3.2　電極鹽浴爐

3.2.1　電極鹽浴爐的結構

電極鹽浴爐的結構按電極分布可分為插入式和埋入式兩種。插入式鹽浴爐的電極是從坩堝上方垂直插入熔鹽的，所用的交流電源有單相和三相。單相電爐有兩根電極，布置比較簡單。三相鹽爐的電極在截面不同的坩堝中的布置方式如圖3-20所示。三相鹽浴爐的電極在側面的布置方式如圖3-20（a）～圖3-20（d）所示。當鹽槽相當寬的時候，如淬金剛石鋸基（大而薄的65Mn鋼圓鋸片）時，常采用三相六極并排的布置方式［見圖3-20（d）］；或采用四根電極并排布置，使兩端的兩根電極同相［見圖3-20（c）］；或采用三根電極并排布置，并在電極前面再加一塊中性板［見圖3-20（b）］。坩堝也可以制成正六邊形或圓形，三根電極對稱分布在三邊。

插入式電極鹽浴爐是20世紀50年代從國外引進的熱處理加熱設備，對我國機械行業的快速發展起到了很大的作用，但它存在不少缺點，目前只在高速鋼回火等少部分浴槽中使用，日趨淘汰，主要缺點表現在三個方面。

①使用效率低且耗電量大。即使是最簡單的單相鹽浴爐，它的有效使用面積也只有鹽浴面積的2/3，其余的1/3被電極區占據，不能用于生產，造成熱量損失，浪費大量的電力，見圖3-21（a）。

②電極損耗大。由于電極直接插入鹽浴，在鹽浴與空氣交界處極易產生氧化，造成“縮頸”現象，見圖3-21（b），這使交界處的電流密度增大，發熱劇增，更加速了電極的損壞，這種情況在高溫鹽浴爐中更為突出，電極壽命很短，若三班制作業，電極用10d就得更換。

③爐底有斜坡，易燒壞工件。插入式電極一般布置在爐膛的一側，在電極附近的熔鹽溫度較高，遠離電極的底部溫度最低，造成鹽浴溫度不均勻，在遠離電極的溫度死角處，易使爐渣沉積，不易扒去，使爐底嚴重傾斜，如圖3-21（c）所示，爐膛深度大大減小，加熱工件被迫向電極靠攏，由于磁場及爐渣的雙重影響，很容易燒傷工件。

鑒于插入式鹽浴爐有如此嚴重的弊端，國內熱處理同仁經過多年的試驗研究，對插入式鹽浴爐進行了大膽的改造，研制成功多種型號的埋入式爐子，這是熱處理加熱設備的一項重大革新成果。

將插入式改為埋入式，節電30％左右。經過認真篩選，現在的埋入式電極鹽浴爐的基本結構類型有側埋式和頂埋式兩種，示意圖分別見圖3-22和圖3-23。插入式、埋入式鹽浴爐的工作原理相同，所不同的是，埋入式電極鹽浴爐較插入式鹽浴爐提高了工作電壓，插入式鹽浴爐為5.5～17.4V，而埋入式電極鹽浴爐的工作電壓為14～36V，另外，埋入式電極鹽浴爐的電極幾乎都安設在坩堝側壁內，只有一個面與鹽浴接觸。

與插入式電極鹽浴爐相比，埋入式電極鹽浴爐有以下優缺點。

①爐膛容積有效利用率高，生產量大，耗電量小。因為埋入式電極鹽浴爐沒有插入式電極鹽浴爐1/3無用的熔鹽表面及散熱面積，故裝爐量可提高20％～30％，耗電量可節約20％～30％。

②爐溫均勻，加熱質量好。插入式電極鹽浴爐的爐溫，一般在同一水平截面上的溫差達10～15℃。深度方向的溫差達15～25℃。盡管埋入式電極鹽浴爐熔鹽的強迫循環不如插入式電極鹽浴爐好，但由于電極位于爐膛下部的側壁，靠下部的熔鹽導電發熱，有利于自然對流，且工件一般位于電極區以上加熱，不會因電流通過工件而過熱。因此，埋入式電極鹽浴爐的爐溫均勻性較好，一般在深度方向的溫度差不會超過10℃，在同一水平截面上的溫差則更小。

