第六節(jié)　超細粉體煅燒爐及其他爐

一、超細粉體煅燒爐

超細無機粉體材料在化工、電子、冶金、醫(yī)藥、食品、陶瓷等行業(yè)有著廣泛的應用。但對材料的純度、細度等有著極高的要求。所以此類新材料的精加工作為一個高科技、高附加值的產業(yè)近來在國內迅速發(fā)展。但制約其發(fā)展的主要因素往往是裝備工業(yè)。例如某些石化業(yè)所需的裂解催化劑長期被國外壟斷，進口價很高，而生產工藝目前已為國內科技機構所掌握，關鍵的生產設備——粉體煅燒設備國產化目前存在許多問題。而上海晨華電爐有限公司所開發(fā)的RG系列回轉式電爐已廣泛用于各種精細無機非金屬材料的煅燒制備。其中包括電瓷及化工原料BaTiO3、電子通信材料中LiMnO2及LiCoO2以及稀土、石化行業(yè)的催化劑的制備。其具有替代進口產品的實力。

1. 爐型特點

高品質的超細無機粉體材料的煅燒，要求純度高，應避免煙氣等雜質對粉料的污染，其具有相對產量低（因此相對密度很低一般小于1，甚至小于0.3），對溫度、氣氛和壓力等方面要求很高等特點，故多采用無污染、噪聲低的電加熱方式。

傳統(tǒng)粉料加熱采用梭式窯、推板窯等加熱，而此類設備加熱產生受熱不均勻，易出現(xiàn)夾生、過燒等缺陷，故我們采用金屬筒體的回轉加熱方式。筒體內設有刮板，使物料在筒體內轉動及刮板的作用下充分攪拌，物料在筒內作徑向及軸向運動，從而達到充分、均勻、穩(wěn)定地受熱。

爐型生產方式為連接式（當然也可當周期式使用），采用獨有的密封結構可確保無論是在氧化性氣氛還是還原性氣氛均能使用。同時還能保持爐內具有一定的壓力。提高了粉體煅燒質量。

機械傳動利用鏈條、齒輪帶動轉動，筒體兩端滾動軸承支撐及轉動。

主要技術參數如下。

①生產率：5～250kg/h。

②加熱方式：電加熱（筒外加熱）。

③額定功率：（15～200）kW±10%。

④最高使用溫度：1050℃。

⑤控溫精度：≤±2℃。

⑥工作區(qū)爐溫均勻性：≤±5℃。

⑦控制方式：智能PID。

⑧旋轉速度：0～5r/min（變頻調速）。

2. 設備運行情況

設備安裝完成后，經過調試及烘爐后，即可進行試運行。考慮到爐體應有較強的適應性，先在空載情況下運行，對設備進行考核，利用爐膛中的熱電偶及光學測溫儀分別測定了爐膛及筒壁溫度。經過約90min的升溫，爐膛內即可達到1000℃。

在1000℃保溫階段，可實測工作區(qū)爐溫均勻性在±5℃以內，達到了設計的要求。同時在運行中發(fā)現(xiàn)，爐體的升溫及保溫通過對輸入功率的調整，基本滿足了超細粉體材料的煅燒要求。

高檔無機非金屬材料超細粉體的煅燒是電熱推板窯無法解決的，而回轉式電阻爐無論是節(jié)能性（節(jié)能效果達65%）、燒成品的質量、生產率、密封環(huán)保方面，均有無法比擬的優(yōu)點，具備推廣應用的前景。在特種陶瓷原料、電瓷、化工原料以及電子器件原料、甚至醫(yī)藥、食品添加劑等具有較高要求的粉體深加工產品，選擇動態(tài)加熱技術精細裝備，實現(xiàn)精密的氣氛環(huán)境控制，是實現(xiàn)高檔次粉體產品制作的可行之路。

