Úspory energií v tepelném zpracování IV

Vliv typu ohřevu

Ať již pro kalení tak i pro popouštění musíme díly správně ohřát. Celý náběh na teplotu má 3 fáze. Ohřev, prohřev a výdrž na teplotě. V případě kalení je výdrž na teplotě časem austenitizace, v případě popouštění pak doba popouštění, pro procesy žíhání pak doba žíhání. Pokud kterákoliv fáze trvá dobu delší než je potřebná, pak spotřebováváme energii pro daný účel neefektivně.

Obr.č. 1 – Ohřev vsázky v peci s konstantní teplotou  a proměnným tepelným tokem q (W/m2) [1]

Z hlediska praxe jsou tři demonstrativní případy ohřevu:

• Teplota pece je konstantní, tepelný tok do vsázky je ale variabilní v závislosti na dT mezi pecí a vsázkou (víceúčelové pece, vakuové pece dvou nebo vícekomorové, atmosférické komorové pece s předehřátou komorou na pracovní teplotu) – Obr.č. 1
• Teplota pece je proměnlivá, tepelný tok je přibližně konstantní až do dosažení teploty prodlevy (vakuové pece jednokomorové) – Obr.č. 2
• Kombinace obou výše uvedených případů, tzv. hybridní ohřev [1]

Obr.č. 2 – Ohřev vsázky v peci s konstantním tepelným tokem (W/m2) [1]

V prvním případě je ohřev velmi intenzivní, především v počáteční fázi, kdy rozdíl teploty mezi pecí a vsázkou je největší. V případě elektrického ohřevu nebudeme ale zatěžovat ¼ maximum, protože odběr bude rovnoměrný a bude tedy i nákladově výhodnější.  Nevýhodou bude ale velký rozdíl teplot mezi povrchem a jádrem, a potenciální deformace nebo dokonce trhliny z napětí z rozdílu teplot. Budeme tedy muset uvažovat i s Biotovým kritériem, tedy jestli ohříváme těleso tlusté nebo tenké.

V druhém případě budeme mít podstatně nižší rozdíl teplot mezi jádrem a povrchem, budeme mít ale problém s řízením náběhové rampy, a tedy i souslednosti všech odběrů kalírny v rámci ¼ maxima odběru.

Protože ale radiační tepelný tok je přímo úměrný rozdílu čtvrtých mocnin teplot (T⁴_fce – T⁴_load), pak v prvním případě ohřev bude vždy kratší než v druhém případě při q= const a při proměnlivé teplotě pece.

 

Ohřev v jednokomorové vakuové peci

Ideální situace je u jednokomorových pecí (Obr.č. 3), kde můžeme použít termočlánky Ts a Tc. V tom případě měříme reálnou situaci v peci a správným hodnocením teploty pece Tp, povrchu dílu Ts a teploty jádra Tc jsme schopni vyhodnotit situaci a programově na ni reagovat. Z hlediska přenosu tepla je v tomto případě jedno, jestli je přenos konvekcí nebo radiací, měříme pouze výsledek

Použitím tzv. podmíněné prodlevy nastavíme automatickou časovou souslednost jednotlivých kroků ohřevu. Protože se jedná o veličiny programované, sama pec si pak kontroluje, že prodlevy v kroku 1, 2 a 3 nejsou delší ani kratší než potřebné. Ohřev bude ekonomický a technologicky správný.

Obr.č. 3 – Ohřev vsázky v jednokomorové vakuové peci s kombinovaném režimu konstantního tepelného toku a konstantní teploty pece 

Protože ale práce se vsázkovými termočlánky vyžaduje určité principy, vázané na AMS 2750G, musíme se pecím věnovat i z pohledu kalibrace. Např. stav dle obrázku č. 4, kdy pec nedotápí, bude znamenat nekonečnou dobu ohřevu a s tím související spotřebu energie.

