電加熱與燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐的分析比較

宋國(guó)平

(蘇州新凌電爐有限公司，江蘇 蘇州 215127)

隨著我國(guó)機(jī)械通用零部件行業(yè)的快速發(fā)展，熱處理網(wǎng)帶爐已廣泛應(yīng)用于緊固件、軸承、傳動(dòng)件等機(jī)械零件。隨著網(wǎng)帶爐制造技術(shù)水平的提高以及節(jié)約能源等要求，網(wǎng)帶爐第3代產(chǎn)品——托輥型網(wǎng)帶爐的加熱方式從利用金屬電熱元件加熱發(fā)展到利用燃?xì)饧訜帷Ｏ挛囊栽O(shè)計(jì)產(chǎn)量均為1 000 kg/h的托輥型電加熱網(wǎng)帶爐與燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐為例進(jìn)行分析比較。

1 熱量產(chǎn)生裝置

1.1 電加熱輻射管

電加熱網(wǎng)帶爐的熱量產(chǎn)生裝置通常采用輻射管，如圖1所示，其由金屬外管和內(nèi)置鼠籠式結(jié)構(gòu)的發(fā)熱體組成。根據(jù)不同的使用溫度，輻射管采用的材質(zhì)也有所不同。淬火爐輻射管的金屬外管材料為SUS310S，最高使用溫度可達(dá)1 200 ℃；回火爐輻射管的金屬外管材料為SUS304，最高使用溫度可達(dá)800 ℃。

1—絕緣陶瓷蓋；2—接線引出棒；3—電阻絲；4—?jiǎng)傆窠^緣陶瓷片；5—鼠籠式發(fā)熱體；6—金屬外管

內(nèi)置鼠籠式結(jié)構(gòu)的發(fā)熱體由金屬電熱元件和剛玉絕緣陶瓷片組成。金屬電熱元件為電阻絲，其常用的材料為鎳鉻合金絲和鐵鉻鋁合金絲。鎳鉻合金絲在空氣中加熱后，表面形成一層較硬的Cr2O3保護(hù)膜并緊附在合金基體上，熔點(diǎn)比合金基體高，可經(jīng)受交替性的加熱和冷卻，抗蝕能力強(qiáng)，高溫力學(xué)性能好，常溫易于加工和焊接，電阻率大，電阻溫度系數(shù)小，功率穩(wěn)定。淬火爐上常用的為Cr20Ni80合金絲，其含有較多的鎳，價(jià)格相對(duì)鐵鉻鋁合金絲較高。鐵鉻鋁合金絲的熔點(diǎn)比鎳鉻合金絲高，在空氣中加熱后表面形成一層較硬的Al2O3保護(hù)膜，熔點(diǎn)比合金體高。鐵鉻鋁合金絲的電阻率大，電阻溫度系數(shù)小，但有脆性，加工性能差，高溫時(shí)強(qiáng)度低，元件易變形倒塌，故使用在回火爐上較多，常用的為0Cr25Al5合金絲。

1.2 燃?xì)鉄?/h3>

燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐的熱量產(chǎn)生裝置俗稱燃?xì)鉄?，為便于使用、維護(hù)以及節(jié)能，淬火爐與回火爐均采用相同的明火高速燒嘴。高速燒嘴使燃料與助燃空氣在燃燒室內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)完全燃燒，燃燒后的高溫氣體最高以150 m/s的速度噴入爐內(nèi)，強(qiáng)化對(duì)工件的對(duì)流傳熱，促進(jìn)爐內(nèi)氣流的循環(huán)，達(dá)到爐溫均勻和提高加熱效果的目的。SIC型燃?xì)鉄烊紵到y(tǒng)如圖2所示，燃?xì)鉄炜刂葡鄬?duì)復(fù)雜，其由點(diǎn)火電極、燒嘴控制器、燃?xì)馀c空氣比例閥、燃?xì)馀c空氣管路相應(yīng)的球閥、蝶閥等組成。燒嘴的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—檢測(cè)電極；2—燒嘴控制器及變壓器；3—點(diǎn)火電極；4—燒嘴；5—助燃風(fēng)機(jī)；6，9—手動(dòng)閥；7—空/燃比例閥；8—燃?xì)怆姶砰y；10—壓力表；11—空氣電動(dòng)執(zhí)行器；12—手動(dòng)蝶閥

1—燃?xì)馊肟冢?—點(diǎn)火電極；3—空氣入口；4—空氣預(yù)熱器；5—火焰口；6—陶瓷套管

2 熱量控制方式

2.1 電加熱網(wǎng)帶爐

主電路采用空氣開關(guān)與SSR控制，并采用智能PID控制。正確設(shè)定PID控制器參數(shù)后可有效減少起始時(shí)的超調(diào)量，使工作點(diǎn)快速穩(wěn)定。使用功率控制器作為執(zhí)行元件，以PLC智能儀表通過熱電偶等傳感器控制電加熱輻射管來調(diào)整溫度。