二、真空氣氛爐及其他爐

真空氣氛爐（圖2-21）又名無氧退火爐、真空氣氛燒結爐（圖2-22）等是物體在通入一定氣體的爐膛內進行燒結的方法。不同的材料選擇適宜的氣氛燒結，有助于燒結過程，提高制品致密化程度，獲得良好的性能的制品。真空氣氛爐常用的有真空、氫、氧、氮和惰性氣體（如氬）等各種氣氛。例如透明氧化鋁陶瓷可用氫氣氛燒結，透明鐵電陶瓷宜用氧氣氛燒結，氮化物陶瓷如氮化鋁等宜用氮氣氛燒結。有時為保護燒結也須在保護氣氛中操作。如鉬絲爐宜通氫，鎢絲爐宜在真空條件下工作。

真空氣氛爐是真空技術與熱處理技術相結合的新型熱處理技術。真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空熱處理實際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理是指熱處理工藝的全部和部分在真空狀態(tài)下進行的。真空熱處理可以實現(xiàn)幾乎所有的常規(guī)熱處理所能涉及的熱處理工藝，但熱處理質量大大提高。與常規(guī)熱處理相比，真空熱處理的同時，可實現(xiàn)無氧化、無脫碳、無滲碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脫脂除氣等作用，從而達到表面光亮凈化的效果。

真空氣氛爐包括爐體、爐蓋及所帶的廢料收集系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、由微機控制工作的電加熱系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)和清洗物裝卸系統(tǒng)。具有對環(huán)境污染小，清洗噴絲板板面干凈，絲孔流暢，并可以延長噴絲板的使用壽命以及工作時間短、節(jié)能、操作簡便、清洗效果好、自動化程度高等優(yōu)點。

裝卸系統(tǒng)的結構是：一個能在平面周角（360°）內旋轉任意角度并能旋轉后定位的微型起重機安裝在立式真空清洗爐體外圍處適當位置的機架上，該微型起重機包括可活動的起重臂、定滑輪組、吊索、吊鉤、裝清洗物的吊籃筐及轉動和升降的操縱機構。

1. 真空氣氛爐組成

真空氣氛爐（見圖2-23）適用于化纖行業(yè)的滌綸、錦綸和丙綸生產用的組件、噴絲板、過濾芯等清潔處理，也適用于塑料擠出行業(yè)的模具清潔之用。該設備利用聚合物在300℃左右時可熔融，高于300℃隔絕空氣可裂解焦化，高于400℃在有少量空氣并有一定真空度的環(huán)境中可完全氧化的特性，先將粘有高分子污物的工件加熱到300℃（根據工藝要求擬定），使工件上數量較多的聚合物熔化后流淌到爐膛下部的收集容器內，然后再將爐溫升到400～500℃，同時打開真空泵，并通入少量新鮮空氣，使剩余的聚合物充分氧化，生成的二氧化碳，經水噴淋后通過水環(huán)式真空泵抽吸，和水一起排出爐外。

2. 真空氣氛爐的主要部件

①爐膛　保證鍋爐燃料燃盡并使出口煙氣溫度冷卻到對流受熱面能夠安全工作的數值。

②省煤器　利用鍋爐尾部煙氣的熱量加熱給水，以降低排煙溫度，并起到節(jié)約燃料的作用。

③鍋筒　將鍋爐各受熱面聯(lián)結在一起并和水冷壁、下降管等組成水循環(huán)回路。鍋筒儲存汽水，可適應負荷變化，內部設有汽水分離裝置以保證汽水品質，直流鍋爐無鍋筒。

④水冷壁　鍋爐的主要輻射受熱面，吸收爐膛輻射熱，加熱工質，保護爐墻等。

⑤燃燒設備　將燃料和燃燒所需空氣送入爐膛并使燃料著火穩(wěn)定，燃燒良好。

⑥空氣預熱器　加熱燃料用的空氣，以加強著火和燃燒；吸收煙氣余熱，降低排煙溫度，提高鍋爐效率。

⑦爐墻　其是鍋爐的保護外殼，起密封和保溫作用。小型鍋爐的重型爐墻也可起支承鍋爐部件的作用。

⑧構架　支承和固定鍋爐部件。

3. 真空氣氛爐的優(yōu)點

真空氣氛爐均采用不銹鋼電熱管在真空爐膛內直接加熱，密封部位均采用耐高溫密封圈，不需水冷卻保護所以該設備加熱功率小，熱效率高，升溫速度快，溫度均勻性好，加熱器檢查方便，較爐外帶式加熱器加熱節(jié)電40%，節(jié)水60%，并且克服了由于水冷卻導致的爐內溫度均勻性差，局部清洗效果不好等缺陷。

