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燃气加热托辊型网带炉生产线的研制与应用
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近年来 ,电加热网带炉生产线已广泛应用于标准件、 轴承 、 五金等行业的热处理生产中 , 但产量高 、 生产率 > 1000 kg / h 的网带炉 , 由于用电量大 , 能耗高 制约着这类大型网带炉的发展与应用 。随着“ 西气东 输” 、 “ 川气东送 ” 的实施 ,给大型网带炉的加热能源采 用天然气提供了条件 。我公司在电加热网带炉生产线 的基础上 ,研制开发的天然气加热托辊型网带炉淬回 火生产线 ,生产应用表明 , 生产线炉温均匀性 、 热处理 产品质量均达到了相应标准的要求 , 能耗和生产成本 均低于电加热网带炉生产线 。
2 燃气辐射管加热托辊型网带式淬火炉
燃气辐射管加热托辊型网带式淬火炉的炉体 、 炉 衬、 网带及其驱动装置 、 炉顶循环风机 、 保护气氛供给 系统等与电加热网带炉相同 。但其加热系统采用图 1 所示的自身预热式燃气辐射管 , 该辐射管由辐射管外 壳、 带翅片式空气预热器 、 碳化硅内管 、 点火燃烧装置 、 烧嘴控制器 、 燃气和空气电磁阀 、 燃气和空气管路及相 应球阀 、 蝶阀等组成 。辐射管外壳和带翅片式空气预 热器均为 1Cr25N i20Si2 耐 热钢 离心 浇铸 , 管 壳壁 厚 8 mm。 燃烧室设有碳化硅内管 ,共分 4 段连接 ,火焰在 管内燃烧 ,耐热钢管壳弯曲变形时 ,不会将碳化硅内管 折断 。碳化硅内管外径 < 120 mm , 四
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周有若干支脚交 错分布 ,以确保燃烧室的碳化硅内管与耐热钢管壳之 间有一定的间隙 ,达到用以烟气回流预热空气的目的 。 燃烧装置为德国 LB E 公司制造的空气自身预热式烧 嘴 ,最大燃烧功率 36 kW /支 , 由电子点火电极直接点 火 ,火焰监测器监测火焰燃烧情况 。其天然气的最低 3 发热值为 35600 kJ /m (标准状态 ) 、 燃气节点压力为 3 3 kPa、 每支辐射管的天然气最大耗气量约 3 1 64m / h
1 燃气加热托辊型网带炉生产线的组成
燃气加热托辊型网带炉生产线由磁性上料机 、 浸 泡型前清洗机 、 燃气辐射管加热托辊型网带式淬火炉 、 自动提升淬火冷却槽 、 水平型后清洗机 、 燃气加热托辊 型网带式回火炉 、 双层发黑槽 、 烘干炉 、 上油机以及电 气和温度控制柜 、 计算机多媒体集散式中央控制系统 等组成 。主要技术参数为额定生产率 800 ～1000 kg / h、 全线最大燃气功率约 1380 kW 、 全线额定电功率 (包 括传动 、 风机 、 淬火槽 、 前后清洗机和烘干加热等 ) 约
60 kW 、 淬火炉炉内网带有效宽度为 1000 mm、 回火炉(标准状态 ) 、 助燃空气压力为 5 kPa、 每只烧嘴的助燃
空气需要量约为 40 m / h (标准状态 ) 。 烧嘴采用开 /闭式脉冲方式控制 ,保证辐射管表面 温度均匀及低污染废气的排放 。脉冲燃烧强化了燃烧 [2] 和排出气体的质量 、 动量和热量的传递 , 使燃烧效 率高 ,强度大 ,排烟污染小 , 从而确保炉膛横向和纵向 以至整个炉膛的炉温均匀性 。脉冲燃烧是一种间断式 燃烧方式 ,采用脉宽调制技术 ,通过调节燃烧时间的通 断比来实现对网带炉的炉温控制 , 系统的燃烧流量 通过压力调整预先设定最大燃烧功率 , 使烧嘴燃烧时 的流量 、 压力处于稳定状态 。烧嘴一旦工作就处于满 负荷状态 ,保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变 。通 过调整燃烧和不燃烧两种状态的
