一種新型節(jié)能均質(zhì)爐組

文/陳劍飛 盧景輝

某設備廠新近推出一種新型節(jié)能均質(zhì)爐組較之以往爐組在加熱爐的爐體鋼結構、保溫隔熱材料、內(nèi)襯板、料架支撐、爐門及提升機構、循環(huán)風機、燃燒系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及控制軟件；冷卻室的冷卻風機及排出風道；料車垂直升降等全方位進行改進。設備在使用性能上得到大幅提高：加熱時間縮短、溫度均勻性提高；燃氣的安全性得到可靠保證；節(jié)能效果明顯，同樣35噸均質(zhì)爐僅在加熱爐上就可使天然氣的噸耗減少1立方，特別是噸耗電可節(jié)約16度以上，每噸節(jié)約成本在14元，每月1臺均質(zhì)爐通過量至少有2500噸，每月可節(jié)約成本3.5萬元，全年每臺均質(zhì)爐通過量按27000噸計算，可節(jié)約成本近40萬元，經(jīng)濟效果顯著。如果考慮冷卻室的節(jié)電，那么整個爐組的節(jié)電效果將更加可觀。

本文就兩種爐型實測能耗對比、節(jié)能原因分析和新爐型結構的特點加以闡述。

一、兩種爐型實際能耗對比

廣東一家鋁業(yè)熔鑄車間2008年和2012年分別添置了由該設備廠提供的原型、新型均質(zhì)爐，通過實際運行統(tǒng)計，能耗對比如表1所示。

表1 兩種均質(zhì)爐的能耗對比

上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)是該熔鑄車間均熱生產(chǎn)實際情況統(tǒng)計。1噸鋁鑄棒均質(zhì)有效熱為13.4萬大卡，其中鋁材12.4萬大卡、鋼料架隔條1.0萬大卡；爐體蓄熱、爐壁散熱等熱損失為3.35萬～4.47萬大卡(相當于電阻爐為76.3%～71.3%，考核指標為70%)，計17.56萬～18.8萬大卡，合17.22～22.39Nm3天然氣，而天然氣燃燒后排出的高溫煙氣帶走的熱量約占燃燒熱的18%，這樣，均質(zhì)1噸鋁鑄棒需耗天然氣為25.5～27.3Nm3，相當熱效率58%～62.6%.（考核指標為55%）。（計算依據(jù)：均質(zhì)溫度560℃、鋁比熱 0.23kcal/kg.℃、鋼比熱 0.13kcal/kg.℃、天然氣低熱值8400kcal/ Nm3）。天然氣單耗（即熱效率）的差別在于爐體蓄熱、爐壁散熱熱損失，所占比例很少，天然氣單耗相差不會太大。

上述數(shù)據(jù)基于一定的均質(zhì)工藝，能耗指標應該說是很好的。在相同工藝情況下，凡是天然氣單耗低于25 Nm3者，應該說材料沒有全部到溫，或者說是“偽均質(zhì)”。

上述數(shù)據(jù)僅指均質(zhì)加熱爐，由于現(xiàn)場沒有我廠老型號的冷卻室，所以冷卻室數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)計比較。

二、兩種均質(zhì)爐組主要性能參數(shù)比較（見表2）

表2 兩種均質(zhì)爐組主要性能參數(shù)比較

三、節(jié)能原因分析

討論均質(zhì)爐節(jié)能問題必須保證工藝質(zhì)量要求，均熱工藝包括材料均熱溫度和保溫時間，比如，6063合金均熱溫度560±5℃，保溫2小時。需要注意的是，保溫時間指的是合金材料全部到達設定溫度后保溫2小時；而在均質(zhì)爐使用時設定的是爐膛溫度和爐膛到達設定溫度后的保溫時間。因此，需要做測溫試驗找出兩者之間的關系。圖1是料溫測溫曲線，在裝爐空間至少5個點（立方體空間前后對角及中心）的材料鉆孔至直徑中心，綁上鎧裝熱電偶進行測溫。圖1中爐膛控制溫度先于材料到溫；材料處于熱端的先于冷端的到達設定溫度。保溫計時應從最低溫度到達均熱溫度范圍開始。在做試驗的基礎上，編制科學的均熱熱工制度，以達到在最短時間保證均熱質(zhì)量的目的。

