現(xiàn)代裝備制造業(yè)中熱處理節(jié)能與環(huán)境污染

現(xiàn)代裝備制造業(yè)中熱處理節(jié)能與環(huán)境污染

一、熱處理的節(jié)能與環(huán)境污染在現(xiàn)代裝備行業(yè)，辦公樓的可靠性是一種不可忽視的大規(guī)模能量。通常熱處理用電占企業(yè)用電總量的25%~30%,工具、軸承廠等則占60%左右。據(jù)稱,全國熱處理行業(yè)中現(xiàn)有工業(yè)電熱裝置(以75kW為一標(biāo)準(zhǔn)臺計)約有15萬臺,總裝機容量1100萬kW,年生產(chǎn)能力近4500萬t,年實際生產(chǎn)能力約為1350萬t,耗電總量約100億kW·h。熱處理工業(yè)電熱裝置的能耗約占制造業(yè)總能耗的1/4~1/3。20世紀(jì)70年代,歐洲熱處理單位能耗降到400kW·h/t以下,日本降到300kW·h/t以下,而我國同期的熱處理能耗達(dá)1200~1300kW·h/t,“十一五”期末降至600kW·h/t左右,雖然有了很大的進(jìn)步,但仍高于70年代的世界先進(jìn)水平。我國是一個能源短缺的國家,實現(xiàn)熱處理的節(jié)能對于我國裝備制造業(yè)的節(jié)能降耗意義十分重大。我國熱處理行業(yè)的能源利用率低,究其原因,首先是熱處理設(shè)備陳舊,還有不少是爐齡達(dá)30~40年的箱式爐、井式爐和鹽浴爐(俗稱老三爐),它們的爐襯蓄熱量大,爐壁溫升高,散熱損失大,保溫性能差。其次是工藝保守,沿襲傳統(tǒng)熱處理工藝的電阻爐約占90%以上。另外,設(shè)備管理落后,負(fù)載率和利用率低,導(dǎo)致能耗很高。而高效、優(yōu)質(zhì)、低污染、環(huán)保型的氣氛爐及真空爐等則占不到電阻加熱爐設(shè)備總數(shù)的30%。而發(fā)達(dá)國家對熱處理工藝過程的控制已向著自動化、智能化和柔性化的方向發(fā)展。熱處理對環(huán)境的污染也十分嚴(yán)重,由于熱處理生產(chǎn)的特點,其設(shè)備和工藝材料在生產(chǎn)過程中會造成環(huán)境污染。尤其是陳舊的設(shè)備和工藝材料所產(chǎn)生的“三廢”排放問題,主要的污染形式有空氣污染、水污染、固體廢棄物污染、輻射污染和噪聲污染等。據(jù)不完全統(tǒng)計,全行業(yè)每年約有5000t淬火油由于蒸發(fā)或局部燃燒,產(chǎn)生對人體有害的CmHn(碳?xì)浠衔?、CO及煙塵等;約有近萬噸的廢淬火油因排放不當(dāng)而污染江湖河海;每年鹽浴爐要生成鹽蒸氣7000多t和近萬噸的有害廢渣;燃煤加熱爐要排放SO21.5萬t,灰分8.5萬t;噴丸(砂)機要產(chǎn)生SiO2和有害粉塵1萬多t。近年來,城鎮(zhèn)化建設(shè),熱處理廠點的改制,市政動遷,污染又逐步從中心城區(qū)向著郊區(qū)農(nóng)村蔓延。由此可見,熱處理的能耗很高,污染環(huán)境嚴(yán)重。所以,節(jié)能環(huán)保成為行業(yè)的熱門話題,加強熱處理的節(jié)能減排成為行業(yè)實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。二、常見的普通間歇式電阻爐熱處理爐按其作業(yè)方式可分為間歇式作業(yè)爐和連續(xù)式作業(yè)爐兩大類。常見的普通間歇式電阻爐主要有箱式爐、井式爐、鹽浴爐和流動粒子爐等,此類電阻爐的品種規(guī)格最多。間歇作業(yè)電阻爐的節(jié)能措施主要是積極采用節(jié)能爐襯和改進(jìn)爐體結(jié)構(gòu)。