輥底式熱處理爐節(jié)能技術(shù)進(jìn)展

前 言

軋鋼廠中輥底式熱處理爐的用途很廣，既可用于棒線材、管材，也可用于板材的退火、正火、高溫回火及淬火等熱處理工藝。國(guó)內(nèi)輥底式熱處理爐多數(shù)是明火加熱，現(xiàn)代化軋鋼廠生產(chǎn)的成品在熱處理過程中不允許氧化和脫碳，必須在可控氣氛下進(jìn)行，因此目前采用輻射管間接加熱的輥底爐逐漸增多。然而輥底式熱處理爐整體熱效率較低，在當(dāng)前能源日益緊張的情況下，如何挖掘輥底式熱處理爐的節(jié)能潛力。提高其熱效率，減少單位能耗則變得日益迫切。

目前輥底式熱處理爐的燃燒裝置、爐輥、耐材以及控制等方面的研究及應(yīng)用都有了相應(yīng)進(jìn)展，諸多技術(shù)對(duì)于輥底爐的節(jié)能環(huán)保都有重要的意義，值得推廣應(yīng)用。

燃燒裝置

燃燒器是輥底式熱處理爐的核心裝置，當(dāng)前在輥底式熱處理爐中使用較多的是自身預(yù)熱式燃燒器，即將燒嘴、空氣預(yù)熱器和排煙裝置結(jié)合為一體的燃燒裝置，其能夠在排出煙氣的同時(shí)預(yù)熱燃燒空氣，同時(shí)避免集中排煙所造成的爐內(nèi)氣流和溫度的不均勻。然而當(dāng)前各生產(chǎn)廠家和工業(yè)爐公司所采用的大多為翅片式換熱裝置，受限于換熱面積及傳熱系數(shù)的影響，目前排煙溫度較高，通常達(dá)到500X2-600E，換熱效率較低，因此如何提高燃燒器自身的熱效率是研究的重要方向。

德國(guó)ws公司提出采用管式換熱裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)外翅片管換熱，如下圖所示，其中煤氣從中間噴口噴出，而空氣則從多個(gè)預(yù)熱噴管內(nèi)進(jìn)入爐內(nèi)，燃燒高溫?zé)煔鈩t從環(huán)狀縫隙抽出，從而使每個(gè)空氣管都處于高溫?zé)煔獾陌鼑?，換熱面積大為增強(qiáng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三維立體熱交換，每組管束內(nèi)外溫差都相同。而傳統(tǒng)翅片管雖然有翅片的存在，但仍然難以獲得滿意的傳熱面積和傳熱系數(shù)，因此換熱效果較差。據(jù)報(bào)道，采用該新型換熱器的自身預(yù)熱燒嘴其煙氣排放所帶走的熱量相對(duì)于傳統(tǒng)翅片式下降了約50%。

圖1德國(guó)ws公司新型自身預(yù)熱燒嘴

隨著高溫燃燒技術(shù)的進(jìn)展，蓄熱式燃燒器也逐漸用于輥底式熱處理爐中。日本NKK公司福山廠于2000年5月起采用u型蓄熱式輻射管燒嘴。該燒嘴蓄熱體采用緊湊的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)，可高效率地進(jìn)行熱回收。過去，該爐的預(yù)熱空氣溫度最高為600K左右，但采用蓄熱式輻射管燒嘴后，可以得到與爐溫同樣水平的預(yù)熱空氣溫度，最高達(dá)到1100K左右。國(guó)內(nèi)神霧公司將高溫空氣燃燒技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨椛涔苋紵骷訜嵫b置，已研制出w型和u型蓄熱式(HTA c)燃?xì)廨椛涔苋紵鞑⒔?jīng)不斷實(shí)驗(yàn)改進(jìn)推出了定型產(chǎn)品。

圖2日本NKK公司蓄熱式輻射管

近期德國(guó)ws公司開發(fā)出一款單端蓄熱式燒嘴，可用于明火加熱或者輻射管加熱，其管型包括直管、P型管和1t2P型管。該蓄熱式燒嘴不僅預(yù)熱效率高，且在工作狀態(tài)時(shí)采用所謂無焰燃燒方式，避免了局部高溫并降低了NOX排放，起到了節(jié)能和環(huán)保的雙重效果。

圖3WS公司蓄熱式燒嘴及在輻射管內(nèi)燃燒狀態(tài)

新型爐輥

輥底爐的另一重要裝備則是用于輸送被加熱鋼材的爐輥。輥底爐爐輥可分為耐高溫空腹?fàn)t輥和水冷爐輥，通常在低溫場(chǎng)合采用空腹?fàn)t輥，而高溫場(chǎng)合則采用水冷爐