燃气连续式时效炉生产线的节能改造

刘 俊，李保强

（机械工业第六设计研究院有限公司 河南 郑州450007）

时效炉热利用率高、结构简单、生产成本低、连续批量生产，因而在汽车发动机缸体缸盖退火处理中得到广泛的应用[1-2]。某发动机公司的缸体连续式时效炉生产线由于原设备部分环节设计不合理以及燃烧系统、保温、电气控制等部分的失效和异常，造成时效炉能耗太高。根据实测的燃料消耗量和实际处理的铸件质量，该炉铸件热时效处理实际单位能耗约32.64 m3天然气/t，远高于国家能耗指标。时效炉目前存在的一些问题直接导致了单位燃料消耗量的增加，很有必要进行节能改造，使其达到合理能耗，降低单位燃料成本。经排查时效炉还存在燃烧系统、排烟系统、控制系统等设计不合理的地方，需要进行优化升级改造，除了节能外还可以增加设备的可靠性，降低设备的故障率。

1 台车连续式时效炉工作原理

1.1 生产工艺流程

铸件由机械手放入台车，通过移载车送至时效炉前，再由液压缸将台车送往时效炉内。工件在时效炉内经过升温、保温、冷却后由移载车转运到返回段内继续冷却至100℃以下时出炉，然后卸车、清砂、装车进行下一次循环，如图1所示。

图1 时效炉系统简图

时效炉分为升温段、保温段及冷却段，每段都有数个温区组成。有加热系统的温区都安装有炉内循环风机，保证炉温均匀性，并可根据工艺需要转换为升温、保温或降温使用；有冷却风机的温区，通过变频器调节风机转速从而精确控制降温速度。

1.2 缸体缸盖典型时效工艺

缸体缸盖典型时效工艺如图2所示。铸件均匀升温至500～560℃，升温速度小于100℃/h；铸件在500～560℃下保温2～3 h；铸件由500～560℃均匀降温至200℃，冷却速度小于2℃～3℃/h；铸件由200℃，急冷至100℃以下出炉。

图2 工艺曲线图

1.3 缸体缸盖时效工艺在连续时效炉的实现

由于连续时效炉自身的结构特点决定了它与一般间断性时效炉（如台车炉）工艺的不同，台车炉是通过连续的升温或降温来实现铸件的时效工艺，炉膛的温度是变值，而连续时效炉是各个温区设定不同的温度，各温区的温度为定值，通过铸件在各温区加热时间多少来近似地实现铸件的时效工艺曲线。

连续时效炉温区的多少对时效炉燃烧系统、热风循环系统、冷却系统及时效炉对热处理工艺曲线的精确实现程度都起决定性作用[3]，一般来讲，连续时效炉的温区越多，热处理工艺曲线的实现越精确，但燃烧装置、热风循环及冷却系统就越多，系统控制越复杂；如果温区越少，燃烧装置、热风循环及冷却系统就越少，系统控制简单，但热处理工艺曲越粗糙。考虑到燃烧装置、热风循环风机、冷却风机及系统总体控制，我们认为铸件在每个温区加热时间控制在25～45 min，每个温区长度控制在4～6 m。

2 原时效炉问题分析及节能改造措施

2.1 燃烧系统

时效炉的部分烧嘴燃烧异常，空燃比已经失调，存在燃烧不完全或空气过剩的情况，造成能源的浪费。且每个烧嘴的燃气管路上仅有一个手动球阀，这个球阀既起到维修时的切断作用，又起到燃烧调试时的燃气流量调节作用，这种设计存在很大缺陷，烧嘴调到最佳状态后，手动球阀容易被人误调整，当烧嘴出现异常需要维修时，手动球阀关闭，维修结束后工人很难将球阀恢复到燃烧需要的合适位置，造成燃烧不能处于最佳状态。同时燃烧系统的助燃风机为直接启动，没有风压控制，造成助燃风管路压力不稳，对燃烧系统造成非常不利的影响，烧嘴燃烧不稳定，不是燃料多了，就是助燃风多了，且容易出现烧嘴熄火、点火困难等问题。风机全功率工频运行与变频器控制相比也会浪费30%～40%的电能。

改进措施：

依托我公司多年来燃气烧嘴的调试和使用经验，所有烧嘴的火焰重新调整，部分损坏的比例阀、烧嘴碳化硅管等进行更换，风门执行器进行重新标定，每个烧嘴燃气系统增加一个手动调节阀专门用于调节燃气流量，调节完毕后将手柄去掉，防止工人误调整，如图3所示。烧嘴进行重新调试后保证所有烧嘴火焰正常，空燃比合适，火焰稳定。依托我公司多年来总结的燃烧系统和温度控制经验，在电气控制系统上增加我公司的专有控制技术，使燃烧系统的稳定性大大提高，烧嘴的故障率大大降低。

