3.2 电极盐浴炉
3.2.1 电极盐浴炉的结构
电极盐浴炉的结构按电极分布可分为插入式和埋入式两种。插入式盐浴炉的电极是从坩埚上方垂直插入熔盐的，所用的交流电源有单相和三相。单相电炉有两根电极，布置比较简单。三相盐炉的电极在截面不同的坩埚中的布置方式如图3-20所示。三相盐浴炉的电极在侧面的布置方式如图3-20（a）～图3-20（d）所示。当盐槽相当宽的时候，如淬金刚石锯基（大而薄的65Mn钢圆锯片）时，常采用三相六极并排的布置方式［见图3-20（d）］；或采用四根电极并排布置，使两端的两根电极同相［见图3-20（c）］；或采用三根电极并排布置，并在电极前面再加一块中性板［见图3-20（b）］。坩埚也可以制成正六边形或圆形，三根电极对称分布在三边。
图3-20 三相插入式电极盐浴炉电极布置方式
插入式电极盐浴炉是20世纪50年代从国外引进的热处理加热设备，对我国机械行业的快速发展起到了很大的作用，但它存在不少缺点，目前只在高速钢回火等少部分浴槽中使用，日趋淘汰，主要缺点表现在三个方面。
①使用效率低且耗电量大。即使是最简单的单相盐浴炉，它的有效使用面积也只有盐浴面积的2/3，其余的1/3被电极区占据，不能用于生产，造成热量损失，浪费大量的电力，见图3-21（a）。
图3-21 插入式电极盐浴炉的结构及使用情况
1—坩埚；2—炉膛；3—炉胆；4—冷却水管；5—汇流排；6—电极柄；7—电极；8—炉盖
②电极损耗大。由于电极直接插入盐浴，在盐浴与空气交界处极易产生氧化，造成“缩颈”现象，见图3-21（b），这使交界处的电流密度增大，发热剧增，更加速了电极的损坏，这种情况在高温盐浴炉中更为突出，电极寿命很短，若三班制作业，电极用10d就得更换。
③炉底有斜坡，易烧坏工件。插入式电极一般布置在炉膛的一侧，在电极附近的熔盐温度较高，远离电极的底部温度最低，造成盐浴温度不均匀，在远离电极的温度死角处，易使炉渣沉积，不易扒去，使炉底严重倾斜，如图3-21（c）所示，炉膛深度大大减小，加热工件被迫向电极靠拢，由于磁场及炉渣的双重影响，很容易烧伤工件。
鉴于插入式盐浴炉有如此严重的弊端，国内热处理同仁经过多年的试验研究，对插入式盐浴炉进行了大胆的改造，研制成功多种型号的埋入式炉子，这是热处理加热设备的一项重大革新成果。
将插入式改为埋入式，节电30％左右。经过认真筛选，现在的埋入式电极盐浴炉的基本结构类型有侧埋式和顶埋式两种，示意图分别见图3-22和图3-23。插入式、埋入式盐浴炉的工作原理相同，所不同的是，埋入式电极盐浴炉较插入式盐浴炉提高了工作电压，插入式盐浴炉为5.5～17.4V，而埋入式电极盐浴炉的工作电压为14～36V，另外，埋入式电极盐浴炉的电极几乎都安设在坩埚侧壁内，只有一个面与盐浴接触。
图3-22 侧埋式电极结构
图3-23 顶埋式电极结构
1—炉胆；2—坩埚；3—电极柄；4—电极
与插入式电极盐浴炉相比，埋入式电极盐浴炉有以下优缺点。
①炉膛容积有效利用率高，生产量大，耗电量小。因为埋入式电极盐浴炉没有插入式电极盐浴炉1/3无用的熔盐表面及散热面积，故装炉量可提高20％～30％，耗电量可节约20％～30％。
②炉温均匀，加热质量好。插入式电极盐浴炉的炉温，一般在同一水平截面上的温差达10～15℃。深度方向的温差达15～25℃。尽管埋入式电极盐浴炉熔盐的强迫循环不如插入式电极盐浴炉好，但由于电极位于炉膛下部的侧壁，靠下部的熔盐导电发热，有利于自然对流，且工件一般位于电极区以上加热，不会因电流通过工件而过热。因此，埋入式电极盐浴炉的炉温均匀性较好，一般在深度方向的温度差不会超过10℃，在同一水平截面上的温差则更小。