2.2 燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐

燃?xì)鉄斓目刂葡鄬?duì)電加熱輻射管復(fù)雜，其要完成爐內(nèi)火焰檢測(cè)、自動(dòng)點(diǎn)火控制、燃?xì)夤┙o控制、助燃空氣控制等。燃燒系統(tǒng)采用比值閥控制方式，使燃?xì)?空氣為最佳配比，減少多余空氣。輻射管燒嘴在連續(xù)控制階段可實(shí)現(xiàn)5∶1的調(diào)節(jié)比，在加熱需求量小于燒嘴最小燃燒量時(shí)自動(dòng)改為脈沖燃燒控制方式，達(dá)到精確控制爐溫及最大的燃燒效率，降低能耗。通過精確模擬演算，燒嘴采用最經(jīng)濟(jì)的U形水平錯(cuò)位排列，燃燒廢氣通過自預(yù)熱器來預(yù)熱助燃空氣，助燃空氣預(yù)熱溫度達(dá)廢氣溫度的95%，熱回收利用率達(dá)92%，大大減少了CO2的排放。燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐還具有自動(dòng)點(diǎn)火、系數(shù)極限聯(lián)鎖、點(diǎn)火失敗鎖停、火焰監(jiān)測(cè)、熄火保護(hù)等自動(dòng)監(jiān)控保護(hù)功能。

3 成本對(duì)比

3.1 運(yùn)行成本

電加熱網(wǎng)帶爐與燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐的運(yùn)行成本在操作人員配備、介質(zhì)費(fèi)用方面基本相同，主要是用電與用氣成本的不同。

電加熱網(wǎng)帶爐加工產(chǎn)品的處理效率為1 000 kg/h，生產(chǎn)每噸產(chǎn)品的用電量為480 kWh (實(shí)測(cè))，電力折標(biāo)煤按1 kWh=0.35 kg標(biāo)煤折算，根據(jù)網(wǎng)帶爐的生產(chǎn)特性，其年消耗標(biāo)煤為480×0.35×24×300=1 209 600 kg，約為1 210 t標(biāo)煤/年。燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐加工產(chǎn)品的處理效率為1 000 kg/h，生產(chǎn)每噸產(chǎn)品的用氣量為50 Nm3(平均值)，但天然氣的實(shí)際燃燒熱效率為65%，則實(shí)際每噸產(chǎn)品用氣量為75 Nm3。天然氣折標(biāo)煤按1 Nm3=1.214 3 kg標(biāo)煤折算，根據(jù)網(wǎng)帶爐的生產(chǎn)特性，其年消耗標(biāo)煤為75×1.214 3×24×300=655 200 kg，約為655 t 標(biāo)煤/年。對(duì)比可知,同樣條件下燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐比電加熱網(wǎng)帶爐一年可節(jié)省555 t標(biāo)煤,實(shí)際節(jié)能達(dá)45%。

另按平均電價(jià)0.8元/kWh計(jì)算，電加熱網(wǎng)帶爐每加工1噸產(chǎn)品的電費(fèi)為384元；按天然氣3.5元/ Nm3計(jì)算，燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐每加工1噸產(chǎn)品的費(fèi)用為262元，則一臺(tái)設(shè)計(jì)產(chǎn)量均為1 000 kg/h的燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐比電加熱網(wǎng)帶爐一年可節(jié)省費(fèi)用80多萬元。

3.2 投資成本

因爐型相同，僅發(fā)熱方式不同，二者所用的鋼材、保溫材料、耐熱鋼材料以及傳動(dòng)系統(tǒng)均相差不大。但在熱量產(chǎn)生裝置方面，燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐的燃燒系統(tǒng)配置和控制方式上比電加熱網(wǎng)帶爐電加熱輻射管復(fù)雜得多，成本也相應(yīng)增大。目前投資設(shè)計(jì)產(chǎn)量均為1 000 kg/h的網(wǎng)帶爐，燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐要比電加熱網(wǎng)帶爐的成本高1/3。

3.3 環(huán)境保護(hù)

電是二次能源，國(guó)內(nèi)大多數(shù)以煤電為主，在發(fā)電過程中消耗了大量的煤炭資源，排放出大量空氣污染物；而天然氣是一次能源，在燃燒過程中排放量低，且熱回收利用率可達(dá)92%，環(huán)境污染小。

4 實(shí)例

某緊固件公司同期安裝了規(guī)格相同的電加熱網(wǎng)帶爐和燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐各1臺(tái)，用來處理ML45鋼制M6-16等各種規(guī)格的高強(qiáng)度緊固件，使用對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除能耗相差較大外，網(wǎng)帶爐性能及熱處理品質(zhì)相當(dāng)，見表1。

表1 電加熱爐和燃?xì)饧訜釥t的對(duì)比

5 結(jié)束語

燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐較電加熱網(wǎng)帶爐的一次性投資大；燃?xì)獾木唧w熱值比較難以確定，還存在脫火控制問題。但燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐同電加熱網(wǎng)帶爐一樣可以實(shí)現(xiàn)爐溫的自動(dòng)、精確控制；在目前國(guó)內(nèi)部分地區(qū)由于季節(jié)性電力緊張?jiān)斐善髽I(yè)輪休的情況下，燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐的推廣和應(yīng)用可保證企業(yè)的正常生產(chǎn)；燃?xì)饧訜峋W(wǎng)帶爐的節(jié)能優(yōu)勢(shì)將為企業(yè)的長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)縮減成本；天然氣燃燒的排放低，污染小，符合國(guó)家提倡的節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)政策，發(fā)展應(yīng)用前景廣闊。