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时间比进行温度调 节 ,即需要升温时 ,烧嘴燃烧时间长 ,熄火时间短 ,相反 需要降温时 ,烧嘴燃烧时间短 , 熄火时间长 , 一次性调 整好即可投入运行 , 其控制原理见图 2。由于省掉了 价格昂贵的 M PT700 脉冲燃烧控制器而采用 PLC, 当 PLC 接收到控温仪的 4 ～20 mA 连续信号 (对应烧嘴 能力 0 ～100% ) , 将此信号转换为脉冲信号传输给烧 嘴自动控制器 ,由它来控制烧嘴实现脉冲燃烧 ,如控温 仪只要求 50% ( 10 mA ) 热负荷 , 则在一个脉冲周期 内 ,烧嘴的开闭时间相等 ; 如要求 25%的热负荷 ,则烧 嘴的关闭时间是开启时间的 3 倍 。排烟方式采用每支 辐射管的烟道通入总烟道后经烟囱排至室外 。
式燃烧 ,烧嘴最大功率 70 kW /支 ,可在 10% ～40%功 率下稳定燃烧 ,火焰长度 230 ～400 mm ,火焰出口速度 80 m / s。烧嘴控制采用空气 /燃气比率阀连续自动调 节火焰大小 ,控制原理如图 3 所示 。烧嘴燃烧时空气 / 燃气比是一个重要的控制参数 ,它关系到炉内气氛 、 能 源消耗等重要指标 ,空气 /燃气比并不是线性关系 ,每个 加热区采用一台空气 /燃气比率电磁阀和电动执行器 , 使助燃空气流量与燃气流量成固定比率 , 在调试过程 中 ,首先找出最佳空气 /燃气比。当该区控温仪表传出 的 4 ～20 mA 信号至空气 /燃气比率阀自动调节空气流 量和随之调节的燃气流量来实现大小火焰燃烧的连续 调节 ,从而确保各区的炉温均匀性。排烟方式为炉子进 料端的烟道汇总后通入烟囱直接排至室外。
4 计算机多媒体集散式中央控制系统
燃气加热托辊型网带炉生产线设备台数多 、 动作 复杂要求高 ,如淬火炉燃气辐射管的脉冲控制 、 回火炉 烧嘴的空气 /燃气比率连续调节控制 , 烧嘴的自动点 火、 复位 、 熄火等 ,对这些控制的自动化程度和可靠性 提出了更高的要求 ,为此建立了手控调节 、 仪表智能化 控制和计算机中央控制 3 级控制方式 , 集成了计算机 技术 、 多媒体技术 、 图像显示和过程控制技术 、 智能化 自动控制技术等当今诸多高新技术 、 实现了
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全线运行 状况的图像显示及点火 、 超温 、 自动熄火 、 动作故障等 图像显示和声光报警 。作为集中管理和监控的多媒体 工控机 、 触摸式液晶显示屏操作界面的图像显示 ,采用 自主开发 的 控 制 软 件 , 具 有 良 好 的 人 机 界 面 , 通 过
RS485 和 RS232 通讯网络分别与下位机高性能 、 高可
3 燃气加热托辊型网带式回火炉
燃气加热托辊型网带式回火炉的炉体 、 网带及其 驱动装置与淬火炉类似 , 炉衬为轻质耐火粘土砖及硅 酸铝纤维复合炉衬 。独特的燃气加热装置和炉顶循环 风机及导风系统 ,采用德国 Krom Schroder公司制造的 燃气烧嘴 , 每个加热区装有两只 , 在炉墙两侧交错安 装 ,由于炉膛较宽 ,为了更好地保证炉温均匀性 , 在火 焰口加装了二次进风的耐热钢管 , 耐热钢管四周开有 若干火焰孔 ,加大高压空气的风量 , 除了助燃外 , 还用 于二次进风 。烧嘴型号为 SIC65HB ,冷空气助燃 ,开放