1.保溫層和高溫爐襯的設(shè)計(1)爐襯的一般結(jié)構(gòu)通常,爐溫低于300℃時,爐襯為鋼板夾層中填充保溫材料;當(dāng)爐溫達(dá)700℃時,爐襯耐火層可用輕質(zhì)粘土磚,在耐火層與爐殼之間填充保溫材料(如膨脹蛭石粉);當(dāng)爐溫為700~1000℃時,小型、中型爐子采用輕質(zhì)粘土磚作耐火層,硅藻土磚外加蛭石粉作隔熱保溫層,大型爐子砌體強度要求較高,耐火層要用重質(zhì)粘土磚砌筑;當(dāng)爐溫為1000~1300℃時,爐壁由高鋁磚、輕質(zhì)粘土磚和保溫材料三層組成。置放電熱元件的擱磚,常用高鋁質(zhì)的。中溫、高溫爐的保溫層與爐殼之間常有一層5~10mm的石棉板。(2)節(jié)能爐襯的設(shè)計所謂最佳爐襯都是在一定條件下的,當(dāng)條件變化時,其他爐襯結(jié)構(gòu)就可能代替最佳位置。例如,當(dāng)加熱工藝周期要求短(單班生產(chǎn))時可以優(yōu)先考慮全纖維爐襯;若加熱周期特別短,可以考慮貼面法;當(dāng)加熱工藝周期要求較長,則選用復(fù)合爐襯更佳。(3)節(jié)能爐襯的優(yōu)化組合在考慮電爐的節(jié)能問題時,不僅要注意節(jié)能爐襯的優(yōu)化設(shè)計,還應(yīng)重視節(jié)能爐襯的優(yōu)化組合,即應(yīng)針對不同部位爐襯的服役條件,分別選用不同結(jié)構(gòu)的節(jié)能爐襯,從而保證爐子長期、可靠地工作,獲得預(yù)期的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然,在確定優(yōu)化組合方案時,還要考慮筑爐材料的質(zhì)量和成本,以及各廠自身的筑爐經(jīng)驗和技術(shù)水平,不能一概而論。2.提高爐側(cè)溫度和爐口溫度為改善熱處理爐質(zhì)量特性,近年來在結(jié)構(gòu)方面有以下變化和發(fā)展。(1)爐子外形在可能情況下,為減少爐殼表面散熱,爐殼由方形截面改為圓形截面,表面積可減少10%~15%。(2)爐膛尺寸在電阻絲布置允許的條件下,盡量降低爐膛高度,可縮短空爐升溫時間和提高工件加熱速度。如原45kW箱式爐爐膛高度為500mm,現(xiàn)已成為400mm。(3)加強爐子密封原有熱處理爐的爐門、爐蓋和熱電偶測溫及電熱元件引出孔等處的密封性不夠好,在這些部位容易產(chǎn)生漏熱。據(jù)測定,一個10cm2的小孔,每小時侵入爐內(nèi)的空氣可高達(dá)10m3。通常,一個1cm2小孔的熱損失比爐殼表面熱損失大50倍左右。孔越大越嚴(yán)重。因此,需采取措施加強密封,并注意減少爐口變形。(4)采用空氣保溫夾層根據(jù)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小(在60~100℃時為0.1029~0.1134kJ/m·h·℃),大大低于目前最好的保溫材料,以及在密閉條件下有較大的熱惰性特點,在爐子的前后墻和側(cè)墻,采用雙金屬爐殼空氣保溫夾層,夾層厚度為63mm左右,改造后獲得高效節(jié)能的良好效果。三、連續(xù)式熱處理爐的發(fā)展趨勢連續(xù)作業(yè)電阻加熱裝置生產(chǎn)線是近代發(fā)展最快、使用日益增多的一類熱處理設(shè)備,尤其是連續(xù)作業(yè)式可控氣氛爐。其中,在生產(chǎn)上使用最多的是連續(xù)式氣體滲碳爐。