蓄熱式步進(jìn)梁軋鋼加熱爐保溫性能分析及優(yōu)化措施

陳煥德 丁美良 胡 磊 張 宇

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625)

節(jié)能和加熱質(zhì)量是軋鋼加熱爐的兩項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。節(jié)能即減少煤氣消耗、減少散熱損失，降低噸鋼能耗；加熱質(zhì)量包含坯料加熱溫度均勻性、加熱溫度達(dá)標(biāo)率及氧化燒損率等；加熱質(zhì)量好壞關(guān)系到軋制能否順利進(jìn)行以及產(chǎn)品組織性能的均勻性。節(jié)能降本、提高加熱質(zhì)量對(duì)企業(yè)在當(dāng)前形勢(shì)下增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

加熱爐能耗占鋼鐵企業(yè)總能耗的5%～6%[2]，節(jié)能降本空間大。隨著我國(guó)能源危機(jī)問(wèn)題日益突出和政府對(duì)節(jié)能降耗、淘汰落后產(chǎn)能工作的重視，軋鋼加熱爐節(jié)能降本工作已引起了廣大學(xué)者的關(guān)注[2- 5]。但是目前大部分研究集中在加熱效率、煙氣余熱回收利用及自動(dòng)化控制等方面，對(duì)加熱爐爐體保溫性能的研究較少。

本文采用紅外熱成像儀對(duì)蓄熱式步進(jìn)梁軋鋼加熱爐的爐頂及爐墻區(qū)域溫度進(jìn)行測(cè)量，并利用紅外熱成像儀自帶的軟件和統(tǒng)計(jì)法對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析加熱爐爐體的保溫性能，并提出優(yōu)化保溫性能的措施，以期為加熱爐新建或大修提供參考，同時(shí)也為加熱爐的節(jié)能降耗提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)對(duì)象為軋鋼生產(chǎn)線上正常使用的蓄熱式步進(jìn)梁加熱爐，空氣和煤氣雙預(yù)熱，空氣燒嘴和煤氣燒嘴左右分布，加熱爐的具體技術(shù)性能見(jiàn)表1。

表1 蓄熱式步進(jìn)梁加熱爐的技術(shù)性能Table 1 Technical characteristics of the regenerative reheating furnace

采用菲利爾紅外熱成像儀(FLIR T620)對(duì)加熱爐爐頂和爐墻區(qū)域溫度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)溫時(shí)手動(dòng)聚焦被測(cè)物體表面，主要測(cè)溫參數(shù)：環(huán)境溫度35 ℃，輻射率0.79，相對(duì)濕度20.0%，測(cè)溫量程0～660 ℃。

根據(jù)爐頂和爐墻鋼架結(jié)構(gòu)，分別將爐頂區(qū)、進(jìn)鋼側(cè)爐墻區(qū)、 出鋼側(cè)爐墻區(qū)和燒嘴側(cè)爐墻區(qū)分成91、28、35和68個(gè)區(qū)域；爐頂區(qū)熱像圖采集如圖1所示。進(jìn)、出鋼側(cè)爐墻區(qū)，爐體與傳動(dòng)部件接觸區(qū)和傳動(dòng)上方爐墻區(qū)的熱像圖，如圖2所示。燒嘴側(cè)爐墻區(qū)，燒嘴上方和燒嘴間隙間爐墻的熱像圖，如圖3所示。

采用紅外熱成像儀自帶軟件對(duì)熱像圖進(jìn)行處理，得到爐頂和爐墻區(qū)各區(qū)域平均溫度和最高溫度，并對(duì)爐頂和爐墻區(qū)的溫度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，采用新型爐體修補(bǔ)材料對(duì)爐頂個(gè)別區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)試驗(yàn)，對(duì)比修補(bǔ)前后爐體的保溫性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 爐頂溫度分布

加熱爐爐頂各測(cè)溫區(qū)域的平均溫度分布情況如表2所示。可見(jiàn)，爐頂區(qū)平均溫度均低于165 ℃，溫度分布主要集中在105～115 ℃、115～125 ℃、135～145 ℃和145～155 ℃4個(gè)區(qū)間，所占比例分別為16.5%、24.2%、15.4%和17.6%；平均溫度低于105 ℃的區(qū)域有8個(gè)，占8.8%；高于155 ℃的區(qū)域有10個(gè)，占11.0%。爐頂平均溫度為130 ℃，高于GB/T 3486—1993《評(píng)價(jià)企業(yè)合理用熱技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)爐頂平均溫度≤105 ℃的要求。91.2%的爐頂區(qū)域平均溫度高于105 ℃，爐頂總體溫度高，散熱量大，保溫效果差。