③主電極不與空氣接觸，使用壽命較長。

④操作方便，由于爐膛中沒有電極引出柄，故工件裝爐、出爐方便。埋入式電極鹽浴爐啟動時，是從下部逐步向上熔化的，所以散熱損失少。啟動快，且爐底平整，撈渣方便。

⑤便于實現機械化、自動化操作，減輕工人的勞動強度。

⑥埋入式電極鹽浴爐的缺點是：電極與坩堝固為一體，制造維修困難，不能像插入式電極鹽浴爐那樣單獨調換電極或坩堝；側埋式電極鹽浴爐的金屬電極與耐火材料的膨脹系數不同，易漏鹽、短路等。

DM、RDM系列埋入式電極鹽浴爐的主要技術參數分別見表3-13、表3-14。

3.2.2　電極鹽浴爐的設計

（1）爐膛尺寸及功率的確定　幾乎所有的工具廠不大會去電爐廠買鹽浴爐，往往都是根據本單位的產品結構及其批量，自行設計爐型。爐膛尺寸與熔鹽體積、工件的形狀、尺寸、一次裝爐量及工件在爐膛內的放置位置有關。如果未知料筐尺寸或工件大小，可以根據爐子的功率，按照表3-15、表3-16進行類比，來確定爐膛尺寸。

（2）電極鹽浴爐功率的確定　電極鹽浴爐所需的功率可由熱平衡計算得到，但計算過程比較復雜，實際設計中多采用經驗公式來計算。鹽浴爐所需的功率與熔鹽的體積存在一定的關系，即：

P=VyPo

式中　P——電極鹽浴爐所需的功率，kW；

Vy——熔鹽體積，dm3；

Po——電極鹽浴爐單位體積熔鹽所需的功率，kW/dm3。

各種鹽浴的生產效率可查閱有關書籍或從實踐中摸索。

電極鹽浴爐單位體積熔鹽所需的功率Po可由表3-16查出。此表對插入式鹽浴爐較適合，對于埋入式鹽浴爐，在此基礎上，相應的乘上系數1.3～1.5。

埋入式電極鹽浴爐在中國推廣運用四十多年，還比較成功，但爐體設計尚缺乏完整的數據，各單位采用的數據也不一致，某工具廠及原上海電爐廠的數據有代表性，可供參考，見表3-17。

表3-17所列的Po值適用于額定功率為30～150kW，爐膛深度一般為600～700mm，空爐升溫要求<2h。在選用Po值時，除考慮鹽爐的功率大小及爐溫高低外，還要兼顧其他具體情況，對爐膛較深而熔鹽散熱面較小者，應該取小值；反之取大值。對于要求快速加熱或大量連續生產的鹽爐，K值應取大些，以保證有足夠的功率，例如，340mm×360mm×550mm（深）的高溫鹽浴爐，按設計100kW足矣，但各廠大多選用125kW，因為高溫加熱壓溫太多對質量及節能都不利。

3.2.3　電極鹽浴爐的啟動

由于固態鹽的電阻值很大，不能在工作電壓下使其導電，因此，在鹽浴爐開始工作前需先用相應的啟動方法使電極間的鹽熔化，各種書刊雜志上報道的鹽浴啟動方法很多，歸納起來可分為兩大類：即傳統的電阻加熱啟動法和快速啟動法。

（1）傳統的電阻加熱啟動法　常用的ф16～20mm Q215A或Q235A鋼繞制成螺旋形使用，螺旋直徑90～160mm不等，螺距25～30mm，也可以用板條制成波紋形，還有的用廢舊的ф7～10mmCr20Ni80或Cr25Al5電熱絲焊制。電阻加熱器（也稱啟動電阻），置于工作電極之間，通電后發熱將附近的固態鹽熔化，進一步工作電極（亦稱主電極）導通，熔化整個鹽浴，并升溫到一定的溫度（如中溫爐升到820℃），取出啟動電阻，接通主電極，直接加熱升溫。

