4.8t/h容克輥底式退火爐節(jié)能減排改造實(shí)踐研究

毛健文

(江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西南昌 330096)

4.8t/h容克輥底式退火爐節(jié)能減排改造實(shí)踐研究

毛健文

(江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西南昌 330096)

輥底式退火爐是TP2銅管光亮退火主流工藝設(shè)備，也是銅加工生產(chǎn)中耗能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著國(guó)家對(duì)重點(diǎn)企業(yè)單位節(jié)能減排的強(qiáng)制要求，進(jìn)行退火爐此方面的研究就顯得尤為重要。文中簡(jiǎn)要介紹了4.8t/h容克爐的系統(tǒng)狀況，并從工藝優(yōu)化、生產(chǎn)方式、吹洗系統(tǒng)、油氣分離過(guò)濾系統(tǒng)等方面探討了退火爐改造實(shí)踐效果，結(jié)果表明節(jié)能減排效果顯著，有效實(shí)現(xiàn)了企業(yè)工藝技術(shù)創(chuàng)新以及電氣裝備的節(jié)能效果。

退火爐;工藝優(yōu)化;節(jié)能減排;改造;效果

1 引言

我國(guó)正處于一個(gè)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)期，能源問(wèn)題目前已成為制約經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的瓶頸，節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)成為當(dāng)前全社會(huì)的一項(xiàng)重要工作。作為銅管加工企業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程需對(duì)TP2銅管產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，TP2銅盤(pán)管成品退火最常使用的設(shè)備為4.8t/h容克輥底式連續(xù)退火爐。此過(guò)程是銅加工產(chǎn)品生產(chǎn)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是一個(gè)耗能的重要環(huán)節(jié)。隨著退火爐吹洗系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、負(fù)壓除油系統(tǒng)等功能不斷完善，產(chǎn)品質(zhì)量得到不斷提高，但隨之帶來(lái)的是能耗和污染的增加。特別是隨著國(guó)家對(duì)能耗和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善和嚴(yán)格執(zhí)行;隨著國(guó)家對(duì)重點(diǎn)企業(yè)單位GDP能耗降低20%硬指標(biāo)的的強(qiáng)制要求，如何合理利用退火爐各項(xiàng)功能，滿足產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)而又節(jié)能降耗成為銅加工重點(diǎn)能耗企業(yè)必須研究解決的課題。

24.8t/h退火爐現(xiàn)狀和問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)主要生產(chǎn)線采用4.8t/h輥底式退火爐進(jìn)行層繞卷(LWC和盤(pán)管)的光亮退火(其工藝流程如圖1)［1－2］。其爐體結(jié)構(gòu)主要由(1)進(jìn)料真空室、(2)加熱區(qū)(加熱器功率900kW安裝于爐子兩側(cè))、(3)保溫區(qū)、(4)冷卻1區(qū)、(5)冷卻2區(qū)、(6)冷卻3區(qū)、(7)出料真空室、(8)組、拆摞架系統(tǒng)組成。爐子型式為強(qiáng)對(duì)流熱風(fēng)循環(huán)間接電加熱輻射退火爐，該爐密封性能較好，爐子最高使用溫度650±5℃，采用氮－氫混合保護(hù)氣體，并裝有CTP銅管內(nèi)表面吹洗系統(tǒng)，從而保證銅管內(nèi)、外表面的光亮、潔凈，生產(chǎn)出滿足空調(diào)嚴(yán)格要求的高品質(zhì)銅管。

從國(guó)內(nèi)TP2銅盤(pán)管生產(chǎn)企業(yè)來(lái)看，在銅管成品退火過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題:(1)工藝不夠優(yōu)化;(2)摞料方式不夠高效;(3)CTP吹洗系統(tǒng)過(guò)度使用和漏氣;(4)油氣未分離排空等造成電能、氮?dú)饽茉蠢速M(fèi)和廢氣的污染。

圖1 Junker爐退火工藝流程圖

3 技術(shù)方案和措施

3.1 退火工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)Junker爐生產(chǎn)退火工藝制度為:裝料－爐前吹掃(約2min)－進(jìn)料室抽真空充氮?dú)?約30min)－預(yù)熱區(qū)加熱(約35min)－保溫區(qū)保溫(約35min)一冷卻室冷卻(約105min)一冷卻到規(guī)定的出爐溫度出爐(約37℃)。

