淺析鋼管熱處理爐的熱工影響因素

袁緒堯 王海杰 李振

【摘? 要】論文從定性方面和數值模擬方面分析了熱處理爐熱工工況的影響因素，以在保證鋼管加熱質量的前提下，實現提高產量的主要目標，同時，降低燃耗、減少氧化燒損。論文對生產節拍和爐溫制度進行了離線優化計算，求得的優化加熱制度為在線控制提供了依據。對原有熱處理爐加熱制度進行了優化，達到提高鋼管加熱質量和提高熱處理爐生產率的目的。

【Abstract】This paper analyzes the influence factors of thermal conditions of heat treatment furnace from qualitative and numerical simulation aspects， so as to achieve the main goal of improving the production while ensuring the heating quality of the steel tube， and at the same time， reduce the fuel consumption and reduce the oxidation loss. The paper carries out an offline optimization calculation on the production cycle and furnace temperature system， and the obtained optimized heating system provides a basis for online control. The heating system of the original heat treatment furnace was optimized to achieve the purpose of improving the heating quality of steel pipes and increasing the productivity of the heat treatment furnace.

【關鍵詞】數值模擬;加熱速度;熱工工況;生產節拍;爐溫制度

【Keywords】numerical simulation; heating rate; thermal conditions; production cycle; furnace temperature system

【中圖分類號】TG162.84? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）05-0191-02

1 引言

魯寶公司使用淬火爐和回火爐配合水淬火機調質熱處理鋼管，兩臺爐子的熱工工況對產品質量和產量至關重要。下文對熱工工況進行分析，找到不足之處并優化之，以達到提高產量、提升品質、降低燃耗和減少燒損的目的。

2 影響爐子生產率的因素

單位時間內所加熱出來的溫度達到規定要求的鋼管產量是爐子生產率，影響爐子生產率的因素如下。

2.1 燃燒條件對供熱強度的影響

增大熱負荷后，爐溫提高，傳熱的能力增強，產量提高。特別是對熱負荷低的爐子而言，提高供熱強度效果明顯，對于熱負荷已經較高的爐子，繼續提高則增產的效果不明顯。相反，供熱強度繼續增加，還會造成燃料浪費，氧化燒損增加，爐體加速損壞，所以爐子熱負荷應該在一個合理的區間。熱負荷提高的一個重要的條件是必須保證燃料完全燃燒，因此，要改進和完善燃燒裝置。

2.2 爐型結構對熱工因素的影響

爐子形式，爐體構造、尺寸、材料等，都屬于爐型結構方面的因素。爐型結構對生產率影響大，提高生產率可以從以下方面考慮：①采用新爐型：加熱爐的發展趨勢是適用性強、分區加熱、連續生產、自動化方面的發展。②改造舊爐型：對舊爐型改造，必要時重建。③擴大爐膛，增加爐底強度;改進爐型尺寸，使之更加優化。例如，一些采用通用設計的爐子，與具體生產需求差別很大，有的爐膛高度過大，造成金屬表面溫度低，有的過低，氣層厚度薄，熱容量小，爐墻傳熱的中間作用降低，這些都不是有利于傳熱的因素，是減少爐子熱損失的改進途徑。

2.3 鋼料入爐的影響

鋼料入爐溫度對爐子生產率具有很大影響。爐料入爐溫度高，加熱所需熱量越少，加熱時間越短，爐子生產率也就越高，因此，提高入爐鋼溫很重要，可以在入爐前對鋼坯進行預熱。

2.4 工藝條件的影響

熱處理工藝多半要求嚴格的升溫速度與冷卻速度，不要求高溫快速加熱。此外，為了相變的要求，常常需要保溫時間，所以熱處理爐生產率都比較低。

3 熱負荷對爐子的影響

增加熱負荷，可以提高爐子的生產率，但應該有一個合理的范圍值。以利用淬火爐數學模型驗證工況條件為基礎，相對增加爐子熱負荷，進行數值分析。

3.1 爐膛溫度水平與熱負荷

在不改變生產率的前提下，提高爐子熱負荷會增加爐膛整體溫度。“一低三高”理論中指出，提高爐溫主要通過增加供熱負荷來實現，還可以提高燃料的發熱值，提高助燃空氣的含氧量、提高空氣和燃氣的溫度，從而提高燃燒溫度和爐子溫度。增加傳熱量，由此提高爐子的產量，實現高溫慢加熱。

數值分析中，分別將熱負荷增加5%和10%，模擬計算結果整體上爐膛溫度水平提高了3%～5%;鋼管的表面溫度變化情況顯示鋼管出爐溫度提高了10～30℃;鋼管熱流出現了負值，說明鋼管在爐膛內不吸熱，反而放熱。波動是由于鋼管正處在加熱段與均熱段之間的空間，爐氣的氣層厚度變化所致。熱負荷的增加，對爐膛內流場并沒有很大影響。