①減少了氣氛中有害成分（水、氧、氮）對產品的不良影響。例如要使電解氫氣中含水量降至-40℃的露點是相當困難的，而真空度只要達到133Pa就相當于含水量為-40℃的露點。而獲得這樣的真空度是并不困難的。

②對于不宜用還原性或惰性氣體作保護氣氛（如活性金屬的燒結），或容易出現(xiàn)脫碳、滲碳的材料均可用真空燒結。

③真空可改善液相對固相的潤濕性，有利于收縮和改善合金的組織。

④真空燒結有助于硅、鋁、鎂、鈣等雜質或其氧化物的排除，起到凈化材料的作用。

⑤真空有利于排除吸附氣體、孔隙中的殘留氣體以及反應氣體產物，對促進燒結后期的收縮有明顯作用。如真空燒結的硬質合金的孔隙度要明顯低于在氫氣中燒結的硬質合金。

⑥真空燒結溫度比氣體保護燒結的溫度要低一些，如燒結硬質合金時燒結溫度可降低100～150℃。這有利于降低能耗和防止晶粒長大。

真空燒結時，常發(fā)生金屬的揮發(fā)損失。如燒結硬質合金時出現(xiàn)鈷的揮發(fā)損失。通過嚴格控制真空度，即使爐內壓力不低于燒結金屬組分的蒸氣壓，也可大大減少或避免金屬的揮發(fā)損失。真空燒結的另一個問題是含碳材料的脫碳。這主要發(fā)生在升溫階段，爐內殘留氣體中的氧、水分以及粉末內的氧化物等均可與碳化物中的化合碳或材料中的游離碳發(fā)生反應，生成一氧化碳隨爐氣抽出。含碳材料的脫碳可用增加粉末料中的含碳量以及控制真空度來解決。

為了提高真空燒結過程的加熱速度和爐溫的均勻性，在燒結初期可通入適量氣體（惰性氣體或氫氣）。同樣可采用循環(huán)氣體冷卻方法來提高真空燒結的冷卻速度。為了防止燒結中成形劑污染真空裝置系統(tǒng)，壓塊應在真空燒結前進行預燒以排除成形劑。

在粉末冶金中，真空燒結（見圖2-24）主要用于燒結活性金屬和難熔金屬鈹、釷、鈦、鋯、鉭、鈮等；燒結硬質合金、磁性合金、工具鋼和不銹鋼；以及燒結那些易于與氫、氮、一氧化碳等氣體發(fā)生反應的化合物。

4. 真空氣氛爐的操作規(guī)范

真空氣氛爐操作時先查看設備及電源、水源是不是完好，合上控制箱“總電源開關”，接通“控制線路電源開關”，對應指示燈亮。調查爐體上真空表，判別爐內是不是仍有真空度，如處于真空狀況，先打開敞開氣閥向爐內充大氣，待爐表里壓力平衡后，按下“臺車退按鈕”，臺車移出爐膛外，撞上行程開關后主動中止。將待處理的零部件放置在臺車上（臺車上的四個定位銷為運轉到爐內后的有用作業(yè)區(qū)間），然后按下“臺車進按鈕”，直至關好爐門（由行程開關控制中止方位），可將爐體上的四個卡子壓緊。真空氣氛爐接通冷卻水。打開環(huán)進水閥門，接通爐體爐門進水閥門，使水流轉。

