輥底式熱處理爐節能技術進展

前 言

軋鋼廠中輥底式熱處理爐的用途很廣，既可用于棒線材、管材，也可用于板材的退火、正火、高溫回火及淬火等熱處理工藝。國內輥底式熱處理爐多數是明火加熱，現代化軋鋼廠生產的成品在熱處理過程中不允許氧化和脫碳，必須在可控氣氛下進行，因此目前采用輻射管間接加熱的輥底爐逐漸增多。然而輥底式熱處理爐整體熱效率較低，在當前能源日益緊張的情況下，如何挖掘輥底式熱處理爐的節能潛力。提高其熱效率，減少單位能耗則變得日益迫切。

目前輥底式熱處理爐的燃燒裝置、爐輥、耐材以及控制等方面的研究及應用都有了相應進展，諸多技術對于輥底爐的節能環保都有重要的意義，值得推廣應用。

燃燒裝置

燃燒器是輥底式熱處理爐的核心裝置，當前在輥底式熱處理爐中使用較多的是自身預熱式燃燒器，即將燒嘴、空氣預熱器和排煙裝置結合為一體的燃燒裝置，其能夠在排出煙氣的同時預熱燃燒空氣，同時避免集中排煙所造成的爐內氣流和溫度的不均勻。然而當前各生產廠家和工業爐公司所采用的大多為翅片式換熱裝置，受限于換熱面積及傳熱系數的影響，目前排煙溫度較高，通常達到500X2-600E，換熱效率較低，因此如何提高燃燒器自身的熱效率是研究的重要方向。

德國ws公司提出采用管式換熱裝置代替傳統內外翅片管換熱，如下圖所示，其中煤氣從中間噴口噴出，而空氣則從多個預熱噴管內進入爐內，燃燒高溫煙氣則從環狀縫隙抽出，從而使每個空氣管都處于高溫煙氣的包圍之中，換熱面積大為增強，同時實現了三維立體熱交換，每組管束內外溫差都相同。而傳統翅片管雖然有翅片的存在，但仍然難以獲得滿意的傳熱面積和傳熱系數，因此換熱效果較差。據報道，采用該新型換熱器的自身預熱燒嘴其煙氣排放所帶走的熱量相對于傳統翅片式下降了約50%。

圖1德國ws公司新型自身預熱燒嘴

隨著高溫燃燒技術的進展，蓄熱式燃燒器也逐漸用于輥底式熱處理爐中。日本NKK公司福山廠于2000年5月起采用u型蓄熱式輻射管燒嘴。該燒嘴蓄熱體采用緊湊的陶瓷蜂窩結構，可高效率地進行熱回收。過去，該爐的預熱空氣溫度最高為600K左右，但采用蓄熱式輻射管燒嘴后，可以得到與爐溫同樣水平的預熱空氣溫度，最高達到1100K左右。國內神霧公司將高溫空氣燃燒技術應用于燃氣輻射管燃燒器加熱裝置，已研制出w型和u型蓄熱式(HTA c)燃氣輻射管燃燒器并經不斷實驗改進推出了定型產品。

圖2日本NKK公司蓄熱式輻射管

近期德國ws公司開發出一款單端蓄熱式燒嘴，可用于明火加熱或者輻射管加熱，其管型包括直管、P型管和1t2P型管。該蓄熱式燒嘴不僅預熱效率高，且在工作狀態時采用所謂無焰燃燒方式，避免了局部高溫并降低了NOX排放，起到了節能和環保的雙重效果。

圖3WS公司蓄熱式燒嘴及在輻射管內燃燒狀態

新型爐輥

輥底爐的另一重要裝備則是用于輸送被加熱鋼材的爐輥。輥底爐爐輥可分為耐高溫空腹爐輥和水冷爐輥，通常在低溫場合采用空腹爐輥，而高溫場合則采用水冷爐輥。過去國內很多廠家選用的爐底輥大多采水冷型，

