Модернизация термического парка предприятия в современных условиях, или рабочие заметки практика о возможной новой жизни старых вещей.

УКД 666.041.004.68 (045)

В настоящее время, когда мировой финансовый кризис успел коснуться всех предприятий, а тенденция роста стоимости энергоносителей продолжает существенно влиять на конкурентоспособность конечной продукции, мы предлагаем вдумчиво подойти к такому энергозатратному оборудованию, как печное.

Для начала рассмотрим, как плохое физическое состояние и недогрузка оборудования сказывается на эффективности термических производств.

До сих пор некоторые предприятия имеют печи, «возраст» которых, в среднем, более 20…30 лет, многие из них технически несовершенны и находятся на грани полного износа. Чуть ли не каждую неделю их приходится «реанимировать»; наиболее уязвимыми местами электропечей сопротивления являются нагреватели, что вызвано износом материала, из которых они выполнены и элементом крепления в связи с постепенным разрушением огнеупорной кладки. Такие печи неэкономичны из-за использования в них устаревших огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Ещё больше на энергоэффективности термических производств сказывается незначительная загрузка печей, нередко составляющая 20…30% от паспортных (номинальных) значений. Накопление деталей перед обработкой для обеспечения кратковременной полной загрузки не всегда возможно, так как насущные сиюминутные нужды производства и конкретная экономическая ситуация предприятия будет превалировать над соображениями энергоэффективности. Выход из положения один: пора обновлять парк оборудования. Новое оборудование должно быть энергоэффективным за счёт современных технических решений и его номинальная производительность должна в максимальной степени соответствовать реальным объёмам производства.

Для электропечей сопротивления значение номинального КПД в зависимости от вида процесса термообработки и типа печей лежат в пределах 40…70%. В зависимости от технико-экономических показателей эксплуатируемого оборудования и степени его фактической загрузки срок окупаемости нового оборудования составляет 10 месяцев – 2 года и ещё меньше, если учесть сокращение расходов на ремонты.

Энергоэффективность электротермического оборудования в большой мере зависит от регулярности его технического обслуживания и ремонтов, повышающих его надёжность; от поддержания уплотняющих устройств в рабочем состоянии. Любой отказ элементов печи и системы управления чреват перерасходом электроэнергии, браком, затратами на внеочередной ремонт.

При нынешнем состоянии производства снижение энергозатрат на термообработку требует больших организационных усилий, направленных на минимизацию горячих простоев, обеспечение непрерывной рабочей компании печей максимально возможной продолжительности, выполнение по кооперации заказов на термообработку с целью более полной загрузки собственного оборудования и т.д.

Теперь стоит определиться со следующим вопросом. Что такое МОДЕРНИЗАЦИЯ?

Модернизация оборудования – внесение частичных изменений в конструкцию существующего оборудования, которые направлены на повышение его технического уровня, улучшение экономических характеристик, с целью приведения их в соответствие с современными требованиями и существующим уровнем технологий. Проведение работ по модернизации преследует следующие цели: увеличение производительности, увеличение энергоэффективности, облегчение условий труда и повышение качества продукции.

Наш опыт подсказывает, что стоит подойти к обновлению и модернизации термического парка оборудования избирательно. Возможно, одни из печей следует незамедлительно останавливать на полную реконструкцию, так как их эксплуатация убыточна; другим, при остановке их на ремонт, может быть предложена частичная модернизация.

Для начала стоит обратить внимание на целый ряд примеров экономии энергии, которые или вовсе не требуют затрат, или требуют незначительных затрат:

Использование не менее 70% рабочего пространства оборудования.
Составление оптимальных графиков загрузки-выгрузки.
Эксплуатация печей в продолжительном режиме.
Контроль и учёт потребления энергоносителей.
Местные уплотнения частей термического оборудования (заслонок, дверец и других технологических отверстий).
Использование вторичных энергоресурсов (отходящих газов, воды) и т.д.

Основные направления частичной модернизации, которые наиболее хорошо оправдали себя на практике, следующие:

замена футеровочных и теплоизоляционных материалов на современные высокоэффективные;
замена газогорелочной системы (особое значение имеет регулирование процесса горения и утилизация продуктов сгорания);
замена электронагревателей (конструкции либо материала);

Кроме того существует целый ряд путей экономии энергии при эксплуатации термического оборудования, которые требуют значительных затрат на модернизацию и реконструкцию:

