新型热处理炉的研制

新型热处理炉的研制

随着工业技术的快速发展和社会进步，对数据处理的要求越来越高。高精度、全自给自足、低污染、功能性热处理炉已成为热处理炉的发展方向。20世纪80年代初,我院便开始了对大型热处理火焰炉的全方位研究,1986年为秦山核电站设备制造的配套工程“上海锅炉厂30m×7.5m×8.5m大型全纤维热处理炉工程”研制成功,投入运行。10多年来,该工程中研制的多项先进技术在上百台大中型热处理炉中推广应用,并不断改进完善,形成了我国独特的新型热处理炉,成为我国热处理炉的样板炉。同时,总结提炼出新的传热方式和炉内热流控制理论,为我国热处理炉全面技术改造提供了经验和理论根据。1新型热处理炉结构与新技术椐不完全统计,我国企业中有大中型热处理火焰炉6～7万台,其中,60%以上采用煤、重油或渣油,炉体材料90%以上采用耐火砖砌结构,基本采用人工手动调节。因此加热精度差、能耗高、污染严重,已不能满足日益发展的高精度热处理工艺要求,制约了机械工业的发展。当前,新型热处理炉有如下新结构与新技术:①全硅酸铝纤维大板块粘贴炉墙组合结构和轻型钢结构;②高速调温自控烧嘴系统;③炉压自动控制系统;④自动压紧炉门及炉体全封闭结构;⑤大型炉车电动自行结构;⑥各动力管路自动控制系统;⑦计算机温度控制系统;⑧大型活动炉体组合技术。这些新技术在热处理炉上有机地结合,使热处理炉的结构、炉内供热方式、炉内热流控制和温度控制方式发生了根本的变革。2砖砌炉体结构20世纪70年代,出现新型耐火材料硅酸铝耐火纤维,80年代成功地在热处理炉上应用,彻底改变了砖砌炉体结构。在炉温950℃加热过程中,1m2面积的炉墙,采用粘土质耐火砖和硅酸铝耐火纤维制品的性能比较见表1。(1)热损失的计算耐火纤维材料的低体积密度、低导热性,使纤维炉墙的全纤维炉衬重量仅为耐火砖炉体的1/27,而热损失只有砖体炉墙的1/8。这在大型炉上效果是十分显著的:大型炉的炉内表面积都在200m2以上,以年时基数3000h计,1台15m×3.5m×4.2m(长×宽×高)的中型燃柴油热处理炉,每年将节约520t柴油,而炉体耐火材料重量减少285t。(2)大板块热收缩硅酸铝耐火纤维材料能否在热处理炉上应用,关键是解决耐火纤维的固定和热收缩问题:结合我国国情研制的大板块耐火纤维粘贴技术和大板块组装技术,解决了这一问题。整个炉体由多块预制好的墙板,现场吊挂在钢骨架上,拼装成炉体。与耐火砖一块块砌筑相比,装卸简便、大大减少安装周期。(3)保证炉体钢骨架的轻型化,使炉耐火纤维与耐火砖不同的物理性能,使炉体具有良好的热震稳定性,没有耐火砖砌体受热膨胀、冷却急剧收缩的问题,防止了因炉衬板块受热膨胀而影响钢骨架的强度和稳定性,使炉体钢骨架轻型化。钢骨架由型钢、钢板等焊接而成,轻巧并可靠,与普通砖体炉相比,可减少40%钢材用量,并简化了基础结构,减少了土建投资。(4)热处理炉高温密封的设备应用耐火纤维的柔软性、弹性和现场可加工性,解决了热处理炉历史上难以解决的各关键部位的高温密封问题。如软边自动压紧炉门、炉体耐火纤维条密封结构等。(5)固定、活动分段组合由于新材料和新技术的采用,热处理炉向轻型化、部件组合化、控制模板化方向发展,同时型式也多样化,根据工艺要求不同、工件大小不同、生产安装场地不同,可变换多种型式。a.活动炉体组合式热处理炉型工厂中热处理的工件以中小型工件居多,但有些大工件的热处理又是必不可少的。为充分利用设备,可将大型热处理炉设计成固定、活动分段组合式,中间有升降分隔炉门。处理大工件时,2段炉体可对接整体使用;处理中小工件时,可移开后炉体,单独使用前固定炉。一炉多用,避免了“大马拉小车”,提高了加热精度,节约了能源。b.