真空氣氛爐爐內抽真空。按下水環(huán)真空泵啟動按鈕，水環(huán)泵進行作業(yè)，此時水環(huán)泵作業(yè)指示燈亮。電接點真空表整定到工藝所需求的真空度0.08MPa。真空氣氛爐爐內加熱。當爐內真空度到達0.08MPa時，加熱管主動通電升溫，即接通“恒溫儀電源開關”。整定“智能控溫儀”和“超溫控溫外表”的溫度設定值，通常超溫控制外表的設定值比智能控溫儀的溫度的設定值高15～20℃。爐膛溫度升高到設定值并按工藝需求進行保溫。真空氣氛爐中止加熱。按工藝需求保溫時刻到后，要中止加熱，可將“控溫儀電源開關”轉向斷開方位或許將“智能控溫儀”的設定值降低到室溫。真空氣氛爐水環(huán)泵中止。當爐膛溫度降至200℃以下時，可按下水環(huán)泵中止按鈕，水環(huán)泵停止作業(yè)（二球閥水流量的巨細要與爐內所需求的真空度和諧，調至真空泵抽速與二球閥噴水量滿意爐內真空需求停止。可將調整好的二球閥的手柄拆下，因一次調定后不再動）。

5. 特點

①控制精度：±1℃；爐溫均勻度：±1℃（根據加熱室大小而定）。升降真空氣氛爐。

②操作方便，可編程，PID自整定、自動升溫、自動保溫、自動降溫，無需值守；可另配計算機通訊接口，可通過計算機操作電爐（啟動電爐、停止電爐、暫停升溫、設定升溫曲線、升溫曲線儲存、歷史曲線等）。

③升溫快，升溫速率1℃/h至40℃/min可調。

④節(jié)能爐膛采用進口纖維制作而成，耐高溫、耐急熱急冷。

⑤爐體經精致噴塑耐腐蝕、耐酸堿，爐體與爐膛隔離，采用風冷爐壁，溫度接近室溫。

⑥雙回路保護超溫、超壓、超流、斷電等。

⑦爐膛材料采用進口耐火材料，保溫性能好，耐溫高，耐急冷急熱。

⑧溫度類別：1200℃、1400℃、1600℃、1700℃、1800℃五種。

6. 技術指標

其見表2-4。

7. 真空泵預抽真空法

操作步驟（見圖2-25）：

①把任何一個出氣嘴與真空用軟管連接起來；

②對氣氛爐的爐腔進行預抽真空；

③通入保護氣體；

④再對爐腔進行預抽真空。

8. 噴絲板、濾芯經過真空爐清洗的后續(xù)工藝

為了進一步提高清洗效果，延長組件的使用周期，對用真空煅燒爐清洗過的噴絲板、濾芯還要進行后續(xù)工藝處理，后續(xù)工藝各廠可根據具體情況編排，一般情況下，還要進行下列工藝處理：