Opačným případem je přetápění pece, kdy naopak energii zdánlivě ušetříme, ale za cenu vysoké heterogenity výsledných vlastností z důvodu neprohřátí vsázky. A protože vsázku budeme muset buď přepracovat anebo vyhodit, budou se nám tady mísit náklady na energii na přepracování anebo na reklamace. Oba stavy jsou tedy nežádoucí a jedině správnou validací pece je lze eliminovat.

Obr.č. 4 – Typický stav pece, kdy požadované teploty nebude nikdy dosaženo

Obr.č. 5 – Typický stav pece, kdy požadované teploty bude dosaženo dříve, než je technologicky požadováno

 

Ohřev ve vícekomorové nebo víceúčelové peci

Na obrázku č. 6 je schematicky znázorněna konstrukce ohřevové komory víceúčelové pece s muflí.

Obr.č. 6 – Schematické znázornění tepelné bilance víceúčelové pece [2]

Konvekční složka ohřevu je zajištěna stropním ventilátorem, radiační složka pak zprostředkovaně přes keramickou mufli, ohřívanou tepelným zdrojem v závislosti na tom, jestli je pec vyhřívaná elektricky nebo plynem.

Prvním faktorem ohřevu je radiační tepelný tok. Radiační ohřev je neúčinnější tehdy, jeli maximální rozdíl mezi teplotou povrchu vsázky a pece. Závisí na rozdílu teplot mezi zdrojem a vsázkou ve čtvrté mocnině. V případu dle obrázku č. 6 teplotu pece představuje teplota vnitřní keramické mufle.

Druhým faktorem ovlivňujícím ohřev je konvekce a předávání tepla z plynu, cirkulujícího v peci obvykle nuceně, pomocí ventilátoru. Dnes u vakuových pecí i za částečného přetlaku, běžně do 1,5 do 2 bar abs., u atmosférickou pecích při tlaku 1 bar abs. Přestup tepla je úměrný koeficientu přestupu tepla a rozdílu teplot T_fce a T_ld.

Obě ohřevové složky obvykle ale působí v peci souběžně, mluvíme tedy o hybridním ohřevu a rovnice tepelného toku bude mít následující tvar [2].

Kde

T_fce –                      teplota pece

T_ld –                       teplota vsázky

h –                         koeficient přestupu tepla

σ –                         Stefan-Boltzmanova konstanta 5,67 10^-8 W/m^-2K^-4

ԑ –                          koeficient emisivity

V obou případech musíme ale řešit, jestli zavezení vsázky do předem vytopené pece na pracovní teplotu nebude znamenat její poškození z důvodu překročení mezních hodnot pro pevnost v tahu. Až do rozsahu teplot mezi 500 C a 600 C jsou ohřívaná tělesa v tuhém, elastickém stavu, a působí na ně Hookův zákon. To znamená, že jsou díly zatěžovány napětím z rozdílu teplot mezi povrchem a jádrem. Teprve nad 600 C tento problém s napětími postupně vymizí, protože materiál se stává plastickým. Reálnou situaci je ale nutno vždy hodnotit s ohledem na konkrétní vsázku (Obr.č. 7)

Pokud můžeme použít vsázkové termočlánky Ts a Tc, tento problém za nás vyřeší SW pece, trvale sledující rozdíl teploty mezi Ta a Tc. Při překročení povoleného dT_load se automaticky sníží rampa náběhu na teplotu, nebo se zařadí mimořádná prodleva do doby, než dojde ke snížení rozdílu dT_load.

Obr.č. 7 – Schéma předávání tepla u reálné vsázky ozubených kol [3]

U pecí, kde vsázkové termočlánky použít nelze, musíme se naučit pracovat s Biotovým kritériem. To je číslo, vyjadřující vztah mezi tepelným tokem q_ld, tepelnou vodivostí oceli λ a charakteristickým rozměrem dílu. Pokud Bi < 0,25, jedná se o těleso tenké, je-li Bi > 0,5, jedná se o těleso tlusté. U těles tenkých je možno rozdíl teplot mezi jádrem a povrchem ignorovat, nikdy nedojde k překročení mezních hodnot napětí.

