燃氣連續(xù)式時效爐生產線的節(jié)能改造

劉 俊，李保強

（機械工業(yè)第六設計研究院有限公司 河南 鄭州450007）

時效爐熱利用率高、結構簡單、生產成本低、連續(xù)批量生產，因而在汽車發(fā)動機缸體缸蓋退火處理中得到廣泛的應用[1-2]。某發(fā)動機公司的缸體連續(xù)式時效爐生產線由于原設備部分環(huán)節(jié)設計不合理以及燃燒系統、保溫、電氣控制等部分的失效和異常，造成時效爐能耗太高。根據實測的燃料消耗量和實際處理的鑄件質量，該爐鑄件熱時效處理實際單位能耗約32.64 m3天然氣/t，遠高于國家能耗指標。時效爐目前存在的一些問題直接導致了單位燃料消耗量的增加，很有必要進行節(jié)能改造，使其達到合理能耗，降低單位燃料成本。經排查時效爐還存在燃燒系統、排煙系統、控制系統等設計不合理的地方，需要進行優(yōu)化升級改造，除了節(jié)能外還可以增加設備的可靠性，降低設備的故障率。

1 臺車連續(xù)式時效爐工作原理

1.1 生產工藝流程

鑄件由機械手放入臺車，通過移載車送至時效爐前，再由液壓缸將臺車送往時效爐內。工件在時效爐內經過升溫、保溫、冷卻后由移載車轉運到返回段內繼續(xù)冷卻至100℃以下時出爐，然后卸車、清砂、裝車進行下一次循環(huán)，如圖1所示。

圖1 時效爐系統簡圖

時效爐分為升溫段、保溫段及冷卻段，每段都有數個溫區(qū)組成。有加熱系統的溫區(qū)都安裝有爐內循環(huán)風機，保證爐溫均勻性，并可根據工藝需要轉換為升溫、保溫或降溫使用；有冷卻風機的溫區(qū)，通過變頻器調節(jié)風機轉速從而精確控制降溫速度。

1.2 缸體缸蓋典型時效工藝

缸體缸蓋典型時效工藝如圖2所示。鑄件均勻升溫至500～560℃，升溫速度小于100℃/h；鑄件在500～560℃下保溫2～3 h；鑄件由500～560℃均勻降溫至200℃，冷卻速度小于2℃～3℃/h；鑄件由200℃，急冷至100℃以下出爐。

圖2 工藝曲線圖

1.3 缸體缸蓋時效工藝在連續(xù)時效爐的實現

由于連續(xù)時效爐自身的結構特點決定了它與一般間斷性時效爐（如臺車爐）工藝的不同，臺車爐是通過連續(xù)的升溫或降溫來實現鑄件的時效工藝，爐膛的溫度是變值，而連續(xù)時效爐是各個溫區(qū)設定不同的溫度，各溫區(qū)的溫度為定值，通過鑄件在各溫區(qū)加熱時間多少來近似地實現鑄件的時效工藝曲線。

連續(xù)時效爐溫區(qū)的多少對時效爐燃燒系統、熱風循環(huán)系統、冷卻系統及時效爐對熱處理工藝曲線的精確實現程度都起決定性作用[3]，一般來講，連續(xù)時效爐的溫區(qū)越多，熱處理工藝曲線的實現越精確，但燃燒裝置、熱風循環(huán)及冷卻系統就越多，系統控制越復雜；如果溫區(qū)越少，燃燒裝置、熱風循環(huán)及冷卻系統就越少，系統控制簡單，但熱處理工藝曲越粗糙?？紤]到燃燒裝置、熱風循環(huán)風機、冷卻風機及系統總體控制，我們認為鑄件在每個溫區(qū)加熱時間控制在25～45 min，每個溫區(qū)長度控制在4～6 m。

