淬火油冷卻及其余熱回收技術(shù)的應(yīng)用

張子禹，宿新天，崔志強(qiáng)，趙廣進(jìn)

(1.保定市金能換熱設(shè)備有限公司，河北 保定 071000；2.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471000)

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淬火油冷卻及其余熱回收技術(shù)的應(yīng)用

張子禹1，宿新天1，崔志強(qiáng)1，趙廣進(jìn)2

(1.保定市金能換熱設(shè)備有限公司，河北 保定 071000；2.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471000)

摘要：淬火油冷卻及回收其余熱的熱管換熱設(shè)備，以冷卻淬火油為目的，同時(shí)回收淬火油的余熱并加以利用，這樣可以提高熱能的利用率。流體介質(zhì)分別為淬火油和冷卻水，淬火油和冷卻水各自構(gòu)成一套互相獨(dú)立的密閉循環(huán)冷卻和加熱系統(tǒng)，中間由隔板隔開(kāi)，消除傳統(tǒng)油-水換熱過(guò)程中容易引起油水摻混而發(fā)生火災(zāi)的隱患，大大地提高了設(shè)備的安全性。被加熱的冷卻水可以用于清洗工件或者提供生活熱水。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)后，可使熱處理能耗<380 kWh/t。

關(guān)鍵詞：淬火油；冷卻；熱管；環(huán)境污染

1淬火油冷卻及回收其余熱技術(shù)特點(diǎn)

1.1淬火油冷卻工藝

淬火決定了熱處理工件的最終顯微組織和性能，一方面要獲得理想的顯微組織(一般為馬氏體)，淬火冷卻速度應(yīng)足夠高；另一方面為了減少變形，冷卻速度應(yīng)該盡可能慢，淬火介質(zhì)的溫度控制是實(shí)現(xiàn)淬火工藝的決定因素。在熱處理中，加熱和冷卻是獨(dú)立進(jìn)行又相互依賴的2個(gè)過(guò)程。冷卻過(guò)程幾乎是在瞬間完成，材料的大多數(shù)組織轉(zhuǎn)變過(guò)程都在冷卻時(shí)發(fā)生，冷卻方式和過(guò)程決定了材料的組織狀態(tài)和性能。淬火油的粘度-溫度特性、熱穩(wěn)定性、油污的形成和濕潤(rùn)特性決定淬火工件的力學(xué)性能。不同材質(zhì)的工件淬火時(shí)對(duì)應(yīng)不同的溫度曲線，這樣就限定淬火油冷卻溫度控制在某個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，如果淬火油溫度過(guò)高，會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及大氣造成污染，并且影響人體健康。

淬火油作為淬火介質(zhì)的特點(diǎn)是油蒸汽膜比水穩(wěn)定得多，高溫時(shí)比水的冷卻能力低，在Ms點(diǎn)附近已進(jìn)入對(duì)流階段，在約為200 ℃時(shí)的冷卻速度大為降低，能夠減少鋼的淬火變形和開(kāi)裂傾向，這是淬火油的很大優(yōu)點(diǎn)。淬火油的流動(dòng)性愈好，冷卻能力也就愈大，所以把淬火油溫控制在最適宜的范圍內(nèi)，淬火工件就會(huì)獲得理想的力學(xué)性能。

傳統(tǒng)熱處理淬火時(shí)只注重淬火油的冷卻性能,沒(méi)有考慮淬火油釋放出熱量的再利用問(wèn)題。目前，我國(guó)熱處理平均能耗為600 kWh/t，應(yīng)用這項(xiàng)淬火油冷卻及回收其余熱技術(shù)以后，可使熱處理能耗<380 kWh/t，世界先進(jìn)水平能耗為400 kWh/t。回收加熱后的冷卻水可以用于生產(chǎn)和生活中，該項(xiàng)技術(shù)在熱處理行業(yè)的能源利用方面是一次突破,對(duì)于節(jié)能減排工作具有指導(dǎo)性的示范作用。

