1前言

隧道窯因共生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、勞動(dòng)條件好，機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前陶瓷、耐火材料等無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域燒結(jié)或熱處理應(yīng)用較多的現(xiàn)代化爐窯。由于受到發(fā)熱元件、耐火材料、爐體結(jié)構(gòu)等諸多因素技術(shù)水平的限制，目前使用的氧化氣氛隧道窯溫度一般不超過(guò)1700℃。爐膛使用溫度大于1700℃的窯爐必須在保護(hù)性氣氛下使用，不僅大大提高了爐窯的使用成本，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)在氧化氣氛下進(jìn)行材料燒結(jié)或熱處理，制約了功能材料工業(yè)的發(fā)展。歷經(jīng)十幾年研究，近期中國(guó)鋼研在超高溫氧化氣氛箱式爐的基礎(chǔ)上研制成功了以氧化鋯為發(fā)熱元件的超高溫氧化鋯隧道窯，氧化氣氛下最高工作溫度可達(dá)2000℃，長(zhǎng)期使用溫度為1950℃，填補(bǔ)了該項(xiàng)領(lǐng)域的世界空白。

2氧化鋯發(fā)熱元件加熱系統(tǒng)

發(fā)熱元件是電爐的“心臟”，發(fā)熱元件的選擇至關(guān)重要。超高溫氧化鋯隧道窯采用了自主研發(fā)的氧化鋯質(zhì)發(fā)熱元件。該種發(fā)熱元件是目前世界上唯一能在氧化氣氛下使用溫度高達(dá)2000～2200℃的發(fā)熱元件，也是目前氧化氣氛下使用溫度最高的發(fā)熱元件。中國(guó)鋼研自主研制的以鉻酸鍶鑭為引線體的氧化鋯發(fā)熱元件，使用溫度2000℃，發(fā)熱元件使用壽命可達(dá)1000h以上。此氧化鋯發(fā)熱元件產(chǎn)品經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)開發(fā)研制階段，曾獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)、國(guó)際發(fā)明展覽會(huì)金獎(jiǎng)和國(guó)家火炬產(chǎn)品優(yōu)秀獎(jiǎng)。

氧化鋯常溫下不導(dǎo)電，電阻率隨著溫度的升高逐漸減小，氧化鋯發(fā)熱元件與電阻率的關(guān)系。一般情況下氧化鋯質(zhì)發(fā)熱元件加熱到1500℃左右才能成為較好的導(dǎo)體，因此采用氧化鋯作為發(fā)熱元件的電爐，必須設(shè)置輔助的加熱系統(tǒng)。

超高溫氧化鋯隧道窯設(shè)置了兩套加熱系統(tǒng)。輔助加熱系統(tǒng)由二硅化鉬(MoSi2)發(fā)熱元件組成，其作用是將隧道窯的爐膛溫度由室溫加熱至1000℃以上。MoSi2發(fā)熱元件采用串聯(lián)連接，并從爐頂?shù)鯍煊谳o助加熱區(qū)的兩側(cè)。當(dāng)爐膛溫度大于1000℃以后，啟動(dòng)由氧化鋯發(fā)熱元件組成的主加熱系統(tǒng)，按照設(shè)定的溫度工藝曲線將爐膛溫度加熱最高至1950～2000℃。

3超高溫氧化鋯隧道窯爐體結(jié)構(gòu)

超高溫氧化鋯隧道爐由爐體、爐內(nèi)發(fā)熱元件、載料滑板、爐外滑板軌道、電液推桿、進(jìn)出料小車、小車軌道、電動(dòng)爐門、溫度檢測(cè)、高精度溫度控制系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)等組成。爐膛空間從進(jìn)料口開始分為進(jìn)料區(qū)、預(yù)熱區(qū)、升溫區(qū)、高溫區(qū)、降溫區(qū)、冷卻區(qū)和出料區(qū)。

