軋鋼加熱爐節能理論及提效方案的規劃與評價

魏澤華

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101）

節能率是判定軋鋼加熱爐熱損失多少的一項關鍵指標，本文采用比對分析優化前后的兩種提效方案的方法，對軋鋼加熱爐生產工藝流程的優化效果展開論述，旨在驗證節能理論的確鑿性，以及提效方案的實際應用價值。

1 軋鋼加熱爐能效數學模型構建

1.1 軋鋼加熱爐的基本構造與工作原理

近年來，社會各領域對鋼材的需求量與日俱增，在這一背景之下，鋼鐵企業的產能也不斷提升，而軋鋼加熱爐節能效果的關注熱度也不斷升溫。據統計數據表明，軋鋼加熱爐的能源消耗量占鋼鐵生產總能耗的10%～20%，因此，廣大技術人員應當根據軋鋼加熱爐的基本構造與工作原理，制定一個針對性強、節能效果顯著的節能提效方案，進而將能源消耗量降到最低點。軋鋼加熱爐的基本構造如圖1 所示。

圖1 軋鋼加熱爐的基本構造

由圖1 可以看出，在軋鋼生產過程中，鋼坯從左側進料端裝入，然后在步進機構的傳輸作用下，使鋼坯產生移動，移動區間經過了預熱段、加熱段與均熱段，經過加熱以后的鋼坯從右側出料端排出。鋼坯從進口到出口這段時間，加熱源主要以燒嘴噴出的燃氣與高溫煙氣為主，在三個加熱區間產生的多余煙氣將從左側的煙道排出，從軋鋼加熱爐的工作原理可以看出，整個軋鋼過程的熱損失工序主要集中在三個加熱區間[1]。

1.2 軋鋼加熱爐能效數學模型的構建分析

軋鋼加熱爐的節能理論主要應用物理學科中的熱力學定律，然后創建加熱爐的質量守恒、熱平衡以及平衡方程。首先將燃氣、空氣、煙氣等氣體看作理想氣體，外界環境條件為T0=303.15 K（t0=30 ℃），p0=101.325 kPa。加熱爐內各物質的動能與勢能忽略不計，鼓風機、步進機構所消耗的電能忽略不計，則質量守恒方程為：

方程中：min為軋鋼加熱爐輸入的質量流；mout為加熱爐輸出的質量流。

由此可以得出熱平衡方程為：

方程中：Qin為熱量輸出量；Quse為有效利用的熱量，也可以理解為鋼坯增加的物理熱；Qloss為未被有效利用的熱量；Qout為其他輸入物質流的物理熱；Qd為熱損失。

方程中：Eloss為加熱爐未被有效利用的；Eout為除了成品鋼坯以外，其他輸出物質流的物理以及輸出物質流中的氣態物質的擴散；Ed為加熱爐的各項耗散。

2 軋鋼加熱爐提效方案的實際應用案例

2.1 軋鋼加熱爐的生產工藝參數

以某鋼鐵企業中的軋鋼加熱爐的實際生產流程為例，對減少加熱爐熱損失所采取的有效措施進行闡述。該加熱爐的燃料為高爐煤氣，進料端鋼坯是經過自然冷卻的冷坯料，爐體外部裝有汽化冷卻裝置，其中高爐煤氣消耗量為38 000 m3/h、煤氣發熱量為3 262.8 kJ/m3、燃料預熱溫度為200 ℃、空氣預熱溫度為300 ℃、過量空氣系數為1.2、鋼坯入爐溫度為30 ℃、鋼坯出爐溫度為1 200 ℃、燒損率為1%、出爐煙氣溫度為600 ℃、鋼坯產量為106.59 t/h。當確定加熱爐的各項參數后，技術人員需要確定加熱爐熱量輸入項、輸出項與輸入項、輸出項。

其中，熱量輸入項包括燃料熱量、燃料物理熱、空氣物理熱以及鋼坯氧化放熱；熱量輸出項包括鋼坯加熱時需要的熱量、煙氣出爐時攜帶的熱量、汽化冷卻裝置中的蒸汽所攜帶的熱量、廢鋼攜帶的熱量以及其他原因產生的熱損失。根據熱平衡方程可以計算出燃料化學熱為1.27×106kJ/t、燃料物理熱為1.11×105kJ/t、空氣物理熱為1.17×105kJ/t、鋼坯氧化化學熱為5.70×104kJ/t，熱量輸出項中的鋼坯物理熱為7.68×105kJ/t、煙氣物理熱為5.80×105kJ/t、蒸汽物理熱為6.90×104kJ/t、廢鋼物理熱為1.00×104kJ/t、爐體熱損失為1.28×105kJ/t。

2.2 軋鋼加熱爐的節能措施

通過對軋鋼加熱爐各項熱量損失數據進行分析，技術人員分別從管理與技術角度出發，根據加熱爐節能理論制定了一套節能提效方案，在該方案當中，在管理層面采取了工序匹配法，在技術層面采用了余熱回收技術[2]。

2.2.1 工序匹配法

為了提高產能，鋼鐵企業在軋鋼生產當中，常常使用多臺加熱爐為軋鋼生產工序提供動力能源，但是，這種生產模式也存在弊端，如果前一塊板坯的軋制工序未完成，即使下一塊板坯已經完成加熱工序，也無法進入到爐體當中，這種工序不匹配的格局，無形當中增加了加熱爐的熱損失。同理，對于相鄰的兩塊坯料來說，后入爐坯料在先入爐坯料未完成加熱工序后，該坯料也無法出爐，這都會產生熱量浪費現象。因此，結合該鋼鐵企業軋鋼加熱爐的生產流程，對生產工藝進行優化和調整，使用4 臺軋鋼加熱爐搭配1套軋制機組，進而使坯料入爐與出爐工序相互匹配。比如，加熱鋼坯的數量為80 塊，每一塊鋼坯的規格尺寸各不相同，加熱時間介于190～230 min 之間，軋制時間介于1～3 min 之間。通過人工調度的方法，該批次鋼坯的加熱總時間為387 min，通過應用工序匹配的方法，該批次鋼坯的加熱總時間縮短了29 min，據此可以計算出加熱爐的節能率約為7.7%。

2.2.2 余熱回收技術

在該案例當中，出爐煙氣的溫度為600 ℃，流量為57 600 m3/h，其余熱回收潛力巨大，因此，技術人員利用管式換熱器來提升燃氣與空氣的基準溫度，由原來的30 ℃分別提升至300 ℃和200 ℃。借助于熱平衡方程可以計算出燃氣與空氣在傳熱過程中產生的熱損失，其中，熱損失的多少與管式換熱器的材質有著直接關系。采用這種余熱回收技術以后，原有的煙氣溫度可以降到378 ℃，軋鋼加熱爐的熱效率提升至56.61%效率提升至43.73%，單位時間內消耗的燃料總量降至44.29 kg/t，由此可以計算出加熱爐的節能率約為14.7%。

3 結語

通過軋鋼加熱爐生產的案例分析可以看出，采用工序匹配法，加熱爐節能率達到7.7%，而如果采用余熱回收技術，加熱爐節能率能夠達到14.7%。因此，這兩種節能措施的運用，不僅可以有效減少加熱爐的熱量損失，同時也能夠為鋼鐵企業節省大量的燃料能源，這對企業經濟效益的持續穩步增長具有重要的現實意義。