TP2銅盤(pán)管在該工藝制度下，保溫階段的溫度高于TP2再結(jié)晶溫度，銅管將發(fā)生再結(jié)晶，再結(jié)晶速度也較快，如果再提高溫度，再結(jié)晶的速度會(huì)更快。加熱階段所需的時(shí)間一方面是確保銅管內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶，另一方面是銅盤(pán)管芯部達(dá)到一定的溫度，使芯部的銅管也完成再結(jié)晶。冷卻階段所需的時(shí)間是保證銅盤(pán)管芯部達(dá)到規(guī)定的出爐溫度，這樣銅盤(pán)管出爐后芯部不會(huì)被氧化。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)銅盤(pán)管表面和芯部的溫度發(fā)現(xiàn)，在銅管表面形成的是“快速升溫+保溫+快速冷卻”的溫度曲線，而芯部形成的是“緩慢升溫+保溫十緩慢冷卻”的溫度曲線，這主要是由于銅盤(pán)管內(nèi)外換熱條件不同引起的。退火過(guò)程中，銅盤(pán)管溫度場(chǎng)分布是不均勻的，出現(xiàn)表面“熱點(diǎn)”和中心“冷點(diǎn)”，在退火時(shí)間上，“冷點(diǎn)”比“熱點(diǎn)”有一段時(shí)間的滯后。生產(chǎn)工藝優(yōu)化中可以利用“熱點(diǎn)”與“冷點(diǎn)”的溫差來(lái)選擇合適的退火時(shí)機(jī)，使銅盤(pán)管各部分的組織和力學(xué)性能趨于均勻［3］。

所以，工藝優(yōu)化在退火爐節(jié)能減排中作用最為明顯，合適的退火工藝不僅可滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，而且還可顯著降低產(chǎn)品能耗。一般成品退火應(yīng)多采取差溫加熱退火方式。

成品退火采用兩段式或者多段式的差溫加熱方式時(shí)，實(shí)踐表明，高溫段加熱區(qū)要比實(shí)際控制的金屬溫度高30～50℃，調(diào)整AEG調(diào)功器溫升速率，以便快速提升金屬溫度，縮短退火時(shí)間;低溫段保溫區(qū)則以確保獲得所需金屬溫度為準(zhǔn)，此種方式比原退火方式每爐縮短2min。具體參數(shù)依據(jù)銅合金的特性制定合理的退火制度，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，通常光管退火溫度控制在540～560℃;內(nèi)螺紋銅管控制在490～520℃，退火加熱和保溫時(shí)間則根據(jù)銅盤(pán)管的規(guī)格等進(jìn)行控制在33min以內(nèi)。通過(guò)對(duì)退火工藝的優(yōu)化，選擇合適的退火溫度及時(shí)間不僅節(jié)能降耗效果十分明顯，而且可顯著提高生產(chǎn)效率。我們通過(guò)工藝試驗(yàn)，針對(duì)不同的客戶不同的規(guī)格甚至銅管不同化學(xué)成分均采用不同的退火工藝。例舉部分銅管新舊工藝制度對(duì)照表(如表1)。

表1 部分銅管新舊工藝制度對(duì)照表

3.2 摞料方式改進(jìn)

現(xiàn)行料架上的托盤(pán)數(shù)最多5個(gè)，料架高度最高2230mm，即只有5個(gè)托盤(pán)×440mm和4個(gè)托盤(pán)× 550mm兩種規(guī)格型號(hào)料架。

對(duì)生產(chǎn)卷高低于240mm的銅盤(pán)管，用5個(gè)托盤(pán)×440mm料架載容量浪費(fèi)，而用4個(gè)托盤(pán)×550mm料架雙層疊碼載容量不足。針對(duì)此種生產(chǎn)設(shè)計(jì)出3個(gè)托盤(pán)×710mm雙層疊碼方式。同時(shí)使用傳感器來(lái)自動(dòng)識(shí)別3個(gè)托盤(pán)加高料架和原平齊料架;且在操作界面上增設(shè)手動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)識(shí)別選項(xiàng)功能對(duì)現(xiàn)有組、拆摞裝置進(jìn)行改進(jìn)。解決了3個(gè)托盤(pán)高套料架以及原平齊料架的組、拆摞生產(chǎn)動(dòng)作過(guò)程轉(zhuǎn)化。降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了自動(dòng)化水平，增加了退火爐退火產(chǎn)量。組、拆摞架結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

具體實(shí)施方式:

(1)料架判定:組、拆摞架前端，在料架進(jìn)入組、拆摞架前各使用一對(duì)光柵進(jìn)行料架高度檢測(cè)。組摞架前端光柵1檢測(cè)到高加高套，且組摞處有料架時(shí)判定為高套料架;拆摞架前端光柵4檢測(cè)到高加高套，且在2S內(nèi)檢測(cè)到0.3～0.9S的高套時(shí)判定為高套料架。其他情況則判定為平齊料架。