③主电极不与空气接触，使用寿命较长。
④操作方便，由于炉膛中没有电极引出柄，故工件装炉、出炉方便。埋入式电极盐浴炉启动时，是从下部逐步向上熔化的，所以散热损失少。启动快，且炉底平整，捞渣方便。
⑤便于实现机械化、自动化操作，减轻工人的劳动强度。
⑥埋入式电极盐浴炉的缺点是：电极与坩埚固为一体，制造维修困难，不能像插入式电极盐浴炉那样单独调换电极或坩埚；侧埋式电极盐浴炉的金属电极与耐火材料的膨胀系数不同，易漏盐、短路等。
DM、RDM系列埋入式电极盐浴炉的主要技术参数分别见表3-13、表3-14。
表3-13 DM系列埋入式电极盐浴炉的规格与主要参数
表3-14 RDM系列埋入式电极盐浴炉的技术参数
3.2.2 电极盐浴炉的设计
（1）炉膛尺寸及功率的确定 几乎所有的工具厂不大会去电炉厂买盐浴炉，往往都是根据本单位的产品结构及其批量，自行设计炉型。炉膛尺寸与熔盐体积、工件的形状、尺寸、一次装炉量及工件在炉膛内的放置位置有关。如果未知料筐尺寸或工件大小，可以根据炉子的功率，按照表3-15、表3-16进行类比，来确定炉膛尺寸。
表3-15 各种盐在不同温度下的密度
表3-16 电极盐浴炉单位体积熔盐所需功率Po
（2）电极盐浴炉功率的确定 电极盐浴炉所需的功率可由热平衡计算得到，但计算过程比较复杂，实际设计中多采用经验公式来计算。盐浴炉所需的功率与熔盐的体积存在一定的关系，即：
P=VyPo
式中 P——电极盐浴炉所需的功率，kW；
Vy——熔盐体积，dm3；
Po——电极盐浴炉单位体积熔盐所需的功率，kW/dm3。
各种盐浴的生产效率可查阅有关书籍或从实践中摸索。
电极盐浴炉单位体积熔盐所需的功率Po可由表3-16查出。此表对插入式盐浴炉较适合，对于埋入式盐浴炉，在此基础上，相应的乘上系数1.3～1.5。
埋入式电极盐浴炉在中国推广运用四十多年，还比较成功，但炉体设计尚缺乏完整的数据，各单位采用的数据也不一致，某工具厂及原上海电炉厂的数据有代表性，可供参考，见表3-17。
表3-17 某工具厂及原上海电炉厂所选用的单位体积功率Po
表3-17所列的Po值适用于额定功率为30～150kW，炉膛深度一般为600～700mm，空炉升温要求<2h。在选用Po值时，除考虑盐炉的功率大小及炉温高低外，还要兼顾其他具体情况，对炉膛较深而熔盐散热面较小者，应该取小值；反之取大值。对于要求快速加热或大量连续生产的盐炉，K值应取大些，以保证有足够的功率，例如，340mm×360mm×550mm（深）的高温盐浴炉，按设计100kW足矣，但各厂大多选用125kW，因为高温加热压温太多对质量及节能都不利。
3.2.3 电极盐浴炉的启动
由于固态盐的电阻值很大，不能在工作电压下使其导电，因此，在盐浴炉开始工作前需先用相应的启动方法使电极间的盐熔化，各种书刊杂志上报道的盐浴启动方法很多，归纳起来可分为两大类：即传统的电阻加热启动法和快速启动法。