现场组装拆卸式热处理炉型对于超大、超重型工件,由于运输起吊的限制,必须进行现场焊接组装。对于形状复杂和热处理加热精度要求高的工件就必须整体焊后热处理。采用大板块拼装的炉墙结构(每块2～5m2),配上单元组合化的燃烧系统和集成式控制系统,可迅速地在现场拼装成热处理炉。使用完以后,可以无损伤的拆卸,反复使用,或者搬到异地再用。c.车载式热处理炉型在长距离大型工程施工中(如高压输送气工程),流动性大,可将热处理炉建在火车的车底架上(或大型平板汽车上),可根据工程地点的移动,灵活转移,连续地进行超长件的热处理,以满足大型工程现场热处理的需要。3新的冷热方式加热大型热处理炉3.1不同燃料类型20世纪80年代以前,我国热处理炉采用的能源基本上以燃煤和燃重油为主。这种情况带来了一系列的问题,如能源利用率低,经济效益不高,造成环境污染严重,产品质量得不到保证,影响了整个工业水平的提高。80年代以来,随着我国能源工业的高速发展,燃料品种结构日趋合理。尤其是进入市场经济,燃料供应开放,企业有权选择经济、合理的热处理炉燃料。洁净燃料如轻柴油、煤气、天然气和电已成为热处理炉的首选热源。各种燃料热处理炉性能比较见表2。在工业生产综合性能方面,如生产快捷性、操作可控制性、场地、生产环境洁净性和燃料输送、储存简便等,洁净燃料都有无可比拟的优势。20年来,我院为各行业设计制造的近200台(套)热处理炉,全部是以轻柴油、煤气、天然气和电为热源,不但提高了企业的产品质量,而且改善了操作环境,节约了能源和减少了大气污染,产生了明显的经济效益和社会效益。3.2高速调温可控烧前燃烧技术目前,我国绝大多数燃油燃气的热处理炉,所采用的燃烧装置仍是50年代原苏联的几种型号,虽经几次改型和改进,但基本结构、燃烧机理和基本性能变化不大,无法有效的控制整个燃烧过程,环境污染严重;燃料和空气燃烧比例无法精确控制,热效率低;燃烧气体运动速度低,点火、燃烧调节只能是手动。由于这类烧嘴无法满足大型工业炉日益提高的工艺要求,所以燃烧装置的彻底变革,是热处理炉必须要解决的关键问题。20世纪70年代,国外开展了新燃烧装置的研究,同期我国也开始了有关研究工作,我院针对大中型热处理火焰炉的工艺需要,以解决有序、可控燃烧和大能力、高速气流为目的开展了研究工作,研制出“高速调温自控烧嘴”并成功地使用在30m×7.5m×8.5m大型热处理炉上取得满意效果。又经多年总结、改进,目前已成为我国新型热处理炉的主导燃烧装置。同时彻底地变革了炉内供热方式,建立了新的供热理论。高速调温自控烧嘴原理及特性简介如下:(1)燃料进入烧嘴后,与助燃空气分3次混合燃烧。燃料和助燃空气的供给量由自动控制阀和定值阀调节,并自带高温燃烧室,燃料燃烧过程可控,燃烧完全,燃烧效率高,节能效果显著,可适应不同加热要求。(2)燃烧过程80%～85%在烧嘴特制的燃烧室内进行,利用燃烧后高温气体迅速膨胀产生的能量,将气体从燃烧室出口喷出,形成短火焰的高速高温气流,进入炉内。短火焰,高速气流,可防止火焰漂移、烧坏工件。烧嘴出口的高速热气流,加强了炉内气体循环,扩大了控温区域,提高了控温均匀性,保证了高精度热处理产品质量。同时高速热气流强化了炉内对流传热,提高了传热效率,节约能源。(3)高速烧嘴采用高压电脉冲自动点火,燃烧能力的大小由各自控调节阀门控制,火焰燃烧情况及安全保护由自动火焰监察装置控制,可实现燃烧过程全自动控制。3.3新的加热方法和加热理论的建立由于能源结构的变化和新型燃烧装置的应用,传统供热方式和供热理论已不适用,通过试验和生产测试,逐步建立了新的加热模式及相应的计算理论。(1)高速调温控制烧前温度均匀性采用高速调温自控烧嘴,形成的高速气流,出口速度一般为100m/s。