常規(guī)的淬火油冷卻是通過(guò)板式換熱器(油-水換熱)進(jìn)行換熱，其冷卻系統(tǒng)有如下缺點(diǎn)：通過(guò)油-水進(jìn)行換熱，淬火油釋放的熱量被冷卻水吸收，不能加以利用，直接排放到周圍環(huán)境中就會(huì)成為熱污染源。傳統(tǒng)淬火工藝對(duì)冷卻水還需要玻璃鋼冷卻塔進(jìn)行散熱，才能使冷卻水達(dá)到要求的溫度。在北方地區(qū)冬季，玻璃鋼冷卻塔的水噴濺會(huì)導(dǎo)致結(jié)冰，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行；或者要對(duì)冷卻水進(jìn)一步處理，采用冷卻水池作為散熱裝置，噴淋或者自然冷卻。這時(shí)無(wú)論水池放在地上或地下，均難以避免冷卻水被灰塵污染，而且占地面積大，同時(shí)氧氣會(huì)不斷地進(jìn)入系統(tǒng)中，加劇管道、水箱等設(shè)施的腐蝕，甚至混入一些固態(tài)物質(zhì)將威脅到設(shè)備通道的流通，給設(shè)備運(yùn)行造成安全隱患。夏季環(huán)境溫度較高時(shí)，冷卻系統(tǒng)還需要配備冷水機(jī)組來(lái)降低冷卻水溫度。因?yàn)闊o(wú)論冷卻塔或冷卻水池，都無(wú)法避免水分的蒸發(fā)，它們?cè)诤艽蟪潭壬鲜且揽空舭l(fā)來(lái)獲得冷卻的。采用該項(xiàng)熱管式油-水換熱裝置不存在蒸發(fā)消耗水量的問(wèn)題，可以達(dá)到節(jié)水節(jié)電的目的。

該設(shè)計(jì)方案的主要構(gòu)思是淬火油和冷卻水各自構(gòu)成一套互相獨(dú)立的密閉循環(huán)冷卻和加熱系統(tǒng)，中間由隔板隔開(kāi)。2個(gè)循環(huán)系統(tǒng)互不干擾，可以杜絕淬火油和冷卻水摻混引發(fā)火災(zāi)的隱患。

1.2淬火油冷卻傳熱計(jì)算[1]

熱管淬火油側(cè)管外繞流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[2]為：

367.6 (W/(m2·℃))

(1)

式中，λ1是淬火油熱導(dǎo)率，單位為W/(m·℃)；μ1是淬火油動(dòng)力粘度，單位為Pa·s；Pr1是淬火油普朗特?cái)?shù)；Gm1是最窄截面積處淬火油的質(zhì)量流量，單位為kg/h；Do是熱管外徑，單位為m。

熱管水側(cè)管外繞流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：

5 586 (W/(m2·℃))

(2)

式中，λ2是冷卻水熱導(dǎo)率，單位為W/(m·℃)；μ2是冷卻水動(dòng)力粘度，單位為Pa·s；Pr2是冷卻水普朗特?cái)?shù)；Gm2是最窄截面積處冷卻水的質(zhì)量流量，單位為kg/h。

傳熱系數(shù)K為：

172 (W/(m2·℃))

(3)

式中，λw是管壁熱導(dǎo)率，單位為W/(m·℃)；αe、αc分別是管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)和冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為W/(m·℃)；R污是管壁污垢系數(shù)，單位為m·℃/W；L1、L2分別是熱管加熱段和冷卻段長(zhǎng)度，單位為m；α1是油側(cè)管外傳熱系數(shù)，單位為W/(m2·℃)；α2是水側(cè)管外傳熱系數(shù)，單位為W/(m2·℃)；Di是熱管內(nèi)徑，單位為m。

2設(shè)計(jì)方案

2.1淬火油冷卻和余熱回收裝置的結(jié)構(gòu)

熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的高效傳熱元件，它可以無(wú)需外加動(dòng)力，將大量熱量通過(guò)其很小的截面積進(jìn)行傳輸。熱管具有傳輸溫差小、適用溫度范圍廣和可調(diào)控管內(nèi)熱流密度等眾多優(yōu)良特性，在能量回收和余熱利用方面顯示出其獨(dú)特的作用。該裝置是采用熱管換熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)淬火油冷卻的。

冷卻淬火油及回收其余熱管換熱設(shè)備系統(tǒng)圖如圖1所示。圖1中熱管換熱器的結(jié)構(gòu)選材：管殼材料為20#鍋爐無(wú)縫鋼管，熱管外徑Do=0.025 m，熱管內(nèi)徑Di=0.02 m，熱管全長(zhǎng)L=3.5 m。熱管換熱器管子排列形式為等邊三角形排列。

圖1　冷卻淬火油及回收其余熱管換熱設(shè)備系統(tǒng)圖

2.2對(duì)淬火油冷卻換熱的要求

熱處理淬火工藝是把鋼件加熱到AC3以上，大于臨界冷卻速度進(jìn)行快速冷卻。為了獲得良好的綜合性能，淬火后鋼組織可能是馬氏體組織、珠光體組織以及含量不同的殘余奧氏體組織[3]。為了達(dá)到上述目的，對(duì)淬火油的溫度控制非常嚴(yán)格，因?yàn)檫B續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，若重新淬火時(shí)，淬火油要求達(dá)到初始溫度狀況。