①將噴絲板或濾芯放入熱水槽中通入蒸汽，進行水洗，時間20min左右；

②再將噴絲板或濾芯放入超聲波清洗槽中清洗，時間30min左右，超聲波使用頻率為25～40kHz；

③超聲波處理后的工件再用清水沖洗，再用壓縮空氣吹干附著在板面和微孔中的水粒，最后進行鏡檢；

④工件表面有硅油不好處理時，可在超聲波清洗前，用濃度為20%，溫度為60～70℃的KOH溶液清洗2h，并經草酸中和處理后，再進行超聲波處理。

9. 真空煅燒爐的選擇

（1）真空煅燒爐

①適用范圍：粘有物料的噴絲板、過濾網、過濾芯、螺桿、擠出機模頭的清洗。

②工作原理：在低壓真空中灼燒，能使多種化纖聚合物發(fā)生分解，殘留物在同一爐中被水沖刷干凈，能自動控制，操作方便。

③外形分類：臥式真空煅燒爐、立式真空煅燒爐、井式真空煅燒爐、柜式真空煅燒爐。

（2）真空煅燒爐選型

一般情況下，臥式真空煅燒爐適合大型的工件、不能堆放的噴絲板、模頭、過濾網和過濾芯等，但成本相對要高；

立式真空煅燒爐相對成本要低一些，不適合細長的和不能堆放的工件；

柜式真空煅燒爐適合細長的螺桿等工件；

井式真空煅燒爐因為造價成本太高，現(xiàn)在應用比較少。

目前市場上常用的就是臥式真空煅燒爐、立式真空煅燒爐。

（3）最后選擇的尺寸

根據自己所在的行業(yè)和需要清洗的高聚物來確定真空煅燒爐的設計溫度，然后根據工件的尺寸和數量來確定真空煅燒爐的爐膛尺寸。

10. 真空熱處理爐的節(jié)能技術

真空熱處理爐是一種先進的熱處理設備。其可以進行金屬材料和工件的真空加熱、淬火、回火、退火、滲碳、滲氮、加壓氣淬等各種熱處理，也可進行粉末冶金燒結、航空航天工件釬焊等，真空熱處理過程能使被處理材料和工件性能顯著提高，材料得到充分利用。因而，廣義上真空爐是一種明顯節(jié)省單位能的先進的熱處理設備（見圖2-26）。

選用適當的爐室內加熱元件和隔熱材料，對于減少爐子本身能耗、提高加熱效率是有重要意義的。加熱元件一般情況可采用鎳鉻合金或鐵鉻合金，工件溫度要求1000℃以上時，應采用鉬、鎢或石墨。對于隔熱材料，除了要有良好的隔熱性能外，還要求除氣迅速、熱容量小、熱穩(wěn)定性好，主要采用金屬隔熱屏、碳氈及耐火纖維制品。

金屬隔熱屏一般用鉬、鉭或不銹耐熱鋼制成，脫氣快，但隔熱效果差。碳氈和耐火纖維制品熱容量小，隔熱效果好，而且價格便宜。隔熱屏的構成和厚度對真空電阻爐的熱效率有顯著影響。西安電爐研究所曾對不同厚度的碳纖維及碳纖維氈與硅酸鋁耐火毯的混合結構，在不同溫度下的保溫性能進行了試驗。表2-5給出了四種不同結構在1000℃以下不同溫度空載功率的相對值比較，其中C代表碳纖維氈，Si代表耐火纖維毯。由表2-5中可看出，Si-C復合屏的節(jié)能效果好，30mm厚的復合屏甚至優(yōu)于50mm厚的碳氈屏。表2-6給出了1100～1200℃下三種不同保溫屏的真空爐年空載耗電量及保溫屏成本的對比。

由表2-5、表2-6的比較可以看出，Si-C復合屏由于耐火纖維氈與碳氈的特性有互補性，使得真空爐的空載能耗小，成本也低。因而，確實為較理想的節(jié)能保溫屏結構。

由以上試驗結果及綜合考慮，對于爐溫在1000℃以下的真空爐，推薦外層20mm硅酸鋁纖維毯及內層10mm碳氈的結構：對于1000℃以上、1320℃以下的真空爐，推薦外層20mm硅酸鋁纖維毯及內層20mm碳氈的保溫屏結構。

真空滲碳爐是工業(yè)應用的先進熱處理工藝，真空滲碳的突出優(yōu)點是滲碳溫度較高，因而速度快，同時，滲碳氣氛的消耗比氣體滲碳情況大大減少。這樣，滲碳工件平均單耗和成本都下降了。發(fā)展早期的炭黑沉積問題，近來采用了低爐壓、小流量的脈沖滲碳技術已能有效地加以控制。重慶某廠對其噴油嘴針閥體工件，由常規(guī)的固體和氣體滲碳改為在真空爐中直接利用天然氣進行真空滲碳，取得了顯著的節(jié)能效果和經濟效益。

由表2-7可以看出，真空滲碳與固體滲碳相比，每年平均能多處理36.5萬工件，與氣體滲碳相比，每年平均多處理18.3萬工件。以上增產量是根據全年工作日、兩班制及85%的設備利用率假設推算的。

表2-8則給出了1988年1～9月氣體滲碳及真空滲碳實際處理工件數、運行費用（主要是電耗）以及單件平均費用。顯然，真空滲碳有明顯的節(jié)能效果。