30年多來,圍繞提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率,降低處理成本、節(jié)能環(huán)保,連續(xù)作業(yè)式可控氣氛爐發(fā)生了根本性的變革,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。(1)應(yīng)用新材料不斷開發(fā)并應(yīng)用優(yōu)質(zhì)的耐火材料、保溫材料、爐內(nèi)耐熱材料、電熱體材料等,使相應(yīng)的附屬裝置及元器件更為先進(jìn)。(2)改善結(jié)構(gòu)在爐體結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)等方面有重大改進(jìn),如磚和纖維組合的層狀絕熱結(jié)構(gòu)、高密度耐火纖維真空成形結(jié)構(gòu)等,在爐體外形上為減少散熱,爐殼由方形截面改為圓形截面等。(3)采用氮基氣氛采用優(yōu)質(zhì)價廉的氮基氣氛代替吸熱式氣氛,采用爐頂配置氣體發(fā)生裝置,如發(fā)生氣體直接送入爐內(nèi)(不經(jīng)冷卻)的方式或直生式。(4)測控技術(shù)先進(jìn)采用先進(jìn)可靠的傳感器、儀表和控制技術(shù)。氧探頭高精度自動控制方式日益普及,計算機控制技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用。(5)重視輔助設(shè)備改進(jìn)配置新一代清洗裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三氯乙烯清洗方式,注意回收排氣作為輔助熱源加以利用,或送回氣體發(fā)生裝置內(nèi),經(jīng)過調(diào)整再作爐內(nèi)氣氛使用等。(6)智能化智能化自動化的熱處理爐生產(chǎn)線的進(jìn)步發(fā)展。連續(xù)作業(yè)式可控氣氛熱處理爐的發(fā)展,要在保證熱處理工件高質(zhì)量的前提下,立足于提高性能、節(jié)能減排和降低成本,向著高生產(chǎn)率發(fā)展,不斷改造并完善連續(xù)式熱處理爐的結(jié)構(gòu),采用優(yōu)質(zhì)爐用材料,合理減輕構(gòu)件重量,充分利用余熱,降低能耗,發(fā)展節(jié)能減排爐型,采用先進(jìn)的智能化的測控技術(shù),如各加熱區(qū)巡回控制,采用觸摸屏PLC模塊,碳控儀(包括氧探頭和氫探頭)進(jìn)行氣氛精密控制,同時注重遠(yuǎn)程監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)故障自診斷技術(shù)以及云計算技術(shù)的應(yīng)用,使連續(xù)作業(yè)熱處理爐生產(chǎn)線不斷升級、節(jié)能減排、智能化、精密化,實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。計算機軟件技術(shù)與熱處理節(jié)能減排技術(shù)的緊密結(jié)合,促進(jìn)了熱處理裝備的自動化和智能化,降低了人工與生產(chǎn)成本,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。四、新型節(jié)能風(fēng)扇的應(yīng)用熱處理爐的爐襯一般分為兩層,一層是耐火層,另一層是隔熱保溫層。用于耐火層的材料必須是耐火材料;隔熱保溫層常用保溫材料。1.可選用高等溫、高鋁磚材料早期,熱處理爐采用的耐火材料,主要是密度較大的粘土磚和高鋁磚。粘土磚的主要成分是Al2O3(含量小于48%)和SiO2。