2 原時效爐問題分析及節(jié)能改造措施

2.1 燃燒系統

時效爐的部分燒嘴燃燒異常，空燃比已經失調，存在燃燒不完全或空氣過剩的情況，造成能源的浪費。且每個燒嘴的燃氣管路上僅有一個手動球閥，這個球閥既起到維修時的切斷作用，又起到燃燒調試時的燃氣流量調節(jié)作用，這種設計存在很大缺陷，燒嘴調到最佳狀態(tài)后，手動球閥容易被人誤調整，當燒嘴出現異常需要維修時，手動球閥關閉，維修結束后工人很難將球閥恢復到燃燒需要的合適位置，造成燃燒不能處于最佳狀態(tài)。同時燃燒系統的助燃風機為直接啟動，沒有風壓控制，造成助燃風管路壓力不穩(wěn)，對燃燒系統造成非常不利的影響，燒嘴燃燒不穩(wěn)定，不是燃料多了，就是助燃風多了，且容易出現燒嘴熄火、點火困難等問題。風機全功率工頻運行與變頻器控制相比也會浪費30%～40%的電能。

改進措施：

依托我公司多年來燃氣燒嘴的調試和使用經驗，所有燒嘴的火焰重新調整，部分損壞的比例閥、燒嘴碳化硅管等進行更換，風門執(zhí)行器進行重新標定，每個燒嘴燃氣系統增加一個手動調節(jié)閥專門用于調節(jié)燃氣流量，調節(jié)完畢后將手柄去掉，防止工人誤調整，如圖3所示。燒嘴進行重新調試后保證所有燒嘴火焰正常，空燃比合適，火焰穩(wěn)定。依托我公司多年來總結的燃燒系統和溫度控制經驗，在電氣控制系統上增加我公司的專有控制技術，使燃燒系統的穩(wěn)定性大大提高，燒嘴的故障率大大降低。

圖3 燒嘴燃氣系統改造前、后對比圖

在風機房新增一個風機變頻器控制柜，增加兩臺變頻器，兩個助燃風壓控制儀表，在助燃風管路上增加兩個助燃風壓傳感器和膜盒壓力表，助燃風機改為變頻控制，系統將通過變頻來維持助燃風管道恒定的風壓，從而解決風壓不穩(wěn)對燃燒系統的影響，燒嘴的燃燒也將更穩(wěn)定更可靠。增加燒嘴異常熄火的自動容錯復位技術。助燃風閥控制模式由23改為27，改造后風閥可在燒嘴不使用時自動關閉，降低能耗，如圖4、圖5所示。風機改為變頻控制后，助燃風機部分將節(jié)約30%～40%的電能。

圖4 改造前助燃風閥控制模式圖（模式23）

圖5 改造后助燃風閥控制模式圖（模式27）

2.2 燒嘴燃燒筒和熱風循環(huán)

連續(xù)式退火爐存在部分燒嘴燃燒筒損壞或因為固定裝置失效造成的燃燒筒下墜，碰到工件造成工件傾倒的問題，也存在部分循環(huán)風箱固定裝置失效造成的循環(huán)風箱下墜和變形問題如圖6所示。側風箱因為出現固定裝置失效，導致側風箱進入工件區(qū)域碰到工件，造成工件傾倒。循環(huán)風機葉輪經常變形、開裂，需要維修和更換。循環(huán)風機周圍耐火纖維被風沙侵蝕，導致保溫失效。根本原因是循環(huán)風機葉輪和風箱的間距沒控制好，如圖7所示。葉輪必須在風箱以內而且間隙合適。燒筒和循環(huán)風箱的異常也會影響燃燒系統穩(wěn)定性和控溫準確性。

圖6 燃燒筒開裂和固定方式失效現場圖

圖7 循環(huán)風機葉輪和風箱的間距示意圖

改進措施：

時效爐停爐爐內溫度降下來后，進入爐內檢測燃燒筒和風箱，對損壞的燃燒筒進行更換處理（利用現有工廠中的燃燒筒備件），對位置改變的燃燒筒和循環(huán)風箱進行重新加固和固定。對燃燒筒進行改造后，循環(huán)風機葉輪不再處在高溫區(qū)域，風機葉輪不再變形和開裂。循環(huán)風機重新調整安裝高度和固定，循環(huán)風不再泄漏，減少風沙侵蝕爐頂耐火纖維，并更換燃燒室爐頂纖維。

