文/陳劍飛 盧景輝

某設(shè)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(jié)構(gòu)、保溫隔熱材料、內(nèi)襯板、料架支撐、爐門及提升機(jī)構(gòu)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、燃燒系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及控制軟件；冷卻室的冷卻風(fēng)機(jī)及排出風(fēng)道；料車垂直升降等全方位進(jìn)行改進(jìn)。設(shè)備在使用性能上得到大幅提高：加熱時(shí)間縮短、溫度均勻性提高；燃?xì)獾陌踩缘玫娇煽勘ＷC；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(tái)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(tái)均質(zhì)爐通過量按27000噸計(jì)算，可節(jié)約成本近40萬元，經(jīng)濟(jì)效果顯著。如果考慮冷卻室的節(jié)電，那么整個(gè)爐組的節(jié)電效果將更加可觀。

本文就兩種爐型實(shí)測(cè)能耗對(duì)比、節(jié)能原因分析和新爐型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)加以闡述。

一、兩種爐型實(shí)際能耗對(duì)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(shè)備廠提供的原型、新型均質(zhì)爐，通過實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，能耗對(duì)比如表1所示。

表1 兩種均質(zhì)爐的能耗對(duì)比

上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是該熔鑄車間均熱生產(chǎn)實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)。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(dāng)于電阻爐為76.3%～71.3%，考核指標(biāo)為70%)，計(jì)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?zé)煔鈳ё叩臒崃考s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(dāng)熱效率58%～62.6%.（考核指標(biāo)為55%）。（計(jì)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(huì)太大。

上述數(shù)據(jù)基于一定的均質(zhì)工藝，能耗指標(biāo)應(yīng)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(yīng)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(chǎng)沒有我廠老型號(hào)的冷卻室，所以冷卻室數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)計(jì)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(shí)間，比如，6063合金均熱溫度560±5℃，保溫2小時(shí)。需要注意的是，保溫時(shí)間指的是合金材料全部到達(dá)設(shè)定溫度后保溫2小時(shí)；而在均質(zhì)爐使用時(shí)設(shè)定的是爐膛溫度和爐膛到達(dá)設(shè)定溫度后的保溫時(shí)間。因此，需要做測(cè)溫試驗(yàn)找出兩者之間的關(guān)系。圖1是料溫測(cè)溫曲線，在裝爐空間至少5個(gè)點(diǎn)（立方體空間前后對(duì)角及中心）的材料鉆孔至直徑中心，綁上鎧裝熱電偶進(jìn)行測(cè)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(dá)設(shè)定溫度。保溫計(jì)時(shí)應(yīng)從最低溫度到達(dá)均熱溫度范圍開始。在做試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，編制科學(xué)的均熱熱工制度，以達(dá)到在最短時(shí)間保證均熱質(zhì)量的目的。

圖1 料溫測(cè)溫曲線

均質(zhì)爐內(nèi)的加熱主要是爐氣強(qiáng)制循環(huán)氣流的對(duì)流傳熱，加熱時(shí)間計(jì)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(shí)間隨對(duì)流傳熱系數(shù)大而縮短；對(duì)流傳熱系數(shù)隨風(fēng)速增加而加大，其關(guān)系如圖2所示。因此，適當(dāng)?shù)臓t內(nèi)裝爐后材料層間風(fēng)速是縮短加熱時(shí)間的重要參數(shù)。

循環(huán)風(fēng)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(fēng)量越大，料溫越熱、冷兩端溫差越小。圖3為循環(huán)風(fēng)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(fēng)量。循環(huán)風(fēng)通過材料傳給物料的熱量Q(kcal/h)與風(fēng)量V(m3/h)，熱風(fēng)的比熱 Cp(kcal/m3.℃)，前后溫度 t1、t2(℃ )的關(guān)系式為：

圖2 流傳熱系數(shù)與風(fēng)速關(guān)系圖

圖3 循環(huán)風(fēng)經(jīng)過物料示意圖

循環(huán)風(fēng)量與溫差成反比?？梢?，在一定裝爐量的情況下，循環(huán)風(fēng)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(shí)際現(xiàn)象和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來闡述。

