工业加热用户始终面临着汽车、航空和钢铁行业新型特殊材料热处理的挑战。新型材料不断突破炉温和使用环境的极限，造成产能和效率降低，排放增加，维修工作量加大。
为使加热炉部件能够在这样的极端条件下可靠地使用，陶瓷材料起到了至关重要的作用。不过，传统的陶瓷材料只能设计成简单的炉管、翅片和喷嘴。所以，它们的大规模应用受到限制，对提高可持续性的作用并不大。
能耗趋势
为了能够将热效率从70%提高到85%，在超过1,200°C（2,192°F）的温度下使用，并且采用先进的低排放燃烧器，要求陶瓷材料能够被制成最合适的形状，包括现有制造工艺不可能制出的扭带、扭曲通道和复杂的带孔结构。
先进的增材制造（AM）碳化硅（SiC），包括3D打印部件，为高温加热设备的用户、设计人员和制造商带来了新的机会。
在美国，所有制造活动的合计能耗超过了14千万亿BTU，产生了5亿多吨二氧化碳（美国能源部2010年能源统计）。这占到了全世界能源消耗和排放的18%。
制造和组装一辆典型的汽车需要消耗25 – 30 GJ（23 – 28 MMBTU）能量，产生1吨以上的二氧化碳排放（美国阿贡国家实验室，2010年9月）。
加热工艺是典型制造厂最大的单一废热来源。由于美国每年制造超过300万辆汽车，消耗75万亿BTU能量，减少工艺加热产生的废热和排放对确保可持续发展和减少环境影响至关重要。
高温下效率降低的问题
在汽车制造业，间接加热“气氛”炉占到了高温（>700°C或1,292°F）工艺的相当大一部分。热源通常采用单端U形燃气辐射管，热效率接近70%LHV。由于典型的气氛成分包括了氢、氮、碳和氧，辐射管材质的选择成为了密闭式炉维修的一个关键问题。
当炉温接近900°C – 1,000°C（1,650°F – 1,830°F）时，效率明显下降而排放明显增多。镀铝硅钢板的热冲压就是这类工艺的一个例子。钢板在炉内被加热到900°C，然后热压成形。部件表面生成的一个铝硅铁层提供了强度和耐蚀性能。
这种工艺需要的高温使燃烧的热效率降低，传给炉膛的有效热量减少了10%以上。所以，产能出现下降，而能耗水平提高。较高的工作温度还可能增加氮氧化物产生量和缩短部件使用寿命。
工业标准型单端辐射管和U形管燃烧系统（图1和2）的组成包括了辐射管、燃烧器、换热器和辐射管插件。系统的运行功率在25 – 100千瓦之间，效率接近70%。镍铬合金加工的辐射管（比如330、600、601及铸造合金HT和HX）经常被用在材料加热温度低于1,100°C（2,012°F）的情况下。
图1. 单端辐射管和部件截面图
图2. U形辐射管和部件截面图
陶瓷辐射管的机会
碳化硅辐射管（图3）适合于工作温度超过1,200°C的用途，因为它们与传统材料相比放热能力更大。用热通量来衡量的放热能力的增大使加热炉能够在辐射管数量、绝热方案和产能水平保持不变的情况下达到更高温度。
图3. 碳化硅辐射管（照片由Elster有限责任公司提供）
这些辐射管一定不能透气，不能有孔洞，要最大限度减少晶间氧化，还要具有足够的强度满足水平和垂直安装的需要。它们必须能够在含有氢、氮、碳和氧的气氛中在沾染铝、硅和铁等物质的情况下使用至少3 – 5年。
反应烧结碳化硅辐射管的制造工艺已经取得了很大进步，能够生产出直径达到300毫米（11.8英寸）、长度达到3,000毫米（118英寸）的产品。不过，业界对碳化硅U形管的接受度并不高，因为它们采用了热膨胀系数不同的多个部件组合的设计。