圖1 料溫測溫曲線

均質(zhì)爐內(nèi)的加熱主要是爐氣強制循環(huán)氣流的對流傳熱，加熱時間計算公式為：

式中：tq—爐氣溫度 ℃ ts—室溫 ℃

tz2—料終了溫度 ℃ tz1=0.9 tz2℃

G—料重 kg q=α(tq-0.7tz1) w/m2

α—傳熱系數(shù) w/m2℃ Cp—比熱kj/kg ℃

均熱加熱時間隨對流傳熱系數(shù)大而縮短；對流傳熱系數(shù)隨風速增加而加大，其關系如圖2所示。因此，適當?shù)臓t內(nèi)裝爐后材料層間風速是縮短加熱時間的重要參數(shù)。

循環(huán)風是加熱物料的熱載體，在同樣的裝爐量和裝料尺寸情況下，循環(huán)風量越大，料溫越熱、冷兩端溫差越小。圖3為循環(huán)風經(jīng)過物料示意圖，圖中的t1、t2（℃）分別為物料熱端、冷端溫度；V為通過的循環(huán)風量。循環(huán)風通過材料傳給物料的熱量Q(kcal/h)與風量V(m3/h)，熱風的比熱 Cp(kcal/m3.℃)，前后溫度 t1、t2(℃ )的關系式為：

圖2 流傳熱系數(shù)與風速關系圖

圖3 循環(huán)風經(jīng)過物料示意圖

循環(huán)風量與溫差成反比?？梢?，在一定裝爐量的情況下，循環(huán)風量是決定均質(zhì)爐熱工性能的重要參數(shù)。本文不做爐內(nèi)傳熱的理論分析，主要從實際現(xiàn)象和實際經(jīng)驗來闡述。

根據(jù)筆者長期從事鋁熱處理爐的設計、制作和使用的實際經(jīng)驗，圓鑄棒均質(zhì)爐內(nèi)循環(huán)風量與加熱時間的關系，見表3所示。

表3 圓鑄棒均質(zhì)爐內(nèi)循環(huán)風量與加熱時間的關系

按照此標準，新爐型循環(huán)量達到1.26，而原爐型循環(huán)量只有0.94，可見，兩爐型循環(huán)風量處于兩個檔次，熱工性能有較大差異。新爐型在使用時，注意不要與原爐型爐溫到溫后的保溫時間相同，因為新爐型循環(huán)的風量大，物料吸熱量大，在相同供熱的情況下，料溫溫度升得快，但爐氣溫度反而升得慢。我們建議，為了保證均質(zhì)質(zhì)量同時節(jié)約能源，在正式生產(chǎn)使用前做不同直徑、不同裝爐量料溫測溫試驗，以便制定更科學的熱工工藝。

在確定風量后，風機的選型要考慮盡量低的風壓但又要滿足爐內(nèi)的實際阻力損失，原爐型采用的是離心式風機，在相同風量的情況下風壓較高；而新爐型采用的是軸流式風機，風量大于原爐型用的風機而風機電機的功率卻小很多，這是節(jié)能的主要原因。同樣在冷卻室原爐型采用離心式風機（總裝機功率150kw），新爐型采用軸流風機風量大，電機功率小(總裝機功率55kw)，沒有現(xiàn)場對比統(tǒng)計數(shù)據(jù)，雖不能以裝機功率的比例來計算節(jié)約量，但可以肯定的是，節(jié)電的效果可觀。

爐子內(nèi)襯輕型化和縮短均質(zhì)周期時間是節(jié)約天然氣耗量的原因。均質(zhì)爐是周期性作業(yè)的熱設備，減少爐子蓄熱量可以減少熱量消耗。

