組合式節(jié)能技術在承鋼板帶事業(yè)部1780生產線3#加熱爐應用方案

杜奎林

（河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067000）

1 項目概況

“多晶莫來石纖維與輻射原件組合式節(jié)能技術”是將保溫與強化輻射相結合的技術，本次節(jié)能技術改造將單獨強化輻射弊端進行的完善。在原由的基礎上提高節(jié)能率3%。1780生產線3號加熱爐燃耗較高，出坯距離至軋機較遠，爐溫控制高等特點。由于加熱爐燃氣消耗影響因素諸多，為了避免各種因素影響，根據1780生產線兩用一備的特點，采用對比法進行節(jié)能率的認定。

1.1 加熱爐的傳熱過程

鋼坯的加熱溫度包括表面溫度、沿橫斷面上的溫度差及沿鋼坯長度方向上的溫度差。鋼坯在爐內的最終加熱溫度是考慮了軋制工藝、軋機及加熱爐的結構特點等實際情況后制定的。加熱到規(guī)定溫度所需時間，取決于鋼坯的尺寸、鋼種、加熱制度及一些其它條件。

鋼坯在爐內以對流方式和輻射方式得到熱量，前者是爐氣對流沖刷鋼坯表面；后者是爐氣和熾熱的爐襯輻射熱。加熱爐沿長度方向上分三段控制：即預加熱段、加熱段和均熱段。鋼坯進入預熱段，熱流逐漸增大，鋼坯到二加熱段，熱流基本保持不變，鋼坯到均熱段，熱流逐漸減小。鋼坯在均熱段內，鋼坯表面溫度基本保持不變，而斷面溫差逐步縮小，鋼坯表面得到的熱量以熱傳導的方式向內部擴散。傳給鋼坯表面的熱流越小、受熱面積越大、鋼坯的斷面尺寸越小、鋼的導熱率越大，斷面溫差就越小。

1.2 輻射傳熱原理

物體間的輻射換熱與物體表面的幾何形狀、大小及相對位置有關（見圖1），角系數是反映這些幾何因素對輻射換熱影響的重要參數。

輻射換熱時，一個表面發(fā)射的能量中能直接到達另一表面的份額。表面1對表面2的角系數是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1輻射能量的百分比。

圖1 輻射傳熱

Q1-＞2表面1直接投射到表面2上的能量；

Q1表面1輻射的總能量；

按角系數的基本定義通過求解多重積分而獲得角系數。

角系數計算：

對圖示的兩個有限大小的面積F1、F2，有：

對于空腔內的物體與空腔內壁之間的輻射換熱（見圖2），由于空腔內物體的全部熱輻射都投射到空腔內壁上，其角系數為1，因此，空腔內的物體與空腔內壁之間的輻射換熱可以用下面的公式表示。

F1——物體1的外表面面積；

F2——物體2的空腔內表面積；

ε1, ε2——物體1和物體2的黑度。

圖2 空腔內的物體輻射傳熱

1.3 加熱爐輻射傳熱分析

分析加熱爐內壁中央部位小面積爐壁到工件的輻射換熱時，也可以近似地認為該小面積爐壁對工件的角系數為1，如圖3所示。

圖3 加熱爐內壁輻射傳熱

因此，該小面積爐墻與工件之間的換熱為：

由上式可以看出，爐墻與工件之間的換熱量與爐墻的黑度系數、面積成正比。

1.4 強化均衡輻射傳熱節(jié)能技術的工程實現

1.4.1 高效熱輻射體

強化均衡輻射傳熱節(jié)能技術是利用在爐內壁上加裝一系列的高效熱輻射體來實現的，其形狀如圖4所示：

圖4 高效熱輻射體

由于輻射體的外表面積遠遠大于其安裝底座遮擋的爐壁面積，因此，安裝輻射體后，爐墻和其形成更大的熱輻射面，并且，大部分熱輻射可以到達工件。使得爐墻整體的熱輻射得以強化。