超高溫隧道窯的爐襯采用電絕緣性高的電熔鎂質(zhì)耐火磚砌筑而成，鎂質(zhì)耐火材料耐火度高，但線膨脹系數(shù)較大。為了防止高溫下耐火材料膨脹造成爐體損壞，爐體采用特殊的結(jié)構(gòu)形式。

隧道窯在高溫下因?yàn)椴牧蠠嶙冃味鴮?dǎo)致窯車行走不暢的情況時(shí)有發(fā)生，而普通臺(tái)車式窯車結(jié)構(gòu)更是無(wú)法滿足超高溫隧道窯的使用要求。采用臺(tái)車式窯車結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫實(shí)驗(yàn)時(shí)，多次發(fā)生爐底拱起和窯車卡住的現(xiàn)象。為了保證超高溫隧道窯的窯車連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)若干次實(shí)驗(yàn)后最終選擇端進(jìn)料側(cè)出料方式的滑板式爐底結(jié)構(gòu)。升溫實(shí)驗(yàn)證明該種結(jié)構(gòu)不僅能夠保證高溫下載料滑板在爐膛順暢運(yùn)轉(zhuǎn)，而且可以大大減少爐膛的熱量損失。爐底使用耐火材料鋪設(shè)并在其上設(shè)置定位導(dǎo)軌，專用載料滑板放置于爐底上，通過(guò)兩套電液推桿推動(dòng)載料滑板在爐膛內(nèi)沿導(dǎo)軌移動(dòng)。

在生產(chǎn)過(guò)程中，首先使用電液推桿將載有物料滑板的進(jìn)料小車沿小車軌道推至進(jìn)料口位置，通過(guò)進(jìn)料端電液推桿將載料滑板推入爐內(nèi)進(jìn)料區(qū)，同時(shí)位于冷卻區(qū)末端的載料滑板被推至出料區(qū)位置，使用出料端電液推桿將載料滑板推至出料小車上，以此實(shí)現(xiàn)了物料的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程。

4溫控系統(tǒng)

隧道窯內(nèi)升溫區(qū)、高溫區(qū)、降溫區(qū)分別布置測(cè)溫裝置，各區(qū)可分別按工藝要求設(shè)定溫度并獨(dú)立控溫。升溫區(qū)和降溫區(qū)既可在隧道窯升溫時(shí)幫助高溫區(qū)提升溫度又可在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)根據(jù)工藝需要提供合適的溫度梯度。

爐膛溫度的控制使用PID運(yùn)算精確控制，控溫精度可達(dá)千分之一度。滿足各種材料的燒結(jié)和熱處理制度要求，并可根據(jù)工藝要求設(shè)定不同的溫度曲線。高溫區(qū)測(cè)溫裝置分為兩套，低于1750℃使用鉑銠熱電偶測(cè)溫，高于1750℃使用紅外測(cè)溫裝置測(cè)溫。

5 PLC自控系統(tǒng)

超高溫氧化鋯隧道窯能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，電動(dòng)爐門升降、爐底滑板行走、裝出料電液推桿等動(dòng)作均由PLC系統(tǒng)編程控制，整個(gè)生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

6結(jié)論

(1)中國(guó)鋼研研制的超高溫氧化鋯隧道窯連續(xù)升溫?zé)Y(jié)實(shí)驗(yàn)證明，在氧化氣氛下爐膛溫度長(zhǎng)期保持在1950℃左右，隧道窯整體運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

(2)超高溫氧化鋯隧道窯突破了現(xiàn)有氧化氣氛下材料燒結(jié)溫度的限制，創(chuàng)造性的將燒結(jié)溫度提高了250～300℃，該設(shè)備的研制成功填補(bǔ)了在超高溫氧化氣氛燒結(jié)領(lǐng)域的世界空白。

(3)超高溫氧化鋯隧道窯能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)，為功能材料等新材料領(lǐng)域工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。