超高温氧化锆加热隧道窑

超高温氧化锆加热隧道窑

摘要：介绍了超高温氧化锆隧道窑，该隧道窑采用自主研发的氧化锆发热元件，在氧化气氛下炉膛长期使用温度为1950℃，最高工作温度可达2000℃。该设备的研制成功填补了该项领域的世界空白。

关键词：氧化锆发热元件；隧道窑；超高温；氧化气氛

1前言

隧道窑因共生产效率高、生产成本低、劳动条件好，机械化程度高等优点，是目前陶瓷、耐火材料等无机非金属材料领域烧结或热处理应用较多的现代化炉窑。由于受到发热元件、耐火材料、炉体结构等诸多因素技术水平的限制，目前使用的氧化气氛隧道窑温度一般不超过1700℃。炉膛使用温度大于1700℃的窑炉必须在保护性气氛下使用，不仅大大提高了炉窑的使用成本，而且无法实现在氧化气氛下进行材料烧结或热处理，制约了功能材料工业的发展。历经十几年研究，近期中国钢研在超高温氧化气氛箱式炉的基础上研制成功了以氧化锆为发热元件的超高温氧化锆隧道窑，氧化气氛下最高工作温度可达2000℃，长期使用温度为1950℃，填补了该项领域的世界空白。

2氧化锆发热元件加热系统

发热元件是电炉的“心脏”，发热元件的选择至关重要。超高温氧化锆隧道窑采用了自主研发的氧化锆质发热元件。该种发热元件是目前世界上唯一能在氧化气氛下使用温度高达2000～2200℃的发热元件，也是目前氧化气氛下使用温度最高的发热元件。中国钢研自主研制的以铬酸锶镧为引线体的氧化锆发热元件，使用温度2000℃，发热元件使用寿命可达1000h以上。此氧化锆发热元件产品经历了相当长的一个开发研制阶段，曾获国家技术发明奖、国际发明展览会金奖和国家火炬产品优秀奖。

氧化锆常温下不导电，电阻率随着温度的升高逐渐减小，氧化锆发热元件与电阻率的关系。一般情况下氧化锆质发热元件加热到1500℃左右才能成为较好的导体，因此采用氧化锆作为发热元件的电炉，必须设置辅助的加热系统。

超高温氧化锆隧道窑设置了两套加热系统。辅助加热系统由二硅化钼(MoSi2)发热元件组成，其作用是将隧道窑的炉膛温度由室温加热至1000℃以上。MoSi2发热元件采用串联连接，并从炉顶吊挂于辅助加热区的两侧。当炉膛温度大于1000℃以后，启动由氧化锆发热元件组成的主加热系统，按照设定的温度工艺曲线将炉膛温度加热最高至1950～2000℃。

3超高温氧化锆隧道窑炉体结构

超高温氧化锆隧道炉由炉体、炉内发热元件、载料滑板、炉外滑板轨道、电液推杆、进出料小车、小车轨道、电动炉门、温度检测、高精度温度控制系统及PLC控制系统等组成。炉膛空间从进料口开始分为进料区、预热区、升温区、高温区、降温区、冷却区和出料区。

超高温隧道窑的炉衬采用电绝缘性高的电熔镁质耐火砖砌筑而成，镁质耐火材料耐火度高，但线膨胀系数较大。为了防止高温下耐火材料膨胀造成炉体损坏，炉体采用特殊的结构形式。

隧道窑在高温下因为材料热变形而导致窑车行走不畅的情况时有发生，而普通台车式窑车结构更是无法满足超高温隧道窑的使用要求。采用台车式窑车结构进行高温实验时，多次发生炉底拱起和窑车卡住的现象。为了保证超高温隧道窑的窑车连续正常运转，经过若干次实验后最终选择端进料侧出料方式的滑板式炉底结构。升温实验证明该种结构不仅能够保证高温下载料滑板在炉膛顺畅运转，而且可以大大减少炉膛的热量损失。炉底使用耐火材料铺设并在其上设置定位导轨，专用载料滑板放置于炉底上，通过两套电液推杆推动载料滑板在炉膛内沿导轨移动。

在生产过程中，首先使用电液推杆将载有物料滑板的进料小车沿小车轨道推至进料口位置，通过进料端电液推杆将载料滑板推入炉内进料区，同时位于冷却区末端的载料滑板被推至出料区位置，使用出料端电液推杆将载料滑板推至出料小车上，以此实现了物料的连续生产过程。

4温控系统

隧道窑内升温区、高温区、降温区分别布置测温装置，各区可分别按工艺要求设定温度并独立控温。升温区和降温区既可在隧道窑升温时帮助高温区提升温度又可在连续生产时根据工艺需要提供合适的温度梯度。

炉膛温度的控制使用PID运算精确控制，控温精度可达千分之一度。满足各种材料的烧结和热处理制度要求，并可根据工艺要求设定不同的温度曲线。高温区测温装置分为两套，低于1750℃使用铂铑热电偶测温，高于1750℃使用红外测温装置测温。

5 PLC自控系统

超高温氧化锆隧道窑能够实现工业化大规模生产，电动炉门升降、炉底滑板行走、装出料电液推杆等动作均由PLC系统编程控制，整个生产流程实现自动化控制。

6结论

(1)中国钢研研制的超高温氧化锆隧道窑连续升温烧结实验证明，在氧化气氛下炉膛温度长期保持在1950℃左右，隧道窑整体运转良好。

(2)超高温氧化锆隧道窑突破了现有氧化气氛下材料烧结温度的限制，创造性的将烧结温度提高了250～300℃，该设备的研制成功填补了在超高温氧化气氛烧结领域的世界空白。

(3)超高温氧化锆隧道窑能够实现规模化工业生产，为功能材料等新材料领域工业化生产应用奠定了基础。

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