根據(jù)筆者長(zhǎng)期從事鋁熱處理爐的設(shè)計(jì)、制作和使用的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，圓鑄棒均質(zhì)爐內(nèi)循環(huán)風(fēng)量與加熱時(shí)間的關(guān)系，見表3所示。

表3 圓鑄棒均質(zhì)爐內(nèi)循環(huán)風(fēng)量與加熱時(shí)間的關(guān)系

按照此標(biāo)準(zhǔn)，新爐型循環(huán)量達(dá)到1.26，而原爐型循環(huán)量只有0.94，可見，兩爐型循環(huán)風(fēng)量處于兩個(gè)檔次，熱工性能有較大差異。新爐型在使用時(shí)，注意不要與原爐型爐溫到溫后的保溫時(shí)間相同，因?yàn)樾聽t型循環(huán)的風(fēng)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(shí)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(cè)溫試驗(yàn)，以便制定更科學(xué)的熱工工藝。

在確定風(fēng)量后，風(fēng)機(jī)的選型要考慮盡量低的風(fēng)壓但又要滿足爐內(nèi)的實(shí)際阻力損失，原爐型采用的是離心式風(fēng)機(jī)，在相同風(fēng)量的情況下風(fēng)壓較高；而新爐型采用的是軸流式風(fēng)機(jī)，風(fēng)量大于原爐型用的風(fēng)機(jī)而風(fēng)機(jī)電機(jī)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(fēng)機(jī)（總裝機(jī)功率150kw），新爐型采用軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量大，電機(jī)功率小(總裝機(jī)功率55kw)，沒有現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，雖不能以裝機(jī)功率的比例來計(jì)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(shí)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(shè)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(shè)計(jì)上作了如下工作：

1.供氣管道設(shè)計(jì)符合歐洲燃?xì)獍踩?guī)定；

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

3.小負(fù)荷點(diǎn)火以及數(shù)次點(diǎn)火失敗后，強(qiáng)制爐內(nèi)空氣吹掃的程序設(shè)定。

五、設(shè)備改進(jìn)項(xiàng)目

1.均質(zhì)加熱爐

爐體鋼結(jié)構(gòu)采用20#槽鋼和5mm鋼板組焊，采用氣密性焊接；具有足夠強(qiáng)度和剛性，滿足大風(fēng)量循環(huán)風(fēng)機(jī)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(shí)（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(jié)構(gòu)。

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(cuò)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(jié)構(gòu)、保溫隔熱、內(nèi)襯板與爐體相同，具有足夠強(qiáng)度的剛性，四個(gè)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(jī)構(gòu)采用套筒輥?zhàn)渔渹鲃?dòng)，運(yùn)行可靠，并設(shè)置爐門提升到位氣缸插銷鎖住安全裝置。

循環(huán)風(fēng)機(jī)采用低風(fēng)壓大風(fēng)量高溫軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)量較以往均質(zhì)爐大1/3，裝機(jī)功率反而小45%，從而加熱時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整循環(huán)風(fēng)量達(dá)到最佳節(jié)電效果。

燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全遵照歐洲燃?xì)獍踩珮?biāo)準(zhǔn)；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(wù)好，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

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

電控自動(dòng)化程度高，具有溫控、邏輯控制、連鎖保護(hù)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(yùn)行可靠。設(shè)計(jì)編制的軟件保證了設(shè)備設(shè)計(jì)性能和可靠性。

2.冷卻室

冷卻風(fēng)機(jī)采用五臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，總風(fēng)量可達(dá)324000m3/h；是以往風(fēng)量的1.5倍，而裝機(jī)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(fēng)加霧化水冷卻時(shí)效果更好。

3.三維料車改進(jìn)項(xiàng)目

車架鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的剛性好，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安全系數(shù)高，運(yùn)行可靠，故障率低。料架采用垂直升降機(jī)構(gòu)，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(jié)論

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