等污染源，实现绿色生产；显著降低工件氧化烧损，节约成本，热效率高，节能降耗；无助燃鼓风，无噪音危害；采用硅碳棒加热，炉温均匀性好于火焰炉，提高产品热加工质量；采用了双作用翻转密封机构，密封压条向上翻转至水平状态，可实现台车与炉体之间的密封，向下翻转至竖直状态，可形成室式炉膛，以免造成炉膛温度快速下降，从而延缓二氧化硅皮膜氧化，延长了硅碳棒的使用寿命，硅碳棒使用寿命可达到6～12 个月左右。该大型台车式硅碳棒高温电阻炉为国内首创， 开辟了锻造加热炉的新篇章，对于环保和降低工件氧化烧损具有重大意义！