四、燃燒安全性

為了確保燃燒安全，徹底消除爐內(nèi)爆炸的隱患，新爐型均質(zhì)爐在天然氣燃燒直接加熱系統(tǒng)設計上作了如下工作：

1.供氣管道設計符合歐洲燃氣安全規(guī)定；

2.燃燒器配合特制燃燒裝置達到在低于天然氣著火溫度和爐內(nèi)強制循環(huán)氣流環(huán)境，以及在燃燒負荷大范圍調(diào)節(jié)的情況下，保證安全穩(wěn)定燃燒。

3.小負荷點火以及數(shù)次點火失敗后，強制爐內(nèi)空氣吹掃的程序設定。

五、設備改進項目

1.均質(zhì)加熱爐

爐體鋼結構采用20#槽鋼和5mm鋼板組焊，采用氣密性焊接；具有足夠強度和剛性，滿足大風量循環(huán)風機安裝要求。

爐壁隔熱保溫采用密度較高的輕質(zhì)隔熱材料，并壓實（壓縮量20%），厚度300mm，保溫隔熱性能極好，爐壁表面溫升≯25℃。取消原爐型爐底耐火磚砌筑結構。

內(nèi)襯板采用2mm厚不銹鋼板打孔穿釘與外壁鋼板連接，每塊內(nèi)襯板錯開交疊，完全解決受熱膨脹變形問題。

爐內(nèi)料架支撐及橫梁均用12mm厚不銹鋼板焊接而成，橫梁與立柱不焊接，螺栓連接；解決了受熱膨脹焊縫開裂問題。

爐門鋼結構、保溫隔熱、內(nèi)襯板與爐體相同，具有足夠強度的剛性，四個氣缸壓緊，密封采用雙刀雙槽，密封材料采用加不銹鋼絲硅酸鋁纖維編織繩，密封性能良好。

爐門提升機構采用套筒輥子鏈傳動，運行可靠，并設置爐門提升到位氣缸插銷鎖住安全裝置。

循環(huán)風機采用低風壓大風量高溫軸流風機，風量較以往均質(zhì)爐大1/3，裝機功率反而小45%，從而加熱時間縮短、溫度均勻性等主要熱工性能明顯得到提升；節(jié)能效果顯著。變頻控制根據(jù)爐內(nèi)傳熱調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整循環(huán)風量達到最佳節(jié)電效果。

燃燒系統(tǒng)設計完全遵照歐洲燃氣安全標準；燃燒器、燃燒系統(tǒng)閥件采用國內(nèi)知名品牌，質(zhì)量可靠，售后服務好，系統(tǒng)運行安全可靠。

燒咀功率的配置合理、加上控制軟件的應用，具有足夠大的加熱功率來保證加熱速度，同時可以在保溫階段減到足夠小的燃燒負荷，以保證控溫精度達到≤±2℃。

電控自動化程度高，具有溫控、邏輯控制、連鎖保護功能；選用國際知名品牌PLC，電器元件選用國內(nèi)知名品牌產(chǎn)品，運行可靠。設計編制的軟件保證了設備設計性能和可靠性。

2.冷卻室

冷卻風機采用五臺軸流風機，總風量可達324000m3/h；是以往風量的1.5倍，而裝機功率只是原37%，從而冷卻速率加大，特別是有利小直徑鑄棒的冷卻減少彎曲，節(jié)電效果明顯。冷卻水霧化噴嘴布置合理、噴嘴霧化效果好，在風加霧化水冷卻時效果更好。

3.三維料車改進項目

車架鋼結構強度的剛性好，傳動機構安全系數(shù)高，運行可靠，故障率低。料架采用垂直升降機構，徹底避免加熱爐內(nèi)料架支撐立柱被拉歪傾覆的可能。

六、結論

均質(zhì)爐組是鋁加工熔鑄的一項重要工藝生產(chǎn)設備，熱工性能優(yōu)良、設備安全操作性好和運行成本低的節(jié)能新型均熱爐組的推廣意義重大。