高溫滲碳箱式循環(huán)流化床鍋爐爐襯設(shè)計

高溫滲碳箱式循環(huán)流化床鍋爐爐襯設(shè)計

深部高速透碳是當前熱處理技術(shù)的先進趨勢。在1010c以上的溫度下，傳統(tǒng)的滲透時間短于853050%以上，這顯著降低了能源消耗1%。由本公司為東汽集團東方汽輪機有限公司提供的高溫滲碳箱式多用爐生產(chǎn)線在2010年3月投入使用,其最高工作溫度為1100℃,最大裝爐量可達3500kg。該生產(chǎn)線采用氮甲醇氣氛為載氣,丙烷為富化氣的滲碳工藝。在氮甲醇氣氛中滲碳,零件表面清潔,表面碳濃度可精確控制,能夠得到較為理想的滲碳組織,有利于起到強化表面的作用［2］。由于在高溫滲碳還原性氣氛下,采用傳統(tǒng)高溫耐火纖維模塊為爐襯的結(jié)構(gòu)極易導致纖維高溫粉化,從而影響爐內(nèi)保溫性能。單純采用磚砌爐襯可解決纖維高溫粉化問題,但因保溫磚固有的蓄熱量大、熱導率高等缺點會使得加熱爐加熱功率過大,升溫時間較慢。為解決上述問題,本文作者通過參閱各種技術(shù)資料,參考國內(nèi)外各類高溫滲碳爐結(jié)構(gòu),提出了采用抗?jié)B磚加含鋯纖維模塊的復(fù)合爐襯結(jié)構(gòu)以應(yīng)對爐內(nèi)高溫、還原性氣氛環(huán)境,此設(shè)計在實際應(yīng)用中得到良好驗證。本文通過熱工分析及傳熱計算確定復(fù)合爐襯各部分厚度,并對爐襯施工及安裝提出了一定的指導意見。1高溫度該型多用爐采用無馬弗圓形截面爐膛,在爐膛兩側(cè)采用高溫輻射管對爐內(nèi)工件加熱,其最高工作溫度為1100℃。在此滲碳氣氛中,爐內(nèi)主要發(fā)生以下反應(yīng):其中[C]和H2均具有強還原性,易導致磚體內(nèi)鐵的氧化物被還原,產(chǎn)生Fe、Fe3C、C(碳黑)等新生物質(zhì)而使體積膨脹,從而引起砌體破壞［3］,這也是爐襯設(shè)計面臨的主要難點。2抗?jié)B磚與爐殼隔熱材料的選用為防止爐襯內(nèi)Fe、Fe3C、C(碳黑)等新生物質(zhì)的產(chǎn)生,在爐襯材料選擇中必須采用Fe2O3含量很低、S(硫)含量也極少的抗?jié)B碳耐火材料。為此,在設(shè)計選型過程中選用輕質(zhì)抗?jié)B碳磚作為此復(fù)合爐襯與爐內(nèi)氣氛接觸面,其主要技術(shù)性能指標見表1?？?jié)B磚在反復(fù)加熱、冷卻過程中極易產(chǎn)生裂縫,而裂縫的產(chǎn)生會導致磚后耐火纖維與爐內(nèi)氣氛直接接觸。因此,耐火纖維必須具備熱穩(wěn)定性高、不易粉化等特點,同時,其Fe2O3含量也必須控制在很低水平。通過比較各種耐火纖維材料、使用溫度、組分等多種性能,選用含鋯耐火纖維作為復(fù)合爐襯中抗?jié)B磚與爐殼隔熱材料,其主要技術(shù)性能指標見表1?？?jié)B磚與耐火纖維均選用低密度材料,見表1,在一定程度上減少了爐襯蓄熱量,提高了加熱爐使用效率。為保證爐襯壽命,在爐襯設(shè)計過程中,爐門爐襯與爐膛爐襯的安裝方式都應(yīng)考慮抗?jié)B碳磚的強度及膨脹,以利于爐磚在高溫狀態(tài)下的應(yīng)力釋放,其安裝方式按圖1所示。其中爐門楔形磚由兩側(cè)拱角磚做支撐,爐膛楔形磚在受熱后向外膨脹,爐膛拱形結(jié)構(gòu)采用錯砌拱頂。模塊式爐內(nèi)襯結(jié)構(gòu)采用陶瓷纖維模塊做內(nèi)襯,利用短的錨固釘將陶瓷纖維模塊固定在爐殼上,這樣,錨固釘不直接與爐內(nèi)氣氛接觸,大大減少了熱傳導造成的爐殼散熱。確定了爐襯結(jié)構(gòu),爐襯各部分厚度便成了保障加熱爐正常運行的重要因素。3爐襯厚度的確定工業(yè)爐爐襯多為平爐襯或圓筒爐襯,兩種爐襯的穩(wěn)定態(tài)傳熱計算式不同的。雖然此爐型采用圓形爐膛,但由于爐型較大,筒外徑/筒內(nèi)徑≤2,故傳熱面可近似看做多層平壁導熱。采用多層平壁導熱可簡化運算過程,而實際結(jié)果與計算結(jié)果并不會產(chǎn)生較大誤差。其傳熱過程簡化工況如圖2所示,圖中,t0為爐膛內(nèi)部溫度,t1為抗?jié)B磚與纖維模塊分界面溫度,t2為爐殼外表面溫度。目前對爐襯厚度計算方法主要有3種:允許最大熱損失法、外表面允許最高溫度法、經(jīng)濟厚度法［5］,而耐火纖維材料最佳使用溫度(平均溫度)為500℃,最佳經(jīng)濟厚度為大于150mm的整數(shù)［6］。故選用耐火纖維模塊厚度為S1=240mm(180模塊加兩層30mm厚平鋪層),500℃溫度下耐火纖維熱導率為:為更合理地進行爐襯厚度計算,同時考慮使用過程中對外部環(huán)境的影響,考慮采用經(jīng)濟厚度加外表面允許最高溫度法綜合考慮爐襯厚度。即耐火纖維平均溫度為500℃,外表面最高溫升≤40℃,即圖2中,t2=溫升+環(huán)境溫度(20℃)=60℃。耐火纖維平均溫度=(t2+t1)/2=500(℃)由傅立葉(Fourier)定律,熱流密度正比于該處的溫度梯度(W/m2):q=-λ(dt/dx)則通過磚的熱流密度:即抗?jié)B碳磚的厚度為176mm,為減少非標件采購成本,在實際應(yīng)用中選用成型標磚。4抗?jié)B碳磚的可靠性采用此復(fù)合爐襯的高溫滲碳箱式多用爐在實際運行中,熱電偶測得的爐內(nèi)溫度穩(wěn)定、爐殼表面溫升控制在35℃以內(nèi)。在長期連續(xù)運行后,爐內(nèi)抗?jié)B碳磚也沒有出現(xiàn)明顯裂紋與塌陷,