Jak správně vybrat pec pro popouštění a žíhání III

V této části se zaměříme na energetickou spotřebu pecí pro žíhání a popouštění.

Je velké množství různých konstrukcí zařízení pro popouštění nebo žíhání. Zařízení mohou být komorová, šachtová, průběžná, s atmosférami Class A, B i C. Mohou být i víceúčelová, obvykle v kombinaci s difuzními procesy jako karbonitridace, nitridace v plynu nebo za sníženého tlaku. Zařízení mohou být i vakuovatelná, nebo přímo pracovat jako plně vakuové pece (Obr. č. 1).

Obr. č. 1  – Různé typy pecí pro popouštění a žíhání

Pece mohou mít různé rozměry, od malých komorových až po obrovské vozové pece. Pece mohou být topené elektrikou ale i zemním plynem. Plynem topenou pec lze ale u komerčních kalíren téměř s jistotou vyloučit z důvodu nadměrných emisí CO2 po roce 2027. Lze předpokládat, že právě v tomto období klesnou emise z energetického mixu pod hodnotu emisí ze zemního plynu (Obr. č. 2). Při účetním odpisování pecí na 20 let nelze riskovat, že budeme vystaveni dodatečným daním z hlediska produkce CO2.

• Obr.č. 2  – Předpokládaný vývoj energetického mixu v CZ do roku 2040
• Obr.č. 3 – Typický energetický štítek pro domácí spotřebiče.

Jak je to ale se spotřebou? Pokud si jdeme koupit ledničku nebo pračku, máme na ní energetický štítek ukazující, že zařízení pracuje ve třídě např. A+++-. Co ale se zařízeními pro tepelné zpracování, kde významnost tohoto parametru je daleko větší jak u ledničky?

Při investici do nového zařízení se obvykle z nabídky dozvíme, jaký je celkový příkon pece, občas se k tomu přidá i informace o příkonu chladící turbín, oběhového ventilátoru nebo vakuových čerpadel, příkon na topení olejové lázně apod.  To jsou ale údaje, které potřebujeme pro dimenzování průřezu přívodního kabelu nebo jističů a pojistek.

O skutečné spotřebě ale většinou žádné informace nedostaneme. A když se na to ale zeptáme, dostáváme obvykle od výrobců pecí podivné informace, svědčící obvykle o jejich odtržení od reality.  Přitom např. v dobře spravované kalírně jedním z KPI ukazatelů je velikost prodeje na 1 KWh spotřebované energie, nebo spotřeba energie na 1 kg výrobku, anebo pro výpočet nákladů na nabídkový technologický postup musíme znát minimálně průměrnou spotřebu zařízení tak, abychom mohli vypočítat projektové náklady na cyklus a následně pak zákazníkovi stanovit nabídkovou cenu.

Protože ale výrobci pecí nejsou prozatím schopni dodávat zařízení s energetickým štítkem, pak naše volba bude založena pouze na testech a na zkušenostech. Obecně bychom ale měli cílit na parametr spotřeby na 1kg vsázky s hodnotami 0,5 až 0,7 kWh/kg. Ty jsou dosažitelné, obvykle ale jen pro určitý typ konstrukce pece a struktury vsázek.

Abychom vůbec mohli začít, musíme tu naši spotřebu měřit. Prvním krokem je tedy si objednat pec, která má měření spotřeby. Můžeme se spokojit s celkovou spotřebou, anebo mít i parciální měření pro topení, ventilátor, vývěvy atd.

• Obr.č. 4 – Měření spotřeby
• Obr.č. 5 – Návrh propojení pece s ERP systémem a sledování nákladů na cyklus

Protože potřebujeme znát spotřebu na výrobní cyklus, pec musí umět přiřadit spotřebované kWh k ID cyklu. ID cyklu nám identifikuje, co jsme v peci dělali. To už je horší, protože abychom spočítali KPI pro spotřebu energie na 1 kg vsázky, musíme vědět, kolik kg jsme v cyklu zpracovávali. To už ale pec neví a je tedy potřeba vybudovat vazbu mezi pecí a ERP systémem. Řešení je více, to už ale popisovat nebudu. To je na investorovi. Orientačně můžeme vyjít z Obr. č. 5.

Pro naše účely je ale důležitá energetická koncepce pece. Měla by zajistit, aby maximum vložené energie se přeneslo na vsázku. U plynem topených pecí je to problém, protože 30% vložené energie nám jde do spalin. Pokud tedy elektricky topená pec pro žíhání a popouštění má účinnost 66%, pak plynem topená pec bude mít účinnost jen 46%.

Aby přenos energie byl co nejefektivnější, měl by co nejlépe kombinovat radiační složku a složku konvekční. Protože ale žíhání nebo popouštění probíhá za nízkých teplot, obvykle do 750 °C, pak radiační složka nebude tak významná. Budeme muset tedy dávat akcent na složku konvekce. Vzorec pro hustotu tepelného toku je následující:

kde:

• q__ld                                měrný tepelný tok (W/m2)
• T_fce –                    teplota pece
• T_ld –                     teplota vsázky
• h –                       koeficient přestupu tepla (W/m^-2K^-1)
• σ –                       Stefan-Boltzmanova konstanta (5,67 * 10^-8 W/m^-2K^-4)
• ԑ –                        koeficient emisivity

Rozdíl v efektivnosti radiačního tepelného toku je vidět na obr. č. 6. Při zakládání studené vsázky do pece vytopené na 450 °C, tepelný tok z radiace je 5% tepelného toku, který bychom získali zakládáním do pece vytopené na 950 °C.