高速气流具有较高的动能,在很远的距离内仍具有一定的速度,并且在喷射过程中,带动大量周围气体循环、扰动,所以气体扩张角、中心流股速度和气流温度都大于普通烧嘴,因此扩大了烧嘴温度场影响区域。高速烧嘴气流影响的宽度和长度是普通烧嘴的4～5倍,在距烧嘴8m远处,宽度2.8m范围内,气流仍具有8.2m/s的流速。在大型热处理炉上这是相当重要的。以30m炉为例,如采用F-RF50型普通烧嘴,必须在炉侧墙的上下左右,布置86个烧嘴,炉膛中心温度仍无法控制,炉内温度均匀性只能达到±15℃,并操作困难,工人仅点火就要2h。我们采用24个GSY-50高速调温自控烧嘴,交错布置在炉侧墙下部,高速气流就可控制整个炉膛的温度变化,炉内温度均匀性达到±7℃。高速烧嘴的大能量集中供热,不仅满足了高精度热处理的要求,而且因数量大大减少,为自动控制的实现提供了条件。(2)提高传热效率高速烧嘴的气流带动了炉内气体循环,使对流传热系数增大,工件升温速度显著加快,减少了工件均热时间,提高了炉温均匀性。以炉温700℃时为例,对流传热效率提高2.62倍,综合给热效率提高1.8倍。在600℃以下,传热效率将更高。同时,由于炉体采用了耐火纤维材料,导热系数远小于工件的导热系数(近1/100),使炉体内表面温度低于炉气和工件的温度,其结果是不仅减少了炉体热损失,也彻底改变了传统热处理炉的供热制度和热处理工艺曲线的制定。(3)温度控制精度高速烧嘴采用了先进的脉动加热方式,即烧嘴采用大小火双位制调节。小火为火焰最小维持量,大火为烧嘴额定能力。大小火交替频率由PIC可编程控制器或计算机系统根据测温仪表的信号控制,最快1s变化一次。当温度超过定值温度时,烧嘴处于小火状态,当低于定值温度时,烧嘴进入大火状态。高速气流带动炉气循环,保证了炉温均匀性和对流传热效果。温度控制精度可控制在1℃以内。脉动控制供热方式不但提高了加热精度,还增强工件的热透性,缩短了均热保温时间,减少了金属烧损,节约了能源。3.4大炉硫酸炉热流控制有效合理的组织和控制炉内热流,是保证热处理炉加热精度,节约能源的重要环节。对大中型炉,因炉膛空间大,热流的控制更为重要。我院针对大中型热处理火焰炉的工艺需要,以解决有效组织和控制炉内气流为目的,进行了研究工作。研制出集中设置排烟口技术、炉压自动控制技术、炉体全封闭系统,有效地控制热处理炉内的热流,为高精度热处理及特殊工件的热处理提供了条件。4计算机监控系统针对热处理炉多以周期加热为主,处理工件品种和热处理工艺曲线变化大的特点,新型热处理炉研制了“多媒体集散式计算机控制系统”。系统采用模糊控制算法,除了控制精度高外,还具有较大的适应性。集散式控制系统采用2级控制方式,各温控区用智能数显温控仪,可分别设定升温速率、保温温度、保温精度、保温时间以及降温速率,具有自整定、自适应功能。同时接口可与上位计算机连接。上位计算机采用工业控制机,主要功能是对各温控区的集中监控与管理,保证各温控区温度均匀一致,并可与企业中央计算机系统联网。计算机软件系统采用先进的多媒体动态技术,把通讯、动态图像、语音、文字表格和各种控制技术融合在一起,采用全中文显示和引导以及语音提示,具有良好的人机互交、参数采集、动画显示、语音报警等功能。软件以中文菜单形式实现各种功能状态的切换。进入监控状态后,整个监控系统由工艺曲线、实施曲线、炉体画面、工艺数据、生产表格4个窗口组成,并可热键切换。可全部动态地显示热处理炉的工艺流程。操作者用鼠标在计算机屏幕上就可操作,使用十分方便、直观。集散式计算机控制系统,有机地将温度测量、控制参数的计算比较和自控烧嘴能量调节联系起来,形成闭环自动控制,又将炉内各控温区的参数变化进行统一管理和控制,实现了对热处理炉工艺曲线中,时间与温度关