爐體保溫效果與區(qū)域最高溫度密切相關(guān)，最高溫度值越大，保溫效果越差；區(qū)域間最高溫度差值越大，保溫效果差異越大。表3統(tǒng)計(jì)了爐頂各測(cè)溫區(qū)域最高溫度分布情況，最高溫度均高于100 ℃，72.5%的區(qū)域最高溫度集中在200～500 ℃之間；高于500 ℃的區(qū)域有20個(gè)，占22.0%；個(gè)別區(qū)域的最高溫度差值超過(guò)500 ℃。可見(jiàn)，爐頂各區(qū)域的保溫效果差異明顯，爐頂總體保溫效果差。

汪爾璽同學(xué)被提名最多次，得到的桂圓最多。我看到其他同學(xué)有點(diǎn)小嫉妒的表情，就順勢(shì)教育大家：吃虧是福，平時(shí)做在別人看來(lái)是很吃虧的事情，其實(shí)是在為自己積福。你的付出無(wú)須立刻尋求回報(bào)，其他人會(huì)看到、感受到的，日后總會(huì)在生活中以某種方式來(lái)回報(bào)你。

圖1 爐頂熱像圖Fig.1 Thermovision images of reheating furnace roof

圖2 進(jìn)、出鋼側(cè)爐墻熱像圖Fig.2 Thermovision images of inlet and outlet steel wall

圖3 燒嘴側(cè)爐墻熱像圖Fig.3 Thermovision images of combustion brickwork

表2 加熱爐爐頂各測(cè)溫區(qū)域的平均溫度分布Table 2 Average temperature distribution of different areas at reheating furnace roof

表3 加熱爐爐頂各測(cè)溫區(qū)域的最高溫度分布Table 3 Maximum temperature distribution of different areas at reheating furnace roof

爐頂各區(qū)域保溫效果參差不齊，與各區(qū)域耐材的損耗、脫落有關(guān)。圖4為加熱爐爐頂?shù)臒嵯駡D。可見(jiàn)，1處溫度高達(dá)634 ℃，而2和3處的溫度分別為97和173.4 ℃，遠(yuǎn)低于1處的溫度，這主要是由于1處耐材的脫落導(dǎo)致其溫度偏高。

2.2 爐墻溫度分布

表4統(tǒng)計(jì)了加熱爐爐墻平均溫度分布情況。燒嘴側(cè)爐墻平均溫度為165 ℃，平均溫度分布在100～200 ℃之間的區(qū)域有55個(gè)，占80.9%；平均溫度分布在200～250 ℃之間的區(qū)域有11個(gè)，占16.2%；低于100 ℃和高于250 ℃的區(qū)域各有1個(gè)，占1.5%。進(jìn)鋼側(cè)爐墻平均溫度為134 ℃，75.0%的區(qū)域平均溫度集中在100～150 ℃之間；10.7%的區(qū)域平均溫度不高于100 ℃；高于150 ℃的區(qū)域有4個(gè)，占14.3%。出鋼側(cè)爐墻平均溫度為180 ℃，平均溫度集中在100～150 ℃、150～200 ℃和200～250 ℃三個(gè)區(qū)間，占比分別為25.7%、45.7%和20.0%；100 ℃以下區(qū)域沒(méi)有，250 ℃以上區(qū)域有3個(gè)，占8.6%。加熱爐爐墻平均溫度均超過(guò)GB/T 3486—1993《評(píng)價(jià)企業(yè)合理用熱技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)加熱爐側(cè)墻平均溫度≤95 ℃的要求。進(jìn)鋼側(cè)爐墻平均溫度最低，這與進(jìn)鋼側(cè)靠近預(yù)熱段，爐膛加熱溫度低，輻射傳熱不明顯，耐材輕微燒損有關(guān)；相應(yīng)地出鋼側(cè)爐墻靠近均熱段，爐膛加熱溫度高，輻射傳熱效果顯著，耐材嚴(yán)重?zé)龘p，導(dǎo)致均熱段爐墻平均溫度最高。

