高速煙氣環流技術在輥底式熱處理爐上的應用

楊小兵，江 華

(北京京誠鳳凰工業爐工程技術有限公司，北京 100176)

鋼鐵行業是工業領域的耗能大戶，也是我國高效節能降耗潛力最大的行業之一，其中各類鋼材輥底式熱處理爐的能耗尤為突出。目前國內外傳統的用于鋼板連續熱處理的輥底式爐均采用自身預熱燒嘴，燒嘴和換熱器為一體，由于受到狹窄空間的限制，換熱面積和效率不高。同時燒嘴為上下爐膛布置，使得燒嘴數量較多，管路復雜，相應建造成本較高。

本文的目的是通過仿真優化提出一種通過高速煙氣環流實現鋼板快速均勻加熱效果的新型輥底式熱處理爐工藝方案，并將該方案應有于實際工程，應用數據表明該方案具有獨特的節能效果，加熱均勻性和熱處理質量優異，為輥底式熱處理爐的方案設計和工藝優化提供了理論基礎和技術參考。

1 高速煙氣環流技術方案

1.1 具備獨立換熱器的自身預熱燒嘴

輥底式熱處理爐一般采用自身預熱燒嘴作為燃燒設備進行加熱，自身預熱燒嘴是一個把燒嘴， 換熱器和排煙系統有機地組合為一體的燃燒裝置[1]。目前明火加熱輥底式熱處理爐大多采用傳統自身預熱燒嘴作為供熱燃燒設備，如圖1所示。傳統自身預熱燒嘴的優點是結構緊湊，單個燒嘴占用空間較小，缺點則是由于結構空間的緊湊，換熱面積較小，導致換熱效率低，排煙溫度較高，不利于輥底爐的節能降耗，且爐膛上下部空間均需布置，燒嘴數量較多，連接管道復雜，也造成投資成本較高。

圖1 傳統自身預熱燒嘴

高速煙氣環流技術的核心設備為具備獨立換熱器的自身預熱燒嘴，如圖2所示。其工作原理是下部燒嘴通過燃燒產生高速煙氣噴入熱處理板坯的下方，在板坯寬度方向的另一端進入爐膛上部空間后，被抽吸進入獨立換熱器進行空煙換熱，預熱后的空氣進入燒嘴參與燃燒，而降溫后的煙氣直接排入煙管，從而實現整個燃燒和換熱循環。新型自身預熱燒嘴由于采用獨立換熱器，燒嘴位于板坯下方，換熱器位于板坯上部，因而換熱面積大幅增加，燒嘴數量大幅減少，管道系統也得以簡化，從而達到較好的節能環保效果和較低的投資成本。

圖2 新型自身預熱燒嘴

1.2 煙氣環流加熱仿真分析

為驗證高速煙氣環流技術方案的可行性，首先采用CFD仿真方法針對輥底式熱處理爐進行了局部加熱段流動及傳熱模擬，由于高速燃燒器反應迅速，從燃燒器噴口進入爐膛內時燃料在燃燒室內基本燃燒完畢，故此處只考慮爐內流動及傳熱，忽略燃燒室內燃燒過程，入口邊界給定煙氣流速160 m/s及溫度1 400 ℃，出口給定壓力出口-50 Pa，湍流模型采用k-ε雙方程模型，熱輻射采用DO離散傳輸模型。

對于熱處理爐內的三維湍流流動，可以把連續性方程、動量方程、能量方程等基本方程用式(1)表示[2]：

(1)

式中：φ為通用變量，在質量方程中φ=1，在動量方程中分別代表u、v、w，在k-ε湍流方程中代表k和ε，在能量方程中代表T。Γф為廣義擴散系數，Sф為廣義源項，對于質量方程，Γф=0，Sф=0。

鋼坯導熱方程，可以用式(2)表示：

(2)

式中：T為熱力學溫度，K；t為時間，s；k為材料的導熱系數，W/(m·K) ；ρ為材料密度，kg/m3；cp為材料定壓比熱容，J/(kg·K) ；q′為內熱源的熱流密度，W/m2。

如圖3所示，當燒嘴同側爐膛布置時，其燃燒煙氣能夠在爐膛內圍繞鋼坯形成環形流線，燃燒煙氣能夠順利從換熱器排出，燒嘴單元采用160 m/s的高速噴口，由于噴射速度極高，一部分爐氣被引入燒嘴出口處稀釋火焰溫度，除核心燃燒區域溫度較高外，其他區域爐膛上下方爐氣溫度基本一致，并未出現爐氣溫度差異過大的情況。