2.3 密封

時效爐的密封主要包括小車與爐體的砂封、小車與小車之間的密封以及爐門與小車的密封。目前這幾種密封效果都已很差，需要重新修復，密封效果差也是時效爐能耗高的原因。小車與爐體的砂封部分以及小車上的密封刀與爐體上的U型砂槽不匹配，特別其中一側的密封刀僅僅進入到爐體上的U型砂槽10～15 mm，砂封效果不好，并且即使填滿砂子，也將很快失效，75 m長的兩條通縫密封不好，增加很大的能耗。

改進措施：小車與爐體之間的砂封部分增加爐體上的U型砂槽高度，使小車上的密封刀可以更多地落入U型砂槽，填滿砂子后（砂子利用車間的廢砂），砂封也因此可以使用更長的時間。不過用戶需要根據使用情況定期增加砂子，保證砂封密封正常。改造前后對比如圖8所示。

圖8 U型沙槽改造前、后對比圖

2.4 爐壓控制

時效爐加熱段有兩個爐壓測量口，并由兩個氣動閥門控制排煙，當前爐壓的控制方式為開關式控制，并且初步觀察爐壓傳感器已經不準確，氣動閥門已經不動作。開關式控制的缺點是爐壓很難穩(wěn)定在一個較理想的值，在使用過程中會形成爐內壓力過高或爐內壓力過低的情況，爐壓過高造成熱氣外溢，爐壓過低造成冷空氣進入爐內，這些都會造成時效爐能耗增加。目前排煙蝶閥沒有閥位指示標識，無法判斷蝶閥的實際位置，造成排除故障和維修困難。

改進措施：

更換損壞的爐壓傳感器，將氣動閥門改為連續(xù)調節(jié)的電動閥門，更換爐壓控制儀表，將爐壓改為恒壓控制，維持爐壓的穩(wěn)定，同時增加排煙蝶閥的閥位指示標識。改造前、后對比如圖9所示。

圖9 爐壓傳感器和取壓方式改造前、后對比圖

2.5 雙作用溫區(qū)排煙電動閥門

加熱段出口和緩冷段進口（第12區(qū)～第19區(qū)）爐體上方的排氣管道上的電動閥門已經失效，電動執(zhí)行器或損壞或拆除，造成此部分的控制失效，一部分熱量從排氣管道排出，增加了時效爐能耗。原來的電動執(zhí)行器離排煙管道太近，電動執(zhí)行器處于高溫環(huán)境中，容易出現電動執(zhí)行器損壞的情況。原來的電動執(zhí)行器的扭矩偏小，電動執(zhí)行器容易出現過載造成執(zhí)行器損壞的情況。加熱和排氣降溫控制沒有進行切換干預，出現同時加熱和排氣降溫的情況。

改進措施：

更換損壞的電動執(zhí)行器，增加一個聯軸器用于延長電動執(zhí)行器與排煙管道的距離，電動執(zhí)行器安裝時避開高溫區(qū)域，如圖10所示。加熱和排氣降溫控制PLC進行干預[4]，避免同時起作用。

圖10 雙作用溫區(qū)排煙電動閥門改造前、后對比圖

3 結語

燃氣連續(xù)式時效爐節(jié)能改造完成后，按現有的生產組織形式改造前半年內平均每噸鑄件天然氣能耗：32.64 m3，改造后半年內平均每噸鑄件天然氣能耗：26.88 m3，節(jié)能17.65%能耗指標以雙方協商好的統計方式為準，能耗計算以一個月周期內剔除異常因素后的平均能耗作為依據。兩臺22 kW助燃風機改為變頻控制后，助燃風機部分將節(jié)約30%～40%的電能。