 

Předehřev

Jiná situace je u těles tlustých. Tam naopak vždy musíme počítat s kritickým stavem napjatosti (viz Obr.č. 8). Abychom předešli situaci, kdy dT = Ts – Tc > např. 200 C, vsázku před založením do topné komory můžeme předehřát v předehřívací peci.

Obr.č. 8 – Výpočet Biotova kritéria za podmínek koeficientu tepelného toku 90 W/m*K a různé tepelné vodivosti od 10 do 50 W/m*K pro průměry 20 až 200 mm

Předehříváme obvykle v popouštěcí peci bez ochranné atmosféry, s ochrannou atmosférou nebo ve vakuové peci s konvekčním ohřevem do 450 C. Takto předehřátou vsázku pak zavezeme do vytopené komory víceúčelové pece, ne ale již s teplotou 20 C, ale s teplotou např. 450 C. Podle některých doporučení [4] je optimální teplota 520 C z důvodu kvalitní předoxidcae.

Pokud budeme uvažovat s předehřevem na 450 C, pak zjistíme, že při nízkých teplotách je přenos tepla zářením velmi malý a převážnou část tepelného toku musíme zajistit konvekčním ohřevem (Obr.č. 9). To, co je ale zajímavé je to, že pokud vložíme do topné komory kalící pece vsázku studenou či předehřátou na 450 C, tepelný tok bude stále vysoký, mezi oběma variantami bude rozdíl jen asi 5%. To plyne z toho, že buď máme 950⁴ – 20⁴ = 8,15E⁺¹¹ a nebo 950⁴ – 450⁴ = 4,1E⁺¹⁰.

Obr.č. 9 – Porovnání tepelného toku mezi topením pece a vsázkou při emisivitě 0,4 a) při zakládání do pece vytopené na 950 C, b) při zakládání vsázky předehřáté na 450 C do pece vytopené na 950 C c) při předehřevu vsázky na 450 C

Pokud si vezmeme tepelnou bilanci pro založení vsázky do pece vyhřáté na 950 C dle obrázku č. 14, těleso o popsaných rozměrech a hmotnosti ohřejeme na teplotu za 105 minut.  Při průměrném příkonu pece 50 kW dostáváme spotřebu 50*105/60= 88 kWh.

Pokud budeme vsázku předehřívat, na předehřev na 450 C potřebujeme podle obr. č. 12 zhruba 160 minut. Průměrný příkon popouštěcí pece je 15 kW, spotřeba tedy bude 15*160/60 = 40 kWh.

Pokud takto předehřátou vsázku vložíme do pece vytopené na 950 C, dle obrázku č. 9  budeme potřebovat pouze o 5% energie z radiace méně, než kdybychom zakládali vsázku studenou.  Je to tedy 88*0,95% = 83 kWh. Celkem tedy pro ohřev vsázky s předehřevem  spotřebujeme  40 + 83 = 123 kWh. To je o 39% energie více.

Co z toho vyplývá? Předehřev jako způsob úspory energie pro ohřev na kalící teplotu nefunguje. Je lepší zakládat studenou vsázku přímo do vytopené ohřevové  komory než ji předehřívat. Pouze v případě, že máme tělesa s Bi > 0,5,  a jsou obavy z vysokých vnitřních pnutí,  předehřev použijeme. Dalšími důvody pro použití předehřevu jsou snížené deformace z důvodu nižší napjatosti, předoxidace povrchu před cementací nebo vypálení zbytků nečistot před nízkotlakou cementací.