圖2 組、拆摞架結(jié)構(gòu)示意圖

(2)小車(chē)舉升定位:組摞時(shí)，高套料架舉升到2后，通過(guò)PLC延時(shí)7S繼續(xù)上升到3位置來(lái)完成舉升定位。平齊料架則舉升到2后即完成舉升定位。拆摞時(shí)，高套料架舉升到5后，通過(guò)PLC延時(shí)8.5S繼續(xù)上升到6位置來(lái)完成舉升定位。平齊料架則舉升到5后即完成舉升定位。

(3)在Wincc操作界面上，增加按鈕，使操作既能手動(dòng)控制小車(chē)舉升高度，又能自動(dòng)控制小車(chē)舉升高度。

組、拆摞架前端料架類(lèi)型使用光柵1和4來(lái)判定，小車(chē)舉升定位是在舉升到2或5后，通過(guò)PLC延時(shí)繼續(xù)上升到3或6位置來(lái)完成舉升定位。控制程序上設(shè)計(jì)了Wincc操作界面來(lái)做手動(dòng)和自動(dòng)切換。

3.3 吹洗系統(tǒng)改進(jìn)

在當(dāng)前技術(shù)條件下，銅及銅合金材料的光亮退火爐保護(hù)氣體消耗量一般為100～200 m3/h［4］。退火爐吹洗系統(tǒng)是為了減少退火油斑及穩(wěn)定爐氣溫度而設(shè)計(jì)的，但過(guò)度使用和漏氣則會(huì)造成氮?dú)饧澳茉吹睦速M(fèi)。所以，吹洗系統(tǒng)的使用以爐溫穩(wěn)定和不出現(xiàn)油斑缺陷為基本原則，供氣系統(tǒng)改進(jìn)，制定合理的操作規(guī)范，盡量減少氮?dú)饽茉蠢速M(fèi)。

(1)吹洗系統(tǒng)的使用根據(jù)銅管帶油的情況及退火保溫時(shí)間的長(zhǎng)短進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。成品退火生產(chǎn)中，通常升溫段吹洗氮?dú)饬髁繛?0m3/h;高溫保溫段吹洗氮?dú)饬髁繛?5m3/h;冷卻1區(qū)吹洗氮?dú)饬髁繛?0m3/h。即可達(dá)到除油目的，對(duì)于清洗后的退火料吹洗系統(tǒng)應(yīng)少量開(kāi)啟，控制保護(hù)氣體氮?dú)庀牧吭?5～80m3/h之內(nèi)。

(2)對(duì)料架管路及受力支點(diǎn)、快速接頭等進(jìn)行改造。見(jiàn)圖3。

圖3 料架管路改造

通過(guò)分離改造，避開(kāi)磨損部位，徹底解決料架開(kāi)裂漏氣問(wèn)題;通過(guò)后支撐臂改造，徹底解決前吹掃桿密封面泄漏問(wèn)題，同時(shí)后支撐臂維修量幾乎降為零;通過(guò)將快速接頭改為錐面密封連接，解決了銅管在加熱過(guò)程中與接頭脫落漏氣的問(wèn)題。

3.4 油氣分離系統(tǒng)優(yōu)化

CTP吹洗系統(tǒng)從銅管內(nèi)外表面吹出的油提高了循環(huán)的保護(hù)性氣體氣氛的含油濃度。油氣在爐子的低溫區(qū)或入口通道以及冷卻區(qū)凝結(jié)而可能形成油滴。油滴可能接觸產(chǎn)品造成難看的的斑跡，對(duì)銅管二次污染。因此需要定期清理爐氣。一種可能就是恒定地更換惰性氣體，即恒定地輸入和排出一定量的惰性氣體流量，造成氮?dú)饽茉蠢速M(fèi)和廢氣的污染［5］。針對(duì)此設(shè)計(jì)出油氣過(guò)濾系統(tǒng)來(lái)完善CTP吹洗系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能減排效果。如圖4。

圖4 油氣分離過(guò)濾系統(tǒng)

整個(gè)油氣分離過(guò)濾系統(tǒng)包含:加熱爐油污分離系統(tǒng)，冷卻爐油污分離系統(tǒng);由氣/氣熱交換器、氣/水熱交換器、納西姆高效循環(huán)風(fēng)機(jī)、油霧收集分離裝置、帶有液位指示器的污油儲(chǔ)罐、相應(yīng)的管道以及控制閥門(mén)等組成。以去除爐內(nèi)氣體中蒸發(fā)的軋制潤(rùn)滑油氣。

完善CTP吹洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)兩端回路連接系統(tǒng)。即銅管內(nèi)壁吹掃的保護(hù)氣體通過(guò)回路被排放至爐外。排放至爐外的帶有油污的保護(hù)氣體將被連接至一個(gè)油污分離裝置，油污分離裝置將保護(hù)氣體中的油氣分離，分離后的油污通過(guò)污油儲(chǔ)罐收集處理，干凈的保護(hù)氣體將被返回至爐內(nèi)繼續(xù)循環(huán)使用。

