我国热处理加热设备能耗及能效情况分析

目前我国热处理加热设备主要以电加热为主，电加热设备占90％以上，其它加热能源还有天然气、发生炉煤气、液化气及重油等。现有电加热设备(以75kw为一标台计算)约15万台，总装机容量约为1125kw，约占全国用电量的1％。

    1、热处理设备能耗及能效技术指标

    反映热处理设备能耗的技术指标有单耗、表面温升、空炉升温、空炉损失、空炉升温能耗等，生产中比较常用考核指标为单耗和表面温升。在GB／T15318《工业热处理电炉节能监测方法》中作了规定。

(1)测试方法

1)产品可比用电单耗的测试与计算

        ①在测试期内，测算以下参数：

            a．实际生产耗电量

    在一个生产周期内供给该电炉本体加热元件的电能量和直接用于生产工艺的辅助设备的耗电量合计为实际消耗电能量w，kW·h。

             b．产品的实际质量

    该电炉本次热处理的各种合格产品(工件)的实际质量m,(kg),其中：I=1，2．3…n，为产品(工件)品种。

        ②测试周期的总折合质量m：按式(1)计算：

        M₂：Σⁿ_i=1k₁·k₂·k₃·k₄········(1)

式中：

    K₁——产品(工件)单件质量折算系数，按表1确定；

    K₂——产品(工件)类别折算系数，按表2确定；

 K₃——热处理温度折算系数，按表3确定；

    K₄——热处理工艺折算系数，按表4确定。

 

表1（工件）单价质量折算系数

单件产品(工件)质量 吨／件	>0.3	0.1~0.3	<0.1
K1	1.0	1.2	1.5

 

表2   产品（工件）类别折算系数

产品（工件）类别	工模具类	一般工件类
K2	1.2	1.0

 

表3    热处理温度折算系数

热处理工艺	渗碳 渗氮	盐浴	铝合金淬火	钢材 淬火	退火保温 时间>20h	退火保温 时间10~20h	正火、退火保温时间<10h
K4	2.0	1.5	1.1	1.1	1.7	1.3	1.0

 

     (2)工业热处理电炉节能监测合格指标

① 产品可比用电单耗应符合一下要求：

对于一个生产周期，按5.2.1~5.2.3测定和计算得出的结果，应有b_k≤0.6000kw·h/kg。

按上述测试方法计算出各热处理工艺可比用电单合格指标如下表所示

工艺	可比用电单合格指标
渗碳	1200
淬火	660
正火	600
退火	600-1200
渗氮	1200
盐浴淬火	900

② 炉体外表面温升应符合一下要求：

a. 对于在额定温度下工作的电炉，表面温升应符合表6的要求。

表6表面温升规定值

炉型	额定温度℃	表面温升△Ө9n
		炉壳	炉门或炉盖
箱式电阻炉	750 950 1200 1350 1500	≤50 ≤50 ≤80 ≤80 ≤100	≤50 ≤80 ≤100 ≤100 ≤100
台车式电阻炉	950	≤50	≤100
井式电阻炉	950 1200	≤50 ≤80	≤100 ≤130
低温井式回火炉	650	≤50	≤100
井式气体渗碳炉	950	≤50	≤100
电极盐浴炉	≤850 1300	≤60 ≤90	-- --
密封箱式多用炉	950	≤55	≤55
网带炉	950	≤55	≤55
推杆炉	950	≤50	≤50
真空炉	300	≤30	≤30

2.我国热处理炉实际能耗及能耗分析

根据上海市第一机电工业局对所属96个热处理厂点的测定数据见表7，由表7可知，1981年热处理平均单耗为859.6kW·h/t。82年热处理平均单耗为797kW·h/t，比1981年下降了7.2%。1983年二季度平均单耗为750kW·h/t，比1982年有下降了5.9%

日本工业炉协会1978年提出的报告中，选择了各种热处理工艺总数为100炉次的测试数据，其单位电能消耗和平均热效率值如表8所示。表8系根据测试炉数共100炉的数据，计算出各种工艺的平均单位电耗为323kW·h/t，平均热效率为54.3&。

表8各种热处理工艺实测单耗及平均热效率（日本）

工艺名称	平均热效率(％)	单位重量电耗(kW·h／t)	测试炉数
渗 碳 碳氮共渗 渗碳淬火 光亮淬火 淬 火 正 火 退 火 光亮回火 回 火 球化退火 渗 氮	24.7  35.0 52.7 48.7 64.2 78.4 46.9 94.9 61.6 52.2 25.4	936 418 345 367 255 200 356 158 157 233 391	6 1 31 11 2l 4 4 1 14 2 3
平 均	54.3	323	100

 

虽然由于计算方法和作业班次不同(在我国除少数工厂外，大都在双休日停炉。而在日本，除了炉子需要维修外，一般都是长时间连续运行)，与日本的平均单耗不能直接比较，但可看出肯定是有差距的。实际上，机电行业在上海地区节能工作还是比较好的，其它行业的单耗，还远远的超过此数。因此从全局来看在降低单耗和节约能源方面，还有大量工作可做。

    就热效率来看，我们实测的数据更低，据上海市机械工业工艺专业化协调小组的测定，已经过改造的箱式电炉(采用0.6超轻质耐火材料，在保温层之间还有40mm的硅酸铝耐火纤维)，其热效率平均为35.4％。而盐浴炉(埋入式电极)在860-880~C加热淬火处理三卡圆锥齿轮时，热效率仅为13.7％，在处理机床零部件时，热效率也不过16.8％。至于气体渗氮的热效率更低，仅7.5％。因此，改造炉子，减少热损失，增加装载量，以提高热效率，降低单位重量的能耗，是大有潜力可挖的。就以某台渗氮炉为例，在大修时更换了全部炉衬(改为0.6超轻质砖)，由于减少了炉体的蓄热量，改善了保温效果，同时加快了升温速度，热效率也有所提高。单耗从每吨1450kW．h降1000kW·h左右。热效率提高了约1／3。

    3．节能措施

        (1)采用经过准确的热传导计算合理设计的加热装置让算机，主要依靠实现使用燃料和电能的合理化。

    目前已出现从发热体——炉料系统出发，并与稳定型和非稳定型热流现象相关联的，可以准确反映这一过程的数学模型。

    (2) 采用炉气耗密控制装置。直接控制炉气碳势、氮势、氧势的传感器和执行机构，可节约百分之几的燃料和电能。

    (3)采用新型绝热材料(如陶瓷纤维)，可减少20％以上的热损失，如用在周期式加热炉上，则效果更为显著。

    (4)采用直接加热工件的方法和发热体，以减少蓄热损失和辐射损失，也可有效的节约能源。例如用高频感应加热设备加热工件，以及将工件作为负载，直接通电(低电压、高电流)加热大型螺旋弹簧，进行热处理。

    (5)改进料盘、夹具的结构，减轻耐热钢重量，增加强度以减少料盘，夹具的无效加热损耗。例如西欧的网带式传送带炉型的发展，据统计可节约10％—25％的热能。

    在加热过程中的无效消耗多。如井式炉、渗碳炉、连续式推杆炉，以及可控气氛多用炉—上使用的马弗罐、装料筐、料盘以及悬挂工件的工夹具、吊具尺寸过大，耐热钢构件过厚，其重量有时甚至会远远超过加热工件重量。例如常用的JT—35A井式气体渗碳炉，其铬锰氮耐热钢铸件总重竞达481．1k2(包括炉罐、炉底托架、炉内料筐及其风扇等)，而最大的工件装载量仅为100kg。前者超过工件重量4．8倍。致使至少有10％—20％的能源是白白浪费掉的。