高鋁磚的特點是Al2O3含量大于48%,性能穩(wěn)定,不與電熱元件發(fā)生化學(xué)作用,常用于高溫爐和鹽浴爐的內(nèi)襯砌磚,以及電熱元件擱磚和套管等。過去用于耐火層的粘土磚和高鋁磚的密度通常在1.3g/cm3左右。這類材料能滿足熱處理爐耐火層的要求。一般來說,體積質(zhì)量越大,其熱導(dǎo)率和強度越高,使用溫度也越高,但是爐子蓄熱量大,熱效率低,不節(jié)能,爐體重量也大。隨著耐火材料制造技術(shù)的發(fā)展,耐火磚的技術(shù)性能指標(biāo)和質(zhì)量穩(wěn)步提高,尤其是高溫結(jié)構(gòu)強度得到提高。因此,除了爐溫很高或工作條件十分惡劣的熱處理爐外,耐火層已大量采用密度為0.6g/cm3的輕質(zhì)粘土磚和高鋁磚。近年來,為了提高爐子的節(jié)能效果,對輕質(zhì)耐火材料進(jìn)行了較多的研究改進(jìn),開發(fā)出一種耐火度可達(dá)1670℃,最高使用溫度為1250℃、比熱容為0.88kJ/(kg·℃)、熱導(dǎo)率為0.171+0.178×10-3T[W/(m2·℃)],密度僅0.4g/cm3的漂珠超輕質(zhì)高強度節(jié)能耐火磚。隨著可控氣氛爐的發(fā)展,在沒有耐熱鋼馬弗罐的可控氣氛熱處理爐內(nèi),可控氣氛直接與爐膛接觸,氣氛中的CO、H2等還原性氣體與耐火磚中的Fe2O3等金屬氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致磚體疏松、表面剝落,同時反應(yīng)生成的H2O、CO2等又會影響爐氣成分的穩(wěn)定。因此,開發(fā)了Fe2O3含量低于1%的具有良好抗?jié)B碳性能的粘土質(zhì)和高鋁質(zhì)磚,輕質(zhì)磚的抗?jié)B碳性優(yōu)于重質(zhì)磚。2.高強手術(shù)混凝土爐襯此外,熱處理爐還常用以下耐火制品。(1)碳化硅耐火材料,是以SiC粉為原料,以10%~20%的結(jié)合黏土或5%~10%的硅鐵作粘合劑,攪拌后壓制成形,經(jīng)過燒結(jié)而成為耐火制品。它的荷重軟化溫度約為1600℃,導(dǎo)熱性比普通耐火材料高出5~10倍;在1300℃以上易于氧化,也易于被堿性物質(zhì)侵蝕而脆化,特別硬脆,導(dǎo)電性好。這種材料可用于高溫爐爐底板、馬弗罐等。(2)耐火混凝土是一種不定形耐火材料,由耐火骨料、摻和料、水泥(膠結(jié)料)和適量的水混合均勻后再經(jīng)過成形、干燥、硬化等過程而制成整體爐襯,如馬弗罐、鹽浴爐坩堝等。耐火混凝土按其所用粘合劑的不同,可分為鋁酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽和水玻璃等4種類型。熱處理爐應(yīng)用較多的是鋁酸鹽耐火混凝土。(3)為減少砌爐工作量,提高爐襯性能,還研制出高強輕質(zhì)澆注料。如QL型高強輕質(zhì)澆注料,采用空心球莫來石作骨料,主要特點是容重和導(dǎo)熱系數(shù)較小,節(jié)能效果顯著,主要用于1450℃以下的各種加熱爐、電爐爐襯或用作輕質(zhì)隔熱層。其主要性能指標(biāo)是:密度1.0~1.6t/m3,1000℃熱態(tài)耐壓強度21.3MPa,1000℃導(dǎo)熱系數(shù)0.25~0.4W/m·℃。還有一種SD-1型耐火燒注料,抗熱振穩(wěn)定性好,耐高溫沖刷,主要用于臺車式熱處理爐的臺車工作面、臺車封墻以及各種加熱爐的擋火墻,尤其是預(yù)制成形的各種大中小型燒嘴磚和燃燒室爐拱,壽命可提高3~5倍,其主要成分為Al2O3≥75%,SiC≥12%。