Předehřev a předoxidace má ještě jedno úskalí. Mění emisivitu povrchu vsázky ԑ.  Při navýšení emisivity z 0,4 na 0,5 dojde ke zvýšení tepelného toku na hodnoty dle obrázku č. 10. o 25%,

Obr.č. 10 – Porovnání tepelného toku mezi topením pece a vsázkou při emisivitě 0,5  a) při zakládání do pece vytopené na 950 C, b) při zakládání vsázky předehřáté na 450 C do pece vytopené na 950 C c) při předehřevu vsázky na 450 C

Radiační a konvekční ohřev – porovnání

Při předehřevu vsázky na 450 C bude podíl ohřevu z radiace pouze asi jen 16%. Zbytek 84% musíme dodat do vsázky konvekcí. Na následujících modelech je vidět rozdíl v ohřevu pouze radiací (Obr.č. 11) a radiací s konvekcí v poměru 20%/80% (Obr.č. 12)

Obr.č. 11 – Předehřev bloku o hmotnosti 121,6 kg na 450 C při 100% radiaci, bez konvekčního ohřevu

Obr.č.12 – Předheřev bloku o hmotnosti 121,6 kg na 450 C při 20% radiaci a 80% konvekci

Z obrázků je vidět, že v prvním případě budeme ohřívat vsázku 480 minut, v druhém pak jen 180 minut. V případě čisté radiace rozdíl dT nepřekročí 50 C, a nebude tedy problém s napětími, v případě druhém pak dT se bude blížit 100 C a i to je rovněž akceptovatelné. Rozdílná je ale energetická spotřeba. Ať již je příkon pece jakýkoliv, výsledek efektivity ohřevu bude v poměru času.

A jak je to při založení vsázky do pece vytopené na 950 C?

Obr.č.13 – Předehřev bloku o hmotnosti 121,6 kg na 950 C při 100% radiaci, bez konvekčního ohřevu

Obr.č.14 – Předehřev bloku o hmotnosti 121,6 kg na 550 C při 20% radiaci a 80% konvekci

V případě radiačního ohřevu potřebujeme zhruba 145 minut (Obr.č. 13), u ohřevu s vysokým podílem konvekce pak jen 105 minut (Obr.č.14). Musíme si ale dát pozor na napětí, v prvním případě dT bude zhruba 200 C, v druhém případě s konvekcí pak až téměř 300 C. To už je nebezpečné a bez předehřevu bychom se neměli obejít.

Co z toho tedy vyplývá?

• Výhodnější je ohřev v peci s konstantní teplotou, je jedno jestli se jedná o pec víceúčelovou či vakuovou s dvěma a více komorami
• Složka radiační je významná u vysokých teplot, při předehřevu však nehraje roli. Pokud vůbec myslíme na nákup nebo modernizaci pece, musíme se kromě na ztráty soustředit i na vylepšení konvekčního ohřevu
• Předehřev do 450 C a následné založení do pece vytopené na 950 C spotřebuje o 40% energie více než kdybychom předehřev zcela vynechali
• Emisivita povrchu vsázky pro přenos tepla zářením má významnou roli, čím tmavší těleso bude, tím bude i jeho pohltivost na tepelné záření vyšší. Na jedné straně tedy poroste tepelný tok do vsázky, na druhé ale poroste i nebezpečí z dT při ohřevu do 600 C. Při změně emisivity z 0,4 na 0,5 vzroste tepelný tok o 25%

 

 

[1] R.Kremer, J.Obroučka, Ohřev kovů, SNTL 1974

[2] Radhakrishnan Purushothaman  Evaluation and Imorovement of Heat Treat Furnace model, 2008

https://digital.wpi.edu/downloads/ks65hc345

[3] Jin-wu Kan, Modelling and simulation of heat transfer in loaded heat treatment furnace, 2016

[4] Industrial Heating, Carburizing Process Control Boosts Productivity, Lowers Manufacturing Costs, https://www.industrialheating.com/articles/83907-carburizing-process-control-boosts-productivity-lowers-manufacturing-costs

 

24. ledna 2023

Jiří Stanislav