（2）快速啟動法　主要有鹽渣低壓啟動、鹽渣高壓啟動和雙功能電極啟動。

①鹽渣低壓啟動。這種啟動方法是利用鹽浴爐底部鹽渣電阻率較小的特性，在主電極下方安裝一金屬啟動電極，使極間距離為15～20mm，以盡量減少極間電阻，使極間電阻保持在3Ω左右。啟動時，當主電極接通工作電壓后，極間的鹽渣即導電發熱，將附近的鹽熔化，直至使主電極之間的鹽逐漸全部熔化。

②鹽渣高壓啟動。利用較高的電壓將電極間的鹽渣擊穿，導電發熱使固鹽熔化而啟動。鹽渣高壓啟動的關鍵在于提供較高電壓的裝置。供電裝置有晶閘管連續可調電壓裝置、分離式快速啟動電源裝置，亦可在鹽爐變壓器二次側增設啟動繞組，輸出110V和40V的高壓。采用這些高壓裝置啟動時，先以高壓擊穿電極間的鹽渣混合物，使極間先導通，固態鹽熔化。此時，電阻減少，應根據熔鹽導通的程度調節啟動電壓，逐步過渡到用主電極工作的狀態。

③雙功能電極啟動。這種方法多用于三相電極鹽浴爐的啟動。將啟動電極與工作電極設計為一體，兼有啟動和加熱的雙重功能，有環形、折疊形和工字形三種，如圖3-24所示。制作時，先將幾塊鋼首尾焊接，再焊上主柄和副柄，鋼板之間用絕緣材料隔開。安裝時，將其中一個電極的主柄與鹽爐變壓器連接，稱主柄；另一個電極柄為副柄。啟動時，將三個電極的副柄用啟動銅排連接，即組成一星形連接的電阻加熱器，待鹽熔化后，斷開銅排，該電極即起工作電極的作用。工字形雙功能電極［圖3-24（c）］在斷開啟動銅排后，可用銅排將電極的主柄和副柄連接起來，使電極起工作電極的作用。

山西長治、甘肅蘭州等地，還獲得多項鹽浴爐快速啟動的國家發明專利，對熱處理節能減排很有貢獻。

3.2.4　鹽爐變壓器

鹽爐變壓器為低電壓大電流變壓器，初級電壓一般為380V或220V，次級電壓在安全電壓36V以下，變壓器的功率應比鹽浴爐的額定功率大10％～20％。鹽爐常用變壓器有以下4種。

（1）空氣變壓器　這類變壓器有ZUDG型和ZUSG型，其冷卻效果好，絕緣可靠，結構堅固，運行安全；可在超過額定容量40％以內過負荷使用，但運行時間不得超過1.5h。其缺點是調壓級數較少，不易精確控溫，呈淘汰之勢，目前只有極少數工具廠在用。

（2）內冷鹽浴爐變壓器　這類變壓器可向銅管繞組內通水冷卻，水壓0.1～0.2MPa，進水溫度≤30℃，出水溫度≤50℃，要防止漏水，切忌斷水通電。其缺點是要提供大量的清潔軟化水，不符合節能減排大方向，應用企業極少。

（3）油浸式鹽浴爐變壓器　這類變壓器用油浸繞組冷卻，并裝有電抗器，可以帶電調級，便于調節溫度，變壓器的用量有限，往往只在小功率電爐上使用。

（4）磁性調壓器　這類變壓器是借改變勵磁線圈的電流，控制鐵心的磁導率及一次側線圈的感應阻抗，可以連續無級調節，使電流平穩變化，并可自動控制。該型號變壓器大約在20世紀70年代初問世，1973年由蘇州變壓器廠定型生產，1982年列入機械部行業標準（JB3086—82《磁性調壓器》），在鹽爐上得到廣泛的運用。其技術數據見表3-18。