Obr.č. 6 – 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

Abychom zvýšili konvekční složku, musíme zvýšit koeficient přestupu tepla h. Ten je závislý na typu plynu, tlaku a rychlosti proudění. U typu plynu jsme většinou limitováni výběrem mezi vzduchem a dusíkem. Protože vzduch je tvořen převážně dusíkem, obě atmosféry s ohledem na jejich fyzikální chování budou téměř totožné. V praxi se ale může vyskytnout i potřeba atmosféry EXO, např.  ze štěpeného čpavku, ENDO, směsi N2+5% H2 nebo argonu.

Protože klasické pece se vzduchem nebo s ochrannou atmosférou nemají možnost přetlaku, pak i parametr tlaku je prakticky neměnitelný a bude 1 bar abs. To, že budeme mít v peci mírný přetlak dusíku do 50 mbar kvůli zpětnému proudění vzduchu do pece, nehraje roli.

Zbývá nám tedy rychlost plynu. Protože ale ta závisí na výkonu a typu ventilátoru, nemáme šanci to rozpoznat dříve, než začneme pec používat.  Jen si prostě budeme přát, aby byla tak vysoká, že v peci budeme mít turbulentní proudění, a současně aby teplosměnná plocha mezi topenými prvky a médiem byla co největší. To, že tomu tak nemusí být je vidět na obr. č. 7.

Obr. č. 7 a 8 – Topné prvky historické vakuové popouštěcí pece Elterma VDFC a vnitřní komora

I když můžeme pořídit pece na popouštění a žíhání jen s topnými prvky uloženými v izolační vyzdívce, většina pecí je s muflí nebo tzv. oběhovou vložkou. Stále rozšířenější jsou ale i pece s plynotěsnou retortou. Pece s muflí, oběhovou vložkou nebo retortou mohou mít topné prvky z vnější strany, nebo i z vnitřní (Obr. č. 9 a 10).

Obr. č. 9 a  10 – Příklad konstrukčního uspořádání pece s muflí s vnějším a vnitřním topením

Obr. č. 11 – Příklad retortové pece s vnějším a vnitřním topením

V prvním případě nám topné prvky předávají část tepelného toku do mufle, retorty nebo oběhové vložky, stejná část ale bude působit i na opačnou stranu, tedy do vyzdívky nebo izolace vnější stěny. Radiační složka bude v tomto případě téměř nulová.

Ve druhém případě topné prvky jednak ohřívají konvekčně uvnitř proudící plyn, jednak přímo ozařují povrch vsázky a budou se tedy podílet na energetické bilanci i druhou složkou.

Tato druhá varianta je tedy z hlediska přenosu tepla efektivnější a účinnější. To se výrazně projevuje především u vakuových popouštěcích a žíhacích pecí s přímým ohřevem. Typickým představitelem této konstrukce pece je vakuová popouštěcí pec od TAV Vacuum Furnaces.

Narozdíl od pecí atmosférických, u vakuových pecí můžeme jít s pracovním tlakem nahoru. Dnes již obvyklý design pece umožňuje přetlak 1bar, tedy 2 bar abs.

U retortových pecí máme problém, protože s každým cyklem musíme ohřívat a ochlazovat i retortu o hmotnosti stovek kilogramů. Výsledek je na obr. č 14. Z grafu je vidět, že u retorty konzumujeme o 30 až 40 % více energie než u pece s přímým ohřevem. S většími hmotnostmi a delšími časy cyklu se rozdíl ve spotřebě snižuje, nicméně křivky se potkají v nekonečnu. Proto tento typ pece je výhodné používat pro difuzní procesy jako je  nitridace nebo karbonitridace, které mají obvykle daleko delší časy cyklu než procesy popouštění, ne ale pro popouštění nebo žíhání. Výjimky ale existují.

Obr. č. 14  – Graf porovnání retortové pece a pece s přímým ohřevem

Důležitým faktorem energetické bilance na peci je tepelná izolace. Ta bude rozhodovat o tom, kolik tepla zužitkujeme pro ohřev vsázky, a kolik tepla bude z pece odvedeno ztrátami. Jaké by měla mít vlastnosti? Minimální tepelnou kapacitu, roztažnost, nízkou tepelnou vodivost, odolnost proti proudícímu plynu.

Obr. č. 15  – Vývoj izolace topné komory u ALD a dopad na spotřebu elektrické energie při běhu na prázdno [Gerald Hiller ALD, 2016,  Instanbul]

Jaké ale jsou naše možnosti? Z obr. č. 15 je vidět, že vývoj a zlepšování pecní izolace zaznamenává skokovou změnu. Oproti roku 2002 jsme u vysokoteplotních pecí dnes na 34% energie potřebné pro udržení teploty v prázdné peci (Idling Power).