同時，高效熱輻射體選用特制的高黑度系數材料，其表面的熱輻射率遠遠高于爐墻內壁，因此，加裝高效熱輻射體后的爐內壁在輻射面積和熱輻射率上均大幅度提升。

1.4.2 加熱爐溫度場分布

在強化爐壁熱輻射的同時，可以通過科學合理地布置高效熱輻射體，改善爐壁傳熱的均衡性，避免工件過熱現象，減少氧化燒損。為此，在設計改造方案時，首先利用計算流體力學軟件FLUENT，對加熱爐內燃燒、傳熱和煙氣流動狀況進行分析計算，給出初步方案，根據元件布置的初步方案，經過多次方案的校核計算、輻射體布局調整優(yōu)化，得到其布置的最終優(yōu)化布置方案。

2 加熱爐的應用方法

2.1 全爐內壁貼裝多晶纖維保溫層

在均熱段、加熱二段爐頂及側墻1.5米以上部分貼裝1600多晶莫來石纖維模塊；加熱一段、預熱段爐頂及側墻下燒嘴燒嘴磚上部貼裝1400多晶莫來石纖維模塊。

多晶莫來石纖維模塊厚度均為50mm。

圖5 多晶莫來石纖維模塊

2.2 對多晶纖維保溫層進行固裝

首先對加熱爐側墻及爐頂貼裝多晶莫來石纖維部分，進行表面清理，以確保纖維模塊與爐襯緊密貼合，之后采用專用高溫粘結劑將纖維模塊均勻貼裝在加熱爐側墻下燒嘴以上部分和爐頂，形成完整的加熱爐保溫層。

2.3 輻射體布置方案

1780生產線軋鋼加熱爐采用混裝，其熱裝率在70%以上，因此加熱爐預熱段爐頂、側墻以及加熱爐加熱一段、二段、均熱段側墻1.5m以上部分，安裝高效熱輻射體。

加熱爐爐頂部分，加熱一段按照45個/m2進行布裝；加熱二段按照50個/m2進行布裝；均熱段按照55個/m2進行布裝。在燃燒器周邊50公分外進行輻射體安裝，安裝以放射狀進行分布。

加熱爐側墻，預熱段按照45個/m2、加熱一、二及均熱段按照50個/m進行布裝。

2.4 輻射體的固定方式

強化均衡輻射輻射體重量：120g/個；

爐墻上設置安裝小孔Ф10×80mm，用特制耐高溫螺釘進行安裝，確保多晶纖維保溫層及高效熱輻射體與爐襯連接牢固。

2.5 高效熱輻射元件優(yōu)化布局圖

側壁（爐墻）輻射體布置，如圖6所示，其布置數量可根據加熱爐實際狀況進行適當調整（圖示元件數量為兩面?zhèn)葔υ倲担?/p>

圖6 側壁（爐墻）輻射體布置圖

頂部布置，如圖7所示，布置數量可根據加熱爐實際爐況進行適當調整。

圖7 頂部輻射體布置圖

3 加熱爐應用性質

3.1 科學性

根據傳熱學輻射傳熱原理，結合流體力學、材料科學開發(fā)的高效熱輻射體及科學合理的安裝布局，開創(chuàng)了加熱爐在高溫區(qū)域節(jié)能減排的先河。

3.2 實用性

項目設計充分滿足用戶的需求，實現功能上實用、穩(wěn)定、可靠。

3.3 先進性

①首次將保溫與強化輻射節(jié)能技術在軋鋼加熱爐上完美的結合與應用。②工程設計應用強化均衡輻射傳熱節(jié)能技術生產的高效熱輻射體采用先進工藝，科學合理的布局，從而保證了整體節(jié)能系統的先進性。

3.4 安全性

工程設計采用成熟、可靠、優(yōu)質的保溫材料和高效熱輻射體和設備，能夠適應現場環(huán)境條件和外界干擾，確保項目的安全穩(wěn)定運行。本節(jié)能改造不改變爐窯結構，而且高效熱輻射體不是熱源，所以施工安全性強。

3.5 可靠性

可靠性是本項目設計的基本準則。項目設計滿足使用環(huán)境條件的要求，能長期穩(wěn)定可靠地運行；構成項目改造的各項資源包括材料、器件、設備等均采用國內外優(yōu)質產品，具有極高的安全性、可靠性。

3.6 經濟性

項目工程在實現先進性的基礎上，同時做到安裝布局的優(yōu)化設計、合理配置、精心安排，使有限的資源發(fā)揮最大的效用，保證改造工程在投產后獲得最佳的節(jié)能效果，使項目整個運行生命周期獲得最佳的節(jié)能效益。