图3 烧嘴燃气系统改造前、后对比图

在风机房新增一个风机变频器控制柜，增加两台变频器，两个助燃风压控制仪表，在助燃风管路上增加两个助燃风压传感器和膜盒压力表，助燃风机改为变频控制，系统将通过变频来维持助燃风管道恒定的风压，从而解决风压不稳对燃烧系统的影响，烧嘴的燃烧也将更稳定更可靠。增加烧嘴异常熄火的自动容错复位技术。助燃风阀控制模式由23改为27，改造后风阀可在烧嘴不使用时自动关闭，降低能耗，如图4、图5所示。风机改为变频控制后，助燃风机部分将节约30%～40%的电能。

图4 改造前助燃风阀控制模式图（模式23）

图5 改造后助燃风阀控制模式图（模式27）

2.2 烧嘴燃烧筒和热风循环

连续式退火炉存在部分烧嘴燃烧筒损坏或因为固定装置失效造成的燃烧筒下坠，碰到工件造成工件倾倒的问题，也存在部分循环风箱固定装置失效造成的循环风箱下坠和变形问题如图6所示。侧风箱因为出现固定装置失效，导致侧风箱进入工件区域碰到工件，造成工件倾倒。循环风机叶轮经常变形、开裂，需要维修和更换。循环风机周围耐火纤维被风沙侵蚀，导致保温失效。根本原因是循环风机叶轮和风箱的间距没控制好，如图7所示。叶轮必须在风箱以内而且间隙合适。烧筒和循环风箱的异常也会影响燃烧系统稳定性和控温准确性。

图6 燃烧筒开裂和固定方式失效现场图

图7 循环风机叶轮和风箱的间距示意图

改进措施：

时效炉停炉炉内温度降下来后，进入炉内检测燃烧筒和风箱，对损坏的燃烧筒进行更换处理（利用现有工厂中的燃烧筒备件），对位置改变的燃烧筒和循环风箱进行重新加固和固定。对燃烧筒进行改造后，循环风机叶轮不再处在高温区域，风机叶轮不再变形和开裂。循环风机重新调整安装高度和固定，循环风不再泄漏，减少风沙侵蚀炉顶耐火纤维，并更换燃烧室炉顶纤维。

2.3 密封

时效炉的密封主要包括小车与炉体的砂封、小车与小车之间的密封以及炉门与小车的密封。目前这几种密封效果都已很差，需要重新修复，密封效果差也是时效炉能耗高的原因。小车与炉体的砂封部分以及小车上的密封刀与炉体上的U型砂槽不匹配，特别其中一侧的密封刀仅仅进入到炉体上的U型砂槽10～15 mm，砂封效果不好，并且即使填满砂子，也将很快失效，75 m长的两条通缝密封不好，增加很大的能耗。

改进措施：小车与炉体之间的砂封部分增加炉体上的U型砂槽高度，使小车上的密封刀可以更多地落入U型砂槽，填满砂子后（砂子利用车间的废砂），砂封也因此可以使用更长的时间。不过用户需要根据使用情况定期增加砂子，保证砂封密封正常。改造前后对比如图8所示。

图8 U型沙槽改造前、后对比图

2.4 炉压控制

时效炉加热段有两个炉压测量口，并由两个气动阀门控制排烟，当前炉压的控制方式为开关式控制，并且初步观察炉压传感器已经不准确，气动阀门已经不动作。开关式控制的缺点是炉压很难稳定在一个较理想的值，在使用过程中会形成炉内压力过高或炉内压力过低的情况，炉压过高造成热气外溢，炉压过低造成冷空气进入炉内，这些都会造成时效炉能耗增加。目前排烟蝶阀没有阀位指示标识，无法判断蝶阀的实际位置，造成排除故障和维修困难。

改进措施：

更换损坏的炉压传感器，将气动阀门改为连续调节的电动阀门，更换炉压控制仪表，将炉压改为恒压控制，维持炉压的稳定，同时增加排烟蝶阀的阀位指示标识。改造前、后对比如图9所示。

图9 炉压传感器和取压方式改造前、后对比图

2.5 双作用温区排烟电动阀门

加热段出口和缓冷段进口（第12区～第19区）炉体上方的排气管道上的电动阀门已经失效，电动执行器或损坏或拆除，造成此部分的控制失效，一部分热量从排气管道排出，增加了时效炉能耗。原来的电动执行器离排烟管道太近，电动执行器处于高温环境中，容易出现电动执行器损坏的情况。原来的电动执行器的扭矩偏小，电动执行器容易出现过载造成执行器损坏的情况。加热和排气降温控制没有进行切换干预，出现同时加热和排气降温的情况。

改进措施：

更换损坏的电动执行器，增加一个联轴器用于延长电动执行器与排烟管道的距离，电动执行器安装时避开高温区域，如图10所示。加热和排气降温控制PLC进行干预[4]，避免同时起作用。

图10 双作用温区排烟电动阀门改造前、后对比图

3 结语

燃气连续式时效炉节能改造完成后，按现有的生产组织形式改造前半年内平均每吨铸件天然气能耗：32.64 m3，改造后半年内平均每吨铸件天然气能耗：26.88 m3，节能17.65%能耗指标以双方协商好的统计方式为准，能耗计算以一个月周期内剔除异常因素后的平均能耗作为依据。两台22 kW助燃风机改为变频控制后，助燃风机部分将节约30%～40%的电能。