采用熱管換熱器對(duì)淬火油進(jìn)行冷卻具有如下特點(diǎn)：熱管工質(zhì)具有蒸發(fā)和冷凝的兩相閉式循環(huán)，傳輸?shù)臒崃坎恍枰碾娔?，具有較大的傳熱能力和優(yōu)良的等溫性。淬火油側(cè)位于熱管換熱器的下部，冷卻水側(cè)位于熱管換熱器的上部，中間由隔板隔開(kāi)。通過(guò)淬火油側(cè)和冷卻水側(cè)合理布置流通面積，能夠有效地強(qiáng)化對(duì)流換熱，這使整個(gè)換熱過(guò)程得到相應(yīng)強(qiáng)化[4]，使傳熱系數(shù)顯著提高。為了降低制造成本，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)在保證傳熱性能并兼顧流動(dòng)阻力的前提下，調(diào)整、改變熱管的組合排列，這樣可以生產(chǎn)出不同型號(hào)的批量產(chǎn)品。

2.3淬火油冷卻及其余熱回收設(shè)備性能參數(shù)

熱管性能優(yōu)劣以及壽命長(zhǎng)短在很大程度上取決于熱管的制造工藝。在制造過(guò)程中應(yīng)按各道工序的要求嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制，著重考慮熱管管材的相容性以及傳熱工質(zhì)的純度，制訂一套完善的操作規(guī)程，才能保證整體設(shè)備性能的可靠性。其中，余熱回收利用環(huán)節(jié)、產(chǎn)品能耗是評(píng)價(jià)熱工設(shè)備完善性和用能合理性的統(tǒng)一數(shù)據(jù)[5]。

該裝置自2013年7月投產(chǎn)以來(lái)運(yùn)行正常，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　淬火油冷卻及其余熱回收設(shè)備性能參數(shù)表

2.4回收淬火油余熱利用的實(shí)例

熱管換熱器冷卻段排出的熱水，一般能夠達(dá)到50 ℃，這是一種很有利用價(jià)值的熱能資源。成功應(yīng)用的實(shí)例，如某軸承公司對(duì)換熱器排出的熱水用于清洗軸承滾珠、套圈等工件，可取消一臺(tái)200 kW的電加熱器，這部分熱量也可用于冬季采暖的熱源或者用于生活熱水，這樣熱才能充分地得到重復(fù)利用。

3經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)2年多的運(yùn)行，淬火油的冷卻溫度始終能達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求，淬火工件質(zhì)量合格率>99%。回收的冷卻水用于工件清洗，取消了原來(lái)清洗工件所配備的電加熱器。按年運(yùn)行時(shí)間5 000 h計(jì)算，年節(jié)約標(biāo)煤78 t,每年減少二氧化碳的排放量199 t，經(jīng)濟(jì)效益顯著，投資回收期為7個(gè)月。

4結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目投產(chǎn)后一直穩(wěn)定運(yùn)行，能夠充分回收淬火油冷卻過(guò)程中排放的熱量，做到了二次能源的合理利用。節(jié)能降耗是符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)及發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策的，克服了淬火油傳統(tǒng)冷卻方式熱效率低的難題，淬火油釋放的熱量加以利用，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一項(xiàng)重要技術(shù)途徑，具有廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景，對(duì)改善空氣質(zhì)量，防止大氣污染，也能夠起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭少春，宿新天，王碩.H型翅片管省煤器在工業(yè)鍋爐余熱回收上的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝, 2014(5)：1-3.

[2] 劉紀(jì)福，白榮春，山本格.實(shí)用余熱回收和利用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[3] 陳再良，閻承沛. 先進(jìn)熱處理制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[4] 何天榮. 熱管技術(shù)在熱能工程中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)鍋爐，2003(2)：24-27.

[5] 何介英.工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)[M]. 濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

責(zé)任編輯鄭練

The Research of Cooling of Quench-oil and the Application of Its Heat Recovery Technique

ZHANG Ziyu1, SU Xintian1, CUI Zhiqiang1, ZhAO Guangjin2

(1.Baoding Jinneng Exchanger Co., Ltd., Baoding 071000, China; 2.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471000, China)

Abstract：Usage of the heat recovered from cooling of quench-oil with heat pipe exchange apparatus may increase the availability of thermal energy. The cooling fluid is quench-oil or water. The two fluid has their own individual circulating system, with partition board between them, so that the hidden danger of fire is eliminated and the safety of the whole system enormously is increased. The heated hot water can be used to wash mechanical parts or as living hot water. Because of the application of this technique, the energy consumption rate has decreased to less than 380 kWh/t.

Key words:quench-oil, cooling, heat pipe, environment pollution

收稿日期：2015-09-18

作者簡(jiǎn)介：張子禹(1975-)，男，助理工程師，主要從事熱能工程設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TK 223.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B