Использование малоинерционных и низкотеплопроводных теплоизоляционных материалов.
Уменьшение собственной термической массы в виде загрузочных средств, инструмента, оснастки и т.д., обеспечение быстрой и экономичной загрузки (автоматизация).
Использование новой техники герметизации.
Внутренняя рекуперация (организация противотока садки и дымовых газов и т. д.).
Рациональное распределение мощности внутри объема термического устройства (реконструкция нагревателей, при необходимости применение принудительной конвекции).
Использование современных электронных систем управления.
Использование защитных атмосфер вместо воздуха при нагреве выше 600°С. Это уменьшает или полностью исключает энергетические потери на выполнение операций по удалению окалины.
Применение высокотемпературной термической обработки в вакууме вместо обработки в воздушной атмосфере.
Замена закалки и отпуска изотермической закалкой.
Применение кипящего слоя как среды нагрева.
Использование высокоэффективных систем сжигания топлива с подачей разогретого за счет тепла отходящих газов воздуха горения.
Переход на малотоннажное термическое оборудование (малоинерционность, модульные конструкции, многоцелевое назначение).
Переход на поверхностный нагрев там, где можно не осуществлять объемный (скоростной нагрев, нагрев ТВЧ, индукционный).
Использование прогрессивных энергосберегающих технологий и т.д.
Перевод печей с газа на электроэнергию.

Экономия энергоносителей при этом составляет от 20 до 60% и создается за счет уменьшения затрат и времени на разогрев печей (время разогрева печей до 1000°С может быть уменьшено до 1…2ч), уменьшения теплопотерь и мощности обслуживающих механизмов, сокращения продолжительности ремонтов и межремонтных простоев, а также увеличения производительности печей.

На предлагаемых к замене материалах стоит остановиться отдельно. Футеровку печей, где это только возможно, предлагается выполнить из малоинерционных, высокоэффективных огнеупорных и теплоизоляционных материалов, обеспечивающих надёжную долговечную работу при максимальной температуре длительного применения:

до 750°С - базальтовае плиты и картоны, плотностью от140 до 220кг/м3;
до 900°С - перлитокерамика, пенодиатомит, вермикулит плотностью до 350кг/м3;
до 1150°С – муллитокремнеземистые материалы: плиты МКРП-340, МКРПГ-400, фетр МКРФ-100, войлок МКРВ-200, рулонный материал МКРР-130, картон МКРК-500, шамот легковесный ШЛ-0,4;
до 1200°С – плита ШВП-350, муллитокремнеземистая вата МКРЦ-140, блок из фетра МКРФ-1;
до 1250°С – плита ШПГТ-450, фетр хромосодержащий МКРФ-200, войлок хромосодержащий МКРВХ-250; блок из войлока МКРВ-1;
до 1300°С – фетр цирконийсодержащий МКРФЦ-130, войлок цирконийсодержащий МКРВЦ-150, блок из фетра цирконийсодержащего МКРФЦ-1;
до 1350°С – блок из войлока цирконийсодержащего МКРВЦ-1;
до 1500°С – корунд легковесный КЛ-1,3.

Футеровка из малоинерционных материалов обеспечивает минимальные потери с поверхности печи и минимальные затраты энергии на её разогрев после остановок. Применение в качестве теплоизоляции и футеровочного слоя эти материалы позволяют сократить трудозатраты при монтаже футеровки, экономия энергоносителей составляет до 40% (в печах периодического действия) и до 25% (в печах непрерывного действия). Снижает габариты печи за счет толщины кладки. Снижает массу футеровки печи до 10 раз. Сокращает срок выхода на режим до 1,5-2 часов. Увеличивает число теплосмен до 1000-2000. Кроме того, конструкция футеровки обеспечивает простоту и удобство монтажа, а также достаточную ремонтопригодность. Конечный выбор материалов зависит, кроме теплофизических и прочностных характеристик, от стоимости 1м2 кладки и принимается после точного персонифицированного расчета.

По некоторым из электропечей, при неудовлетворительной стойкости нагревателей, предлагается замена материала нагревателя на нихромовые (Х20Н80-Н и т.д.). Он наиболее стойкий при повышенных температурах и, в отличии от фехралевых материалов (Х23Ю5Т, Х27Ю5Т), ремонтопригоден и при выходе из строя может быть переплавлен для нового использования. В некоторых случаях требуется выбрать не другой материал, а другой диаметр проволоки или же изменить схему соединения нагревателей для обеспечения изменившихся требований к мощности электропечи.

Что касается экономии тепла за счет тепла уходящих газов, то существует несколько путей использования данного вторичного энергоресурса:

Использование энергии дымовых газов для общецеховых или общезаводских нужд (отопление, горячая вода).
Использование дымовых газов одной печи, как энергоноситель для другой, температура в рабочем пространстве которой ниже.
Нагрев воздуха горения также может осуществляться несколькими путями:

через рекуперативную горелку;
через регенеративную горелку;
через отдельно стоящий рекуператор;
через отдельно стоящий регенератор;
через радиационную нагревательную панель.