在爐膛內輻射換熱占主要方式，每一根鋼管表面凈熱流可反映為對流換熱量和輻射換熱量的變化曲線。增加熱負荷情況下，2種換熱量的變化如下：在熱負荷增加5%情況下，對流換熱的增量相對輻射換熱的增量較明顯，但兩者幅度不大;在熱負荷增加10%情況下，由于整體爐膛溫度水平的提高，輻射換熱的增量顯著比對流換熱大，甚至最后出現鋼管向爐膛傳熱的情況。

增加熱負荷提高爐膛溫度水平從而提高加熱質量，但同時也增加了燃料的耗費，在提高爐子工作效率方面，它們是矛盾的，在合理的成本范圍內，爐膛溫度水平與熱負荷可以有最佳搭配，通過模擬計算，對于淬火爐可以選擇熱負荷增加5%左右，這是較為合理的。

3.2 生產節奏與熱負荷

在滿足金屬熱處理工藝溫度要求的前提下，提高熱處理爐熱負荷必然會增加加熱爐的產量，生產節奏是表征加熱爐產量的指標。表1列示了以模擬計算工況為比較情況下，當熱負荷增加5%和10%這2種情況下的爐子生產率。

通過比較可以看到，生產率隨熱負荷增加而增加，但增加量并不大。生產率不是單純地隨著某一個參量而變化。因此，綜合考慮對爐體生產率影響的因素，才能有效地、大幅度地提高其加熱效率。同時，改變生產節奏又要受到整個工藝生產線系統的制約，如果其他配套工序不能協調工作，提高生產節奏也是不可行的。

4 爐型的改進

對爐型結構的合理性研究多數是在已經使用的爐子上進行的。通過對爐型結構的診斷分析，可以使人們對爐子工作情況有較清晰的認識，進而對爐子進行更有效的控制。但是，無論是實驗測定結果還是數學模型分析結果，對于研究分析結果的運用，都是需要很大的經濟耗費，因此，對于淬火爐爐型結構的數值分析是一種建議性的，具有指導性的。

4.1 爐體結構熱損失

通過爐體散熱和冷卻水散熱，是主要的散熱方式，這不但造成浪費熱能，而且降低了爐溫，影響鋼料加熱。減少這方面的熱損失，可以提高爐子產量，也可以減少單耗。

通過對爐體測試，該淬火爐爐底水封帶走的熱量占全部熱負荷的15.3%。而一般爐子全部爐體熱損失僅占1/4～1/3，可見該爐子冷卻水帶走的熱量較大。顯而易見，減少爐體熱損失是提高爐子生產率的一項有效可行的工作。減少爐體的熱損失后，模擬計算后，爐膛內溫度水平有明顯的提高（見圖1）。

4.2 爐膛高度與爐氣溫度

確定爐膛高度，其應滿足以下要求：①滿足有足夠的燃燒空間的要求。各種燃料在不同的燒嘴和燃燒條件下燃燒所需的燃燒空間大小不同，爐膛空間應保證燃料的完全燃燒。②爐氣要合理地充滿爐膛。若爐膛過高，爐氣就不能充滿。這樣爐氣上浮在爐頂處，在爐氣與被加熱鋼管之間形成低溫層，也可能在爐氣靠近鋼管表面和爐頂之間存在低溫冷氣層。這2種情況均會影響鋼管加熱，爐膛愈高也越嚴重。③增加爐襯對鋼管的輻射傳熱，可通過改善爐襯的吸收率和輻射率方面提高熱輻射。

在以上影響因素中，保證燃料充分燃燒和爐氣充滿度優良是重要因素，必須滿足要求。爐膛高度在爐膛各區段也不同，目前各段高度一般是根據經驗數據估算的，計算機的模擬對確定爐膛高度也很重要，是未來研究的方向。

4.3 提高爐子熱效率的其他策略

鋼管的入爐溫度對爐子生產率具有重要影響。鋼管入爐溫度越高，加熱時間也將減少，爐子生產率越高。通過測試，淬火爐煙氣出爐溫度在980℃左右，充分利用煙氣的余熱，可有效提高爐子熱效率。“空氣熱回收裝置”在生產中運用，就是很好地利用了煙氣余熱的例子。改進燃燒裝置，選擇燃盡比高的燒嘴也非常重要。近年來，對分段燃燒的新方法進行了不斷開發，不僅可以減少氧化氮的生成量（減少70%），而且可以使燃盡比更高，溫度也更加均勻。

5 實施效果

綜上所述，采取措施后，淬火爐和回火爐的生產情況趨于穩定，減少了人為控制中不穩定因素的干擾，出爐溫度的穩定性提高。另外，本項目采用數學模型對加熱制度進行優化，提高了鋼管的生產率，通過實施爐溫優化設定、出爐溫度反饋控制等策略，達到了節能降耗的控制目標。通過采用優化后的生產節拍和爐溫制度，根據生產初步統計，鋼管生產率提高約8%，單耗降低約6%。

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