圖4 加熱爐爐頂熱像圖Fig.4 Thermovision image of reheating furnace roof

表4 加熱爐爐墻平均溫度分布Table 4 Mean temperature distribution of reheating furnace wall

表5統(tǒng)計(jì)了加熱爐爐墻最高溫度分布情況。燒嘴側(cè)爐墻的97.0%區(qū)域最高溫度集中分布在400 ℃以下，共66個(gè)。而進(jìn)鋼側(cè)爐墻最高溫度集中分布在低溫(100～200 ℃)和高溫(≥600 ℃)兩個(gè)區(qū)間，其區(qū)域個(gè)數(shù)和占比分別為13、9個(gè)和46.4%、32.1%。出鋼側(cè)爐墻最高溫度分布則集中在200～300 ℃、300～400 ℃和≥600 ℃三個(gè)區(qū)間，其區(qū)域個(gè)數(shù)和占比分別為8、6、15個(gè)和22.9%、17.1%、42.9%。總體上講，燒嘴側(cè)爐墻最高溫度集中分布在中低溫區(qū)，進(jìn)鋼側(cè)爐墻最高溫度集中分布在低溫和高溫兩個(gè)區(qū)間，而出鋼側(cè)爐墻最高溫度分布規(guī)律與進(jìn)鋼側(cè)爐墻保持一致，但出鋼側(cè)爐墻最高溫度均高于200 ℃，且高溫區(qū)的區(qū)域個(gè)數(shù)比進(jìn)鋼側(cè)爐墻多，這與爐膛內(nèi)的加熱溫度及輻射傳熱情況有關(guān)。燒嘴側(cè)、進(jìn)鋼側(cè)和出鋼側(cè)爐墻最高溫度高于660 ℃的區(qū)域分別有1、9和15個(gè)，進(jìn)、出鋼側(cè)爐墻最高溫度分布在高溫區(qū)的個(gè)數(shù)較多，主要是由進(jìn)、出鋼輥道與爐墻的機(jī)械連接引起的。圖5為進(jìn)鋼側(cè)爐墻傳動(dòng)區(qū)域的熱像圖，1處為進(jìn)鋼傳動(dòng)部件與爐墻機(jī)械結(jié)合區(qū)，溫度高達(dá)660 ℃，而遠(yuǎn)離該結(jié)合區(qū)的爐墻溫度為220 ℃，如圖5中2處所示。

表5 加熱爐爐墻最高溫度分布Table 5 Maximum temperature distribution of reheating furnace wall

3 改進(jìn)措施及效果

軋鋼加熱爐熱效率普遍偏低，在未被利用的能量當(dāng)中，爐體散熱損失占50.0%以上[6- 7]。爐體保溫性能與爐內(nèi)高溫氣體的輻射傳熱有關(guān)；爐體的密封性、爐體的導(dǎo)熱系數(shù)、爐內(nèi)氣氛及爐膛壓力等因素影響著爐體的保溫性能。

采用整體澆注方式以及采用優(yōu)質(zhì)耐火纖維可以有效提高爐體的密封性。絕熱層材料、耐材厚度以及爐內(nèi)襯的表面狀態(tài)決定著爐體的導(dǎo)熱系數(shù)；增加絕熱層厚度，采用高真空保溫板作為保溫層，同時(shí)爐內(nèi)襯噴涂高溫高輻射涂料，可以有效抑制爐體內(nèi)側(cè)與爐內(nèi)高溫氣體的輻射傳熱，從而減小爐體的導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫性能[8]。爐內(nèi)氣氛、爐膛壓力及爐子使用時(shí)間對(duì)爐內(nèi)襯耐材的燒損或脫落有重要影響；根據(jù)殘氧量自動(dòng)調(diào)節(jié)空燃比，合理調(diào)整爐膛壓力，同時(shí)加大對(duì)爐體的巡檢頻率，及時(shí)修補(bǔ)耐材燒損區(qū)域，可以提高爐體保溫性能。

圖5 進(jìn)鋼側(cè)爐墻傳動(dòng)處熱像圖Fig.5 Thermovision image of inlet steel wall of reheating furnace