Радиационная нагревательная панель имеет и то преимущество, что дымовые газы, нагревая воздух горения и топливо внутри себя, может применяться в случаях, когда недопустим контакт отходящих газов и садки. Температура применения панелей до 1000°С. Использование тепла уходящих газов может сократить потери тепла в отдельных случаях до 80%, что в балансе печи может составить до 50…60%.

С целью снижения энергоёмкости процессов в технологии термической обработки предпочтительно применение следующих менее энергоёмких технологических приёмов:

Использование защитных атмосфер вместо воздуха при нагреве выше 600°С. Это уменьшает или полностью исключает энергетические потери на выполнение операций по удалению окалины.
Замена закалки и отпуска изотермической закалкой.
Непосредственная закалка после науглероживания (цементации) вместо однократной закалки с повторного нагрева, что даёт экономию энергии примерно на 30%.
Применение защитных слоёв атмосфер на базе чистого азота при отжиге (гомогенизационном, сфероидизируещем), нагреве под закалку, а также термической обработке цветных сплавов на основе меди или алюминия.
Применение поверхностного и локального нагрева термоупрочняемых участков вместо объёмного упрочнения всей детали. Индукционная закалка (поверхностная и объёмная) и замена этим видом нагрева в печах позволяет уменьшить расход электрической энергии в 3 раза. Методы нагрева лазерным и электронным пучком сравнимы по энергоёмкости с индукционным нагревом, однако являются более дорогостоящими.
Применение кипящего слоя как среды нагрева. За счёт увеличения коэффициента теплоотдачи скорость нагрева в кипящем слое близка к скорости нагрева в расплавах солей. Кроме того, время разогрева в печах с кипящим слоем очень невелико. Например, нагрев рессорных листов до температуры 870°С в печи с кипящим слоем происходит в 5-6 раз быстрее, чем в конвейерных печах.

Особенно энергоёмким в термообработке являются процессы получения диффузионных слоёв, так называемая, химико-термическая обработка (ХТО). Для уменьшения энергоёмкости процессов ХТО рекомендуется:

Уменьшение до минимума толщины диффузионных слоёв, что позволяет сократить длительность самого процесса насыщения. Например, уменьшение глубины науглероживания от 1,4 до 1,1 мм сокращает время насыщения при 930 °С от 11 часов до 7,5 часа, а уменьшение толщины азотированного слоя от 0,25 до 0,17 мм – время насыщения при 540 °С до 10 часов вместо 40 часов. Выбор минимально допустимой толщины слоя необходимо осуществлять на основании эксплуатационных испытаний изделий.
Замена во всех допустимых по условиям эксплуатации случаях, цементации нитроцементацией или азотированием. Эти процессы выполняют при 920-950 °С, 840-860 °С и 520-580 °С, соответственно. Выгода от такой замены – уменьшение на несколько десятков процентов расхода энергии и значительное повышение долговечности печей.
Рациональное применение новых видов цементации (высокотемпературной, в вакууме, в кипящем слое, тлеющем разряде) с целью уменьшения энергоёмкости этой технологии. Повышение температуры сокращает длительность цементации. Например, повышение температуры цементации от 980 °С до 1015 °С обеспечивает уменьшение расхода энергии на 20 %. Цементация в кипящем слое протекает очень интенсивно. Например, при газовой цементации стали 15ХГМ в эндотермической атмосфере при 930 °С в течение 6 часов получают такие результаты, что и при цементации в кипящем слое при 950 °С в течение 1.5 часа.

В заключении, уважаемый читатель, поговорить о трудностях и проблемах, с которыми сталкивается этот, вроде бы жизненно необходимый процесс, как модернизация термического оборудования, и в принципе модернизация промышленности. И так:

Время. Проектирование оборудования, согласование проекта, занимают не менее полугода, не считая времени на изготовление, монтаж.
Отсутствие единых методик оценки и сравнения конкурентных предложений. В большинстве случаев проведения закупок, предпочтение отдается просто предложению с просто меньшей ценой. Как результат, нами накоплен перечень запросов на выполнение ремонтов, модернизаций новых (не более 5 лет с момента ввода в эксплуатацию) термических печей, в которых для снижения цены предложения были использованы материалы, оборудование и технические решения двадцатилетней и более давности.

Руководство промышленных предприятий и контролирующих организаций должно отдавать себе отчет в том, что только комплексные мероприятия помогут выстроить правильную политику энергосбережения и только компетентным, опытным и надежным специалистам можно доверить реконструкцию существующего и создание нового печного парка предприятия.