3.2.5　鹽浴爐的操作及維護

鹽浴爐的使用操作要點如下。

①設備應處于完好狀態，控制儀表工作正常，水冷套暢通，無漏水現象，風機工作正常，爐體及變壓器外殼接地可靠。

②中途停止工作時，應將變壓器調至低擋保溫或將控制電流調小，并蓋上爐蓋，盡量減少熱損耗。

③操作時應戴好防護眼鏡、手套等勞保用品，以防燙傷；在高溫爐前操作時，應戴好有色防護眼鏡。

④調節變壓器擋位時，必須斷電操作，以免燒毀接點。

⑤嚴禁在變壓器匯流排上放置工件、工具等一切物品。

⑥往硝鹽浴、堿浴中加水時，最好在室溫下進行。如必須在較高溫度下加水，則溫度不宜超過150℃，并應徐徐傾入。

⑦長時間使用時，爐溫不得超過額定值，高溫爐為1320℃，中溫爐為950℃，硝鹽爐為600℃。

⑧鹽浴要定期脫氧撈渣、添加新鹽，維持鹽面高度。

⑨工件在爐中加熱位置應適中，不得靠近爐壁、爐底及電極。

⑩應采用自動控溫裝置，進出爐時間應自控準確。

調節溫度應按有關程序操作。

不得將濕鹽、濕件進爐，工件需經充分預熱后方可入浴加熱。

不得將帶有硝鹽的夾子、淬火鉤進入高、中溫鹽浴爐中。

不得將廢紙、棉紗頭、塑料袋扔到爐中焚燒。

廢渣應存放在固定處，經“三廢”處理或交環保部門，不得隨意傾倒。

鹽浴爐的維護和保養如下。

①保持鹽浴爐、變壓器及控制柜的清潔，工作完畢后必須打掃場地。

②定期檢查登記表、指示溫度誤差不應大于±5℃。

③接觸器、紅綠燈工作正常。

④電極的水流系統暢通，無漏水現象。

⑤風機運轉正常，定期消除煙道積灰。

⑥儀表控制室應清晰明亮，不得用臟手觸及登記表。

⑦坩堝爐2～3個月應清理一次，清除擱磚上的氧化皮。

⑧坩堝不用時要蓋好爐蓋。

⑨重新啟動電極式鹽浴爐時，要注意安全。

⑩新爐在使用前，必須將爐體和爐膛（坩堝）烘干，可在爐膛中燃燒少量的木炭或木柴，逐步提高溫度，再用電阻加熱器進行烘干，烘干時間至少36h，直到爐體外殼達到35～40℃為止。

3.2.6　筑爐工藝

幾乎所有的工具廠所用的鹽浴爐都是自家制造的，爐體有磚砌的，也有用耐火材料搗打或澆注而成的，以下簡述用搗打法制造的爐膽工藝，僅供參考。

①爐料配方（質量分數）：顆粒直徑6～15mm低鋁石40％+顆粒直徑<6mm低鋁石30％+低鋁細粉30％，外加工業磷酸（濃度85％、密度1.70g/cm3）9％～9.5％。

②筑爐材料應攪拌均勻，其檢驗標準以用手捏緊，松手后先成團后部分散掉為佳。

③將攪拌均勻的爐料堆積，用草包覆蓋24～48h，使其得到充分反應，以便搗實筑爐。

④為了便于打爐（重新拆掉再打），可在爐底鋪放5～8層干凈的報紙，然后加上筑爐材料，每次加35～40mm為宜，不可多加（多加不易搗打結實），加40mm高搗實約20mm。

⑤電極與爐體接觸處抹點黃油，然后用舊報紙或油紙包4層，目的是紙自焚，留有空隙，不至于由于加熱電極膨脹，而導致爐膽脹裂。

⑥搗打到一定深度，放入鋼模芯（也可用木模芯，注意留有拔模斜度，木模芯可在爐膽打好后燒掉），在鋼模四周涂一層黃油，包兩層油紙，在筑爐完工后，先烘一下爐，然后起模。注意：拔模斜度，鋼模所有棱倒圓，便于起模。

⑦放下模芯再搗實到規定深度，用吊車吊進電極，擺正位置。

⑧搗打完工前，在表面撒一層低鋁細粉，再搗打緊實、平整。放小火在模芯內焚燒，吊出模芯。

⑨烘爐用電阻絲加熱，放在爐膛中烘烤，其工藝為：300～400℃烘3～4d，500～600℃烘2～3d。第一次烘爐應緩慢升溫，因為急熱會使爐體開裂。