鋼坯截面溫度分布如圖3所示，采用煙氣高速環流進行加熱板坯，其對角線溫差最大，為繼續縮小溫差，

圖3 鋼坯溫度及煙氣環流流線分布

對方案進行優化，通過降低上部爐膛高度，同時縮小換熱器與板坯上表面間距，以加強板坯表面流速。研究發現經過優化后，煙氣流線更加貼近鋼坯表面進行循環加熱，鋼坯最大溫差大幅縮小到10 ℃左右，可以滿足工程實際需求。

1.3 溫度場均勻化方案

輥底式連續熱處理爐一般采用脈沖數字化燃燒控制技術，實現彈性分段以適應不同熱處理制度的控制要求，一般沿爐長方向采用較多分區，每個分區單獨控制爐溫，燒嘴采用脈沖控制器實現ON/OFF數字化燃燒控制，從而滿足多品種規格以及產量變化所要求的溫度制度調整的靈活性。

對于每一個自身預熱燒嘴而言，燒嘴與換熱器位于同一側，為了保證出料達到溫度均勻性要求，沿著爐長方向對燒嘴進行分段交錯布置，相鄰控制段燒嘴布置在爐膛另一側，有助于鋼板溫度更加均勻，燒嘴沿整個爐長的布置如圖4所示，相鄰爐鍛燒嘴交錯布置，爐氣圍繞板坯反向環流。即上一溫度控制段形成的溫差在下一溫度控制段內采用反向煙氣循環來予以消除；同時縮小上部爐膛高度，減小換熱器中心線與鋼板上表面的間距，煙氣流線更加貼近鋼板表面進行循環加熱，有利于縮小板坯截面溫差；燒嘴燃燒煙氣噴出速率的提升也有利于板坯加熱速率的提升，能夠縮短鋼板加熱時間，在相同爐長的情況下，能夠增加鋼板保溫時間，有利于鋼板溫度均勻性。

圖4 相鄰溫度控制段燒嘴交錯布置及爐內氣流方向

2 工程應用效果

某鋼廠熱處理生產線項目新建一套用于鋼板回火的熱處理線，主要用于鋼板的高溫回火、中溫回火處理。熱處理鋼板鋼種涵蓋容器鋼板、鍋爐板、造船鋼板、橋梁板、模具鋼、低合金高強度鋼板、高強度鋼板等，其熱處理工藝及鋼板規格如下。

(1)熱處理類型：

高溫回火(550～750 ℃)、中溫回火 (400～550 ℃)。

(2)熱處理鋼板尺寸：

厚度： 100～250 mm；

寬度：1 500～3 200 mm；

長度：3 000～15 000 mm。

(3)熱處理鋼板代表坯尺寸：200 mm×2 000 mm×8 000 mm。

項目建成投產后，通過爐溫跟蹤儀黑匣子現場測試，測溫設備為Datapaq Insight公司出品的溫度跟蹤儀 (黑匣子)，設備測量精度0.5%， 測溫熱電偶采用K型電偶， 偶絲直徑1.5 mm，測試板坯規格7 500 mm×2 400 mm×200 mm，測點位置及鉆孔深度如表1所示。

表1 測點位置及鉆孔深度

測試鋼板出爐溫度均勻性為±4.5℃以內，如圖5所示。項目投產后高低溫回火熱處理單耗均滿足要求，平均能耗降低20%，如表2所示。總體測試結果表明新型高速煙氣環流加熱技術在輥底式熱處理爐上的應用實現了低投入高產出和節能降耗的預期目標，產能、同板溫差等生產指標均超出預期，獲得滿意的效果。

圖5 爐溫跟蹤儀測試溫度曲線

表2 項目建成投產測試指標

3 結 論

高速煙氣環流技術通過燃燒器噴出的高速煙氣圍繞板坯實現高速循環流動，具備較強的快速加熱和溫度場均一特性，適用于輥底式熱處理爐工藝需求。

采用具備獨立換熱器的自身預熱燒嘴，換熱器與燒嘴分開布置，優化了空間設計，從而提高了燒嘴的換熱效率，減少了燒嘴的布置數量，達到了高效節能的效果。

工程應用采用分段交錯反向環流，相鄰控制段燒嘴反向布置，即上一溫度控制段形成的溫差在下一溫度控制段內采用反向煙氣高速環流來予以消除，有利于熱處理溫度均勻化。