Grafitové izolační materiály jsou trvale vylepšovány, používá se větší tloušťka izolace, vícevrstvá, s povrchem z CFC bránícímu vnější abrazi a s lepší emisivitou. TAV používá pro své popouštěcí a žíhací pece identickou skladbu izolace jako pro pece kalící. To má za následek, že jednak koeficient emisivity povrchu je konstantní, jednak tepelná vodivost izolace je stejně dobrá jak u kalících pecí a jsou tedy i zajištěny všechny podmínky pro nízkou spotřebu energie.

Obr. č. 16 a 17  – Emisivita povrchu různých materiálů a změna emisivity vlivem oxidace [1]

Poklud budeme mít pec s oběhovou vložkou z uhlíkové nebo nerezové oceli, musíme počítat s tím, že se nám emisivita bude měnit s postupující oxidací. U pecí s LPN se používá pro vnitřní chránění izolace Inconelové obložení, se schopností omezené difuze dusíku při nitridaci, ale i tento materiál  bude mít tendenci oxidovat, obzvlášť proto, že se jedná o proces založený na směsi NH3 a NO2.

Pro některé aplikace leteckého průmyslu může být topná komora celo-metalická, z molybdenu. Tady ale oxidace může být největším problémem. Pokud u nové pece potřebujeme 50 až 60 % instalovaného příkonu, vlivem oxidace se můžeme dostat až na 90 až 100%. I proto je důležité průběžné měření spotřeby, může nám ukázat na zhoršující se stav pece a potřebu opravy nebo výměny prvků.

Grafitová izolace bude z tohoto pohledu stabilní. Může mít dnes podobu grafitové plsti, tuhých grafitových desek, potažených, nepotažených nebo spojených fólií, většinou s finální vrstvou z CFC. Jediné omezení takto vystrojené pece bude oxidace ve vodní páře. Následná desorpce pece by byla asi skoro nemožná vzhledem ke komplikované struktuře grafitových materiálů.

Obr. č. 18  – Tepelná kapacita různých materiálů v peci [1]

Jaká doporučení při výběru pece pro popouštění a žíhání tedy můžeme udělat tak, abychom zlepšili energetickou účinnost našeho tepelného zpracování?

Pokud budeme skutečně provádět jen tyto operace, ne difuzní procesy, pak je nutno vybrat pec s přímým ohřevem, s topnými prvky uvnitř komory. Pokud už budeme uvažovat o hybridním zařízení, tedy včetně nitridace nebo karbonitridace, pak nejdříve zvážit cestu přes LPN (Low Pressure Nitriding), kde neztrácíme vlastnosti přímého ohřevu. A pokud už zvažujeme nákup hybridního zařízení s atmosférickou nitridací nebo karbonitridací, pak musíme akceptovat výrazně vyšší spotřebu elektrické energie na procesy popouštění nebo žíhání díky ztracené energii na ohřev a ochlazení retorty. Ta je obvykle s hmotností větší jak samotná vsázka.

Je to zanedbatelné? Ověřený průměrný hodinový odběr vakuové popouštěcí pece 600x900x600 mm během popouštěcího cyklu je 18 kW za hodinu, u retortové pece identických rozměrů 23 kW.  Úspora je 5 kW za hodinu.  Při 80% využití zařízení je pec v provozu 7 008 Nh ročně. Úspora za rok tedy činí 5 * 7 008 = 35 040 kWh. Při dnešní ceně 5 Kč/kWh to je 175 200 Kč ročně. Za 20 let používání pece, s inflačním zatížením ceny energie 5 %, to bude finanční úspora 5 793 155 Kč, úspora energie 700 800 kWh, a úspora CO2 emisí 140 tun. Energetické úspory jsou tedy blízko pořizovací ceně zařízení, ekologický dopad je zřejmý.

Obr. č. 19 – Rozdíl v nákladech mezi vakuovou žíhací a popouštěcí s přímým ohřevem a s retortou

Jak jsem již řekl na začátku, informace o reálné spotřebě nám dodavatel pecí nesdělí. Lze to pochopit, i když jen částečně. Očekával bych naopak, že se navzájem budou předhánět v tom, jak efektivní zařízení nabízí. Zatím tomu tak ale není.

Cesta z toho ale není složitá. Každý dodavatel má, nebo by měl mít v nabídce tzv. FAT – Factory Acceptance Test. To znamená, že my, zákazníci, máme právo si vyžádat test na naší referenční vsázce právě s cílem ověření spotřeby. A tu si dáme do zadání v objednávce pece. Např. že na referenční vsázce musí být dosaženo např. 0,5 kWh/kg.

Tímto si jednoduše stanovíme přejímací podmínku. Pokud ji dodavatel potvrdí a následně při FAT nesplní, lze to brát jako porušení smluvních podmínek se všemi důsledky pro dodavatele.

[1] https://www.linkedin.com/pulse/vacuum-furnace-hot-zones-metal-carbon-configurations-alan-charky/

Jiří Stanislav

25. srpna 2024