4 實(shí)施效果

通過(guò)從工藝優(yōu)化、生產(chǎn)方式、吹洗系統(tǒng)、油氣分離等方面對(duì)退火爐進(jìn)行節(jié)能減排改造。提高了退火爐的裝爐量，從之前的700盤(pán)/天到如今的960盤(pán)/天的生產(chǎn)量，從之前300 kW·h/t的電單耗降到目前215 kW·h/t，消耗氮?dú)庥稍?5Nm3/t降低至50Nm3/t。

按照年產(chǎn)3.8萬(wàn)t銅管、電折算系數(shù)0.1229、氮?dú)庹鬯阆禂?shù)0.6714計(jì)算，每年可節(jié)約

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委提供的數(shù)據(jù)火電廠工業(yè)鍋爐每燃燒1t標(biāo)準(zhǔn)煤，就產(chǎn)生二氧化碳2620kg，二氧化硫8.5kg，氮氧化物7.4kg測(cè)算，通過(guò)改造后，每年可減少二氧化碳排放3379.6t，二氧化硫排放10.96t，氮氧化物排放9.55t。

再通過(guò)對(duì)電、新水、氮?dú)獾雀髂茉茨旰牧亢蛦挝划a(chǎn)品能耗統(tǒng)計(jì)分析(見(jiàn)表2)。

表2 年耗量和單位產(chǎn)品能耗量表/(kgce/t)

根據(jù)GB21350－2008《銅及銅合金管材單位產(chǎn)品能源消耗限額》表②和表③的有關(guān)規(guī)定，紫銅管的單位產(chǎn)品能耗限額(見(jiàn)表3)［6］。

表3 紫銅管單位產(chǎn)品能耗限額表/(kgce/t)

將表2與表3進(jìn)行對(duì)比，可以看出，實(shí)施改造后銅管生產(chǎn)單位產(chǎn)品綜合能耗326.08kgce/t低于GB21350－2008《銅及銅合金管材單位產(chǎn)品能源消耗限額》的“新建銅及銅合金管材加工企業(yè)單位產(chǎn)品能耗限額準(zhǔn)入值”，達(dá)到“銅及銅合金管材加工企業(yè)單位產(chǎn)品能耗限額先進(jìn)值340kgce/t”水平。

5 結(jié)語(yǔ)

本企業(yè)按照國(guó)家節(jié)能減排規(guī)劃和政策要求，投資改造裝備，工程技術(shù)人員通過(guò)工藝技術(shù)創(chuàng)新、電氣裝備節(jié)能等技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，能耗指標(biāo)達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平和效能最大化，完成對(duì)國(guó)家承諾的節(jié)能減排目標(biāo)任務(wù)。

［1］余金波.銅管光亮熱處理爐的工藝設(shè)備及控制系統(tǒng)［J］.冶金自動(dòng)化，2007(S2):115－118.

［2］李耀群，易茵菲.現(xiàn)代銅盤(pán)管生產(chǎn)技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［3］潘進(jìn)兵.TP2銅管退火過(guò)程組織演變的數(shù)值模擬［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

［4］鐘衛(wèi)佳.銅加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007:866.

［5］Hansjorg Hoppe.用于銅加工的光亮退火爐［C］//中國(guó)銅加工技術(shù)創(chuàng)新文集.北京:中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)，2006:489－493.

［6］GB21350－2008，銅及銅合金管材單位產(chǎn)品能源消耗限額［S］.

Study on the Energy－Saving and Emission－Reduction Transformation Practice of 4.8t/h Junker Roller Hearth Annealing Furnace

MAO Jian－wen

(JCC Processing Business Division，Nanchang，Jiangxi 330096，China)

The roller hearth annealing furnace is the major process equipment for the bright annealing of TP2 Copper Tube，and also is an important part of energy consumption in the copper processing production.As the national mandatory requirements of energy－saving and emission－reduction mentioned for the key enterprises，the study of this aspect for the annealing furnace is particularly significant.This article makes a brief introduction of the system status of 4.8t/h Junker roller hearth bright annealing furnace，and mainly discusses the effect of transformation practice for the annealing furnace from the aspects of process optimization，production methods，purge system and oil＆gas separation filter system.The result shows that the effect of energy－saving and emission－reduction is significant，which can effectively realize the technology innovation and energy－saving effect of the electrical equipment.

annealing furnace;process optimization;energy－saving and emission－reduction;transformation;effect

TG155.1

B

1009－3842(2012)05－0006－04

2012－07－31

毛健文(1970－)，男，江西上饒人，工程師，主要從事銅加工工藝設(shè)備電氣自動(dòng)化研究及維修。E－mail:mjw0520@163.com