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靠性的 PLC 系统 、 智能化温控系统 、 变频调节系统相 连接 ,实现对生产线上各个环节和各个烧嘴的自动监 控 。同时采用开放式远程接口 , 与工厂的局域网计算 机管理相联接 ,实现远程控制和专家在线诊断指导 。
5 生产应用效果
燃气加热托辊型网带炉热处理生产线自 2006 年4 月调试投产以来 ,连续稳定运行 ,炉温均匀性和处理
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产品质量均达到用户和相关标准要求 。 ( 1 ) 炉温均匀性 采用炉膛横向 850 mm 范围内 左、 中、 右 3 支铠装热电偶 ,离网带面高 50 mm ,炉膛纵 向间断测定 。结果表明 , 淬火炉 (电控柜控温仪表指 示值各区均为 860 ℃) 温度范围为 85816 ～86813 ℃, 炉温均匀性为 ± 418 ℃, 实际炉温较仪表指示值平均 偏高 5 ～ 6 ℃; 回火炉 (仪表值 460 ℃) 温度范围为
45817 ～46815 ℃,炉温均匀性为 ± 419 ℃,实际炉温平 均偏高 5 ℃ 左右 ,符合热处理工艺和 JB / T 6206 —1992 《RCW 系列网带式电阻炉 》 标准要求 。 ( 2 ) 热处理产品质量 该生产线安装在常州高力 紧固件有限公司 ,处理 ML35 钢制造的 M8、 M10、 M12、 M16 等 各种 规格 螺栓 , 力 学 性 能 达 到 GB / T 3098 — 2000 《 紧固件机械性能 》 中规定的各项要求 , 淬 、 回火
次能源的天然气加热的能耗成本较二次能源的电加热 低得多 ,约低 50%左右 , 加上其它电能和辅助材料的 消耗 ,产品热处理生产成本约降低 30%左右 。这对于 有条件利用天然气加热的企业 , 为降低热处理生产成 本是有很强吸引力的 。
6 结语
( 1 ) 网带式淬火炉采用燃气辐射管加热 、 脉冲控制 ,回火炉采用开放式烧嘴加热 、 空气 /燃气比率连续 调节大小火控制 ,炉温均匀性均可达到 ± 5 ℃ 以下 。
( 2 ) 生产线采用计算机多媒体集散式中央控制系 统 ,是集计算机技术 、 多媒体技术 、 图像显示和过程控 制技术 、 智能化自动控制技术于一体的高新技术 ,运行 稳定可靠 。
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( 3 ) 热处理产品的质量达到相关标准要求 , 硬度 和力学性能稳定 。
( 4 ) 生产线产量达到设计要求 , 最高达到 1100 kg / h,淬 、 回火炉天然气加热的能耗成本较电加热降低 50%左右 ,总的产品热处理综合成本降低 30%左右 。
硬度分别在 44 ～50 HRC 和 24 ～30 HRC。该生产线的 生产率随热处理的螺栓规格不同达到 800 ～1100 kg/ h。经核算该生产线淬 、 回火炉的天然气消耗为 46 m / t [4] (标准状态 ) , 达到了当前欧洲的热处理能耗水平 ,按常州地区的工业用天然气价格 2140 元 /m (标准状 3 态 )核算 ,淬 、 回火炉的燃气加热能源费用为 46 m / t ×
2140 元 /m = 110 元 / t (标准状态 ) 。而电加热网带炉
3生产线同样处理紧固件 ,其淬 、 回火炉电加热的能耗通 常为 340 kW ? h / t, 按电能平均价格 0170 元 / kW ? h 核算 ,则淬 、 回火炉电加热能源费用为 340 kW ?h / t × 0170 元 / kW ?h = 238 元 / t。
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