在1400℃的耐壓強度為10MPa,800℃5次水冷后抗折強度為8.2MPa。(4)耐火陶瓷纖維氈的導(dǎo)熱系數(shù)低,密度小,熱容量與普通耐火粘土磚相近,故用此氈砌出的薄得多的耐火纖維氈爐壁,其散熱損失和蓄熱損失都遠(yuǎn)比砌磚爐壁少,采用全纖維爐襯結(jié)構(gòu)可取得較好的節(jié)能效果。3.耐火纖維氈爐壁結(jié)構(gòu)采用耐火纖維氈制品時,必須考慮其爐壁結(jié)構(gòu)和安裝形式。(1)大面積爐壁結(jié)構(gòu)的安裝形式主要有層式、疊式、組合式、真空成形殼體式、折疊氈式和預(yù)制塊式等幾種。(1)層式結(jié)構(gòu)。纖維與受熱面平行。與疊式相比,高溫收縮大,抗氣流沖刷差,同類別纖維制品的使用溫度低于50℃,但導(dǎo)熱系數(shù)比疊式約小20%。這種結(jié)構(gòu)適用于爐溫≤950℃的工業(yè)爐。(2)疊式結(jié)構(gòu)。纖維與受熱面垂直,適用于爐溫>950℃的工業(yè)爐。(3)組合式結(jié)構(gòu)。受熱面纖維吸取了疊式的優(yōu)點,即高溫收縮小,抗氣流沖刷好,耐溫較高等。而外層纖維吸取了層式的導(dǎo)熱系統(tǒng)小的優(yōu)點,適用于爐溫>950℃的工業(yè)爐。(4)真空成形殼體式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)耐150m/s的氣流(距離1.2m呈45°和90°)的沖刷(此時密度800~1000kg/m3),比同類別耐火纖維氈使用溫度有所提高。(5)折疊毯式結(jié)構(gòu)。纖維與受熱面垂直,故具有疊式的特點。此外,高溫下不失彈,比疊式有更高的使用溫度。爐壁結(jié)構(gòu)簡單,安裝迅速。適用于爐溫>950℃的工業(yè)爐。(6)預(yù)制塊式結(jié)構(gòu)。纖維與受熱面垂直,故具有疊式特點。爐壁結(jié)構(gòu)簡單,安裝迅速,適用于爐溫≥950℃的工業(yè)爐。(2)爐體連結(jié)部位結(jié)構(gòu)(1)轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu),有交錯、轉(zhuǎn)彎和組合三種接法。(2)與砌體的連接。(3)折疊毯安裝在金屬框內(nèi)的結(jié)構(gòu)有兩種方法可供選擇。采用嵌入法時,金屬框四周毯的折向與框邊一致,并且金屬框要陷入折疊毯40mm左右。采用緊定法時,在折疊毯與框邊之間留一空隙,在空隙中順向填毯,用釘使毯與框連接。耐火纖維與爐體連接時還要注意,不論采用何種安裝形式,爐殼鋼板尺寸應(yīng)是制品尺寸的倍數(shù),以利安裝施工。另外,耐火纖維氈爐壁不應(yīng)采用外鼓結(jié)構(gòu),以防開裂。近幾年來,國內(nèi)不少廠家采用全纖維爐襯技術(shù),取得了節(jié)電20%~30%效果。五、熱處理爐的節(jié)能技術(shù)措施探討熱處理爐的節(jié)能減排技術(shù)途徑,必須從它所應(yīng)用的熱處理生產(chǎn)領(lǐng)域來觀。鋼件在熱處理爐內(nèi),奧氏體化(或固溶處理)過程通常在900~1100℃之間進(jìn)行(高速鋼淬火加熱需1250~1280℃),鋁合金的固溶化處理在500℃以上的溫度,顯然,熱處理過程中的耗能是巨大的。概括之,熱處理爐的節(jié)能技術(shù)途徑如下表所示。推廣采用高效節(jié)能先進(jìn)的熱處理設(shè)備如網(wǎng)帶爐、離子氮化爐、真空爐等,它們在保證工件熱處理質(zhì)量的同時,也取得了節(jié)能環(huán)保的效果