（1）传统的电阻加热启动法 常用的ф16～20mm Q215A或Q235A钢绕制成螺旋形使用，螺旋直径90～160mm不等，螺距25～30mm，也可以用板条制成波纹形，还有的用废旧的ф7～10mmCr20Ni80或Cr25Al5电热丝焊制。电阻加热器（也称启动电阻），置于工作电极之间，通电后发热将附近的固态盐熔化，进一步工作电极（亦称主电极）导通，熔化整个盐浴，并升温到一定的温度（如中温炉升到820℃），取出启动电阻，接通主电极，直接加热升温。
（2）快速启动法 主要有盐渣低压启动、盐渣高压启动和双功能电极启动。
①盐渣低压启动。这种启动方法是利用盐浴炉底部盐渣电阻率较小的特性，在主电极下方安装一金属启动电极，使极间距离为15～20mm，以尽量减少极间电阻，使极间电阻保持在3Ω左右。启动时，当主电极接通工作电压后，极间的盐渣即导电发热，将附近的盐熔化，直至使主电极之间的盐逐渐全部熔化。
②盐渣高压启动。利用较高的电压将电极间的盐渣击穿，导电发热使固盐熔化而启动。盐渣高压启动的关键在于提供较高电压的装置。供电装置有晶闸管连续可调电压装置、分离式快速启动电源装置，亦可在盐炉变压器二次侧增设启动绕组，输出110V和40V的高压。采用这些高压装置启动时，先以高压击穿电极间的盐渣混合物，使极间先导通，固态盐熔化。此时，电阻减少，应根据熔盐导通的程度调节启动电压，逐步过渡到用主电极工作的状态。
③双功能电极启动。这种方法多用于三相电极盐浴炉的启动。将启动电极与工作电极设计为一体，兼有启动和加热的双重功能，有环形、折叠形和工字形三种，如图3-24所示。制作时，先将几块钢首尾焊接，再焊上主柄和副柄，钢板之间用绝缘材料隔开。安装时，将其中一个电极的主柄与盐炉变压器连接，称主柄；另一个电极柄为副柄。启动时，将三个电极的副柄用启动铜排连接，即组成一星形连接的电阻加热器，待盐熔化后，断开铜排，该电极即起工作电极的作用。工字形双功能电极［图3-24（c）］在断开启动铜排后，可用铜排将电极的主柄和副柄连接起来，使电极起工作电极的作用。
图3-24 双功能电极示意图
1—启动铜排；2—副柄；3—主柄；4—电极
山西长治、甘肃兰州等地，还获得多项盐浴炉快速启动的国家发明专利，对热处理节能减排很有贡献。
3.2.4 盐炉变压器
盐炉变压器为低电压大电流变压器，初级电压一般为380V或220V，次级电压在安全电压36V以下，变压器的功率应比盐浴炉的额定功率大10％～20％。盐炉常用变压器有以下4种。
（1）空气变压器 这类变压器有ZUDG型和ZUSG型，其冷却效果好，绝缘可靠，结构坚固，运行安全；可在超过额定容量40％以内过负荷使用，但运行时间不得超过1.5h。其缺点是调压级数较少，不易精确控温，呈淘汰之势，目前只有极少数工具厂在用。
（2）内冷盐浴炉变压器 这类变压器可向铜管绕组内通水冷却，水压0.1～0.2MPa，进水温度≤30℃，出水温度≤50℃，要防止漏水，切忌断水通电。其缺点是要提供大量的清洁软化水，不符合节能减排大方向，应用企业极少。
（3）油浸式盐浴炉变压器 这类变压器用油浸绕组冷却，并装有电抗器，可以带电调级，便于调节温度，变压器的用量有限，往往只在小功率电炉上使用。
（4）磁性调压器 这类变压器是借改变励磁线圈的电流，控制铁心的磁导率及一次侧线圈的感应阻抗，可以连续无级调节，使电流平稳变化，并可自动控制。该型号变压器大约在20世纪70年代初问世，1973年由苏州变压器厂定型生产，1982年列入机械部行业标准（JB3086—82《磁性调压器》），在盐炉上得到广泛的运用。其技术数据见表3-18。
表3-18 TDJH2、TSJH磁性高压器的技术参数