基于測(cè)量結(jié)果，對(duì)爐頂“漏火”區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)前該區(qū)域溫度高達(dá)621 ℃，幾乎燒穿，見(jiàn)圖6(a)；修補(bǔ)4天后測(cè)溫，該區(qū)域的溫度下降至171 ℃，而且與鄰近區(qū)域溫度相差不大，見(jiàn)圖6(c)。

圖6 爐頂修補(bǔ)前、修補(bǔ)中和修補(bǔ)后熱像圖Fig.6 Thermovision images of furnace roof before, during and after repatching

爐體散熱包括輻射散熱和對(duì)流散熱，根據(jù)爐體綜合傳熱過(guò)程的分析與計(jì)算， 可得爐體散熱熱流密度，如式(1)、(2)所示[9]：

α(t外-t環(huán))

(1)

α=B(t外-t環(huán))1/4

(2)

結(jié)合爐體表面積，求出爐體散熱量，如式(3)所示：

Q=(q×S表)/106

(3)

假設(shè)加熱爐采用新型爐體修補(bǔ)料后，爐頂及爐墻的平均溫度降至GB/T 3486—1993要求范圍內(nèi)，即爐頂平均溫度降至105 ℃，爐墻平均溫度降至95 ℃，則可計(jì)算出爐體散熱量，并換算成高爐煤氣消耗量。高爐煤氣熱值按3 200 kJ/m3計(jì)算，預(yù)計(jì)每年可減少煤氣消耗5×106m3。且加熱爐保溫性能提高，能夠顯著提高坯料燃燒質(zhì)量，減少氧化燒損，同時(shí)能夠降低噸鋼能耗，對(duì)節(jié)能降耗具有重要意義。

4 結(jié)論

(1)蓄熱式步進(jìn)梁軋鋼加熱爐爐頂平均溫度為130 ℃，高于GB/T 3486—1993對(duì)爐頂平均溫度≤105 ℃的要求。爐頂91.2%的區(qū)域平均溫度>105 ℃；72.5%的區(qū)域最高溫度集中在200～500 ℃之間，且最高溫度>500 ℃的區(qū)域有20個(gè)，占22.0%。爐頂溫度總體偏高，散熱量大，保溫效果差。

(2)加熱爐燒嘴側(cè)、進(jìn)鋼側(cè)及出鋼側(cè)爐墻平均溫度分別為165、134和180 ℃，均高于GB/T 3486—1993 對(duì)爐墻平均溫度≤95℃的要求。爐墻最高溫度分布離散，燒嘴側(cè)、進(jìn)鋼側(cè)及出鋼側(cè)爐墻最高溫度>660 ℃的區(qū)域分別有1、9和15個(gè)。

(3)采用新型修補(bǔ)料修補(bǔ)后，爐體的保溫性能提高；若將爐體平均溫度降至GB/T 3486—1993要求范圍內(nèi)，每年預(yù)計(jì)可節(jié)約煤氣5×106m3。

[1] 蘇云卓. 改善高線加熱爐加熱質(zhì)量的技術(shù)措施[J].鋼鐵技術(shù),2014, 43(6)：48- 50.

[2] 仇芝蓉. 我國(guó)鋼鐵企業(yè)余熱資源的回收與利用[J].冶金叢刊,2010, 190(6)：47- 50.

[3] 孫延剛，仵陽(yáng).步進(jìn)式加熱爐節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用[J].工業(yè)爐,2011,33(5)：38- 40.

[4] 楊興，李川.蓄熱式加熱爐燃燒系統(tǒng)的技術(shù)改造[J].工業(yè)爐,2014,36(3)：60- 63.

[5] 張?zhí)祉?馬世偉,沈跳,等. 軋鋼加熱爐燃燒工況在線測(cè)控系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(10)：3367- 3369.

[6] 李俊華.軋鋼火焰爐節(jié)能技術(shù)綜合分析與研究[J]. 工業(yè)加熱,2014, 43(6)：59- 61.

[7] 陳冠軍.簡(jiǎn)談軋鋼加熱爐問(wèn)題及節(jié)能[J]. 冶金能源,2008, 27(6)：32- 35.

[8] 趙立英,廖應(yīng)峰.高溫紅外輻射涂料的研制及其節(jié)能效果[J]. 工業(yè)加熱,2013, 42(4)：25- 28.

[9] 蔡喬方.加熱爐[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2012.