冷卻水帶走的熱量占總熱量的30%，熱損失太大了，且水冷系統復雜，也消耗大量水資源。因此諸多爐溫低于1100℃的輥底式熱處理爐大多使用耐熱鋼空腹爐輥，其在保證熱強度和使用壽命的前提下減輕自重，其輥筒端部斷面向軸承方向漸次縮小，同時為減少輥筒內高溫輻射，輥內兩端充填硅酸鋁耐火纖維棉，從而減少傳至軸承的熱量。德國BUTTING公司最新的成果表明其采用施密特·克萊門斯特殊鋼廠的一種稱作所謂Centralloy60 HT的材料制成的空腹爐輥最高使用溫度可達到1250℃，能夠大大降低在高溫輥底爐中的能耗和冷卻水用量，但目前國內未見有報道應用。

圖4 BUTTING HeRo高溫空腹爐輥

脈沖燃燒控制技術

輥底式熱處理爐由于其處理鋼種規格變化較大，且處理工藝溫度和時間也會隨鋼種規格而調整，因此處理不同鋼種規格或工藝變化時能夠靈活調整爐溫則是輥底爐提高熱處理質量和節能降耗的重要指標。隨著數字化脈沖燃燒控制技術的出現，輥底爐可以實現彈性分區和分段以適應不同熱處理制度的控制要求，并滿足多品種所要求的溫度制度調整的靈活性。

脈沖燃燒技術極大縮短了系統的響應時間，從本質上克服了傳統燃燒方式滯后的缺點。在每一個脈沖燃燒時間內，燒嘴都在額定狀態工作，燃料流量恒定，火焰長度不變，加熱效果明顯提高，實現了低產量時的溫度均勻性。保證了產品質量的穩定性。脈沖燃燒方式，充分實現了生產的靈活性，爐體由若干爐段組成，每段有若干個燒嘴，每一對燒嘴完壘獨立，一對或幾對燒嘴作為一個控制區，控制系統或操作人員可以任意關閉一對或多對燒嘴，燒嘴的靈活組合實現了爐內的動態分段。脈沖技術大大提高了燃燒控制的精度，作為數字量的時間信號相對模擬量的流量信號，控制起來更準確，每一對燒嘴的獨立控制和溫度的獨立檢測，將坯料的溫度曲線細化到更多控制區間，控制精度明顯提高，控制系統和操作人員可以準確知道并方便實施對鋼坯何時何處加熱及加熱多少，提高了加熱質量和溫度均勻性，使爐子的性能和產品質量不受外部條件的影響而變化。

節能爐襯

輥底式熱處理爐內溫度較高，其中80%的傳熱量需要依靠輻射傳熱方式，因此提高爐襯黑度以強化輻射傳熱對于提高加熱爐產量以及節能具有重要的意義。同時大多數耐火材料其密魔和熱容都比較高，這不利于爐子快速加熱和冷卻，為了降低爐子熱情性，采用耐火纖維等輕型爐襯具有重要的節能作用。

由于耐火纖維的黑度隨著爐溫升高而下降，因此通常采用高發射率涂料與輕型耐火纖維相復合。高發射率涂料不僅能夠強化傳熱，起到節能作用，同時能明顯改善耐火纖維的疏松、易粉化、脫落現象，耐火纖維上噴涂高發射率涂料后，強度及耐火度可大幅度提高，收縮率降低，壽命延長。因此高黑度復合輕型爐襯在輥底式熱處理爐內取得了較好的節能和強化傳熱效果。

總結與展望

當前我國能源的緊張與短缺已成定局，嚴重影響了經濟的發展。節能是中國能源戰略和政策的核心，解決能源和資源問題，最根本的還是要靠科技進步。而工業爐的節能，應當抓技術創新，尋找，探索新的節能機理和途徑，走科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少的可持續發展道路。因此開發新型節能裝備和材料以及控制技術是工業爐企業技術進步的迫切需要。也是鋼鐵企業自身的需求。