3.2.5 盐浴炉的操作及维护
盐浴炉的使用操作要点如下。
①设备应处于完好状态，控制仪表工作正常，水冷套畅通，无漏水现象，风机工作正常，炉体及变压器外壳接地可靠。
②中途停止工作时，应将变压器调至低挡保温或将控制电流调小，并盖上炉盖，尽量减少热损耗。
③操作时应戴好防护眼镜、手套等劳保用品，以防烫伤；在高温炉前操作时，应戴好有色防护眼镜。
④调节变压器挡位时，必须断电操作，以免烧毁接点。
⑤严禁在变压器汇流排上放置工件、工具等一切物品。
⑥往硝盐浴、碱浴中加水时，最好在室温下进行。如必须在较高温度下加水，则温度不宜超过150℃，并应徐徐倾入。
⑦长时间使用时，炉温不得超过额定值，高温炉为1320℃，中温炉为950℃，硝盐炉为600℃。
⑧盐浴要定期脱氧捞渣、添加新盐，维持盐面高度。
⑨工件在炉中加热位置应适中，不得靠近炉壁、炉底及电极。
⑩应采用自动控温装置，进出炉时间应自控准确。
调节温度应按有关程序操作。
不得将湿盐、湿件进炉，工件需经充分预热后方可入浴加热。
不得将带有硝盐的夹子、淬火钩进入高、中温盐浴炉中。
不得将废纸、棉纱头、塑料袋扔到炉中焚烧。
废渣应存放在固定处，经“三废”处理或交环保部门，不得随意倾倒。
盐浴炉的维护和保养如下。
①保持盐浴炉、变压器及控制柜的清洁，工作完毕后必须打扫场地。
②定期检查登记表、指示温度误差不应大于±5℃。
③接触器、红绿灯工作正常。
④电极的水流系统畅通，无漏水现象。
⑤风机运转正常，定期消除烟道积灰。
⑥仪表控制室应清晰明亮，不得用脏手触及登记表。
⑦坩埚炉2～3个月应清理一次，清除搁砖上的氧化皮。
⑧坩埚不用时要盖好炉盖。
⑨重新启动电极式盐浴炉时，要注意安全。
⑩新炉在使用前，必须将炉体和炉膛（坩埚）烘干，可在炉膛中燃烧少量的木炭或木柴，逐步提高温度，再用电阻加热器进行烘干，烘干时间至少36h，直到炉体外壳达到35～40℃为止。
3.2.6 筑炉工艺
几乎所有的工具厂所用的盐浴炉都是自家制造的，炉体有砖砌的，也有用耐火材料捣打或浇注而成的，以下简述用捣打法制造的炉胆工艺，仅供参考。
①炉料配方（质量分数）：颗粒直径6～15mm低铝石40％+颗粒直径<6mm低铝石30％+低铝细粉30％，外加工业磷酸（浓度85％、密度1.70g/cm3）9％～9.5％。
②筑炉材料应搅拌均匀，其检验标准以用手捏紧，松手后先成团后部分散掉为佳。
③将搅拌均匀的炉料堆积，用草包覆盖24～48h，使其得到充分反应，以便捣实筑炉。
④为了便于打炉（重新拆掉再打），可在炉底铺放5～8层干净的报纸，然后加上筑炉材料，每次加35～40mm为宜，不可多加（多加不易捣打结实），加40mm高捣实约20mm。
⑤电极与炉体接触处抹点黄油，然后用旧报纸或油纸包4层，目的是纸自焚，留有空隙，不至于由于加热电极膨胀，而导致炉胆胀裂。
⑥捣打到一定深度，放入钢模芯（也可用木模芯，注意留有拔模斜度，木模芯可在炉胆打好后烧掉），在钢模四周涂一层黄油，包两层油纸，在筑炉完工后，先烘一下炉，然后起模。注意：拔模斜度，钢模所有棱倒圆，便于起模。
⑦放下模芯再捣实到规定深度，用吊车吊进电极，摆正位置。
⑧捣打完工前，在表面撒一层低铝细粉，再捣打紧实、平整。放小火在模芯内焚烧，吊出模芯。
⑨烘炉用电阻丝加热，放在炉膛中烘烤，其工艺为：300～400℃烘3～4d，500～600℃烘2～3d。第一次烘炉应缓慢升温，因为急热会使炉体开裂。