采用不同的接合和安装方式来解决热膨胀和强度问题，在一些应用中取得了很好的效果。对汽车和钢铁行业的高温工艺来说，提供性能可靠和使用寿命长的陶瓷U形管的能力始终是一个挑战，同时也是一个很好的机会。
陶瓷火焰管的机会
火焰管通常用来引导火焰和废气并提高温度均匀性。无论是用在金属还是陶瓷辐射管内，这些部件都必须能够在温度超过1,100°C的低氧燃烧环境下使用，并且适应辐射管尺寸随时间的变化(变成椭圆和下垂)。使用设计合理的火焰管将有助于提高辐射管的温度均匀性和减少氮氧化物排放。尤其是在操作温度很高使燃烧效率有所降低的情况下，这方面的作用更加明显。
陶瓷辐射管插件的机会
随着硅化碳化硅扭带等专利产品（比如SpyroCor™）的推出，辐射管插件（图4）在最近10年间的接受度显著提高。
图4. 辐射管插件
目前的工业数据表明，世界各地已经安装了超过50,000套SpyroCor扭带装置，每年的节能幅度超过了2万亿BTU。辐射管插件通过加强辐射管废气段的辐射传热而使辐射管的效率提高5 – 10%。效率的提高增大了从辐射管到被加热材料的传热量。
为了优化辐射管废气段的放热能力，插件的长度、直径和扭曲度必须利用计算流体动力学（CFD）模型针对每套系统进行定制。业界报告的典型改善效果是产能增加2 – 5%，节能5 – 20%，氮氧化物排放减少，温度均匀性提高。
陶瓷扭曲通道换热器的机会
废热回收系统的设计是燃烧系统效率的最大影响因素。传统的金属插塞式换热器被插到辐射管的废气段，利用高温废气的热量对进入燃烧器的助燃空气进行预热。不过，目前的材料和燃烧器设计的局限性使预热空气的温度不会超过425°C（800°F）。
有些高性能蓄热系统对提高效率具有明显的作用。不过，这些系统需要两个燃烧器和两个热交换床，而传统的热交换系统只有一个燃烧器和一个换热器。
虽然高性能蓄热系统的效率高于金属插塞式换热器，但它们的设计、安装和维修成本要高得多。因此，对插塞式换热器来说，在达到500°C（932°F）以上的空气预热温度和达到蓄热器的效率水平之间存在着一个技术缺口（图5）。
图5. 空气预热温度和高效率之间的技术缺口
无论是金属还是陶瓷设计，都只能局限于简单的形状，即直管加上表面翅片或凹坑等强化选项。它们能够达到的典型效率水平接近70%。采用先进的增材制造碳化硅制造的扭曲通道换热器（图6）的推出为填补这一缺口和达到85 – 90%的效率水平提供了一个途径。
图6. 新式插塞式换热器的陶瓷换热元件
扭曲通道的专利设计使热交换的表面积增大了3 – 6倍。进气和废气沿扭曲的通道流动，使通道段的传热系数提高了2倍。硅化碳化硅的使用允许工作温度提高到1,350°C（2,460°F）。通过优化通道的数量、扭曲度和长度，预热温度能够达到1,000°C以上。
能源：首要资源
能源是用来使所有其他资源发挥价值的首要资源。加热工艺的能源消耗量很大，同时增加了氮氧化物和碳排放。汽车、航空和钢铁行业对轻型高强度材料的需求，始终是热处理企业为保持可持续、低成本运营而面临的一个挑战。
目前的工业标准型燃烧系统在能耗和排放方面存在明显缺点。增材制造碳化硅部件的应用如今已经达到了一定的成熟度，这些高温部件完全能够集成到工艺加热系统中，帮助缩短时间，节约能源，减少排放，降低维修成本。
这些先进部件的作用将保证每辆汽车制造的净能耗明显降低。对汽车零部件供应商来说，这一作用是双重的：
• 产能提高将增加效益。
• 能效提高带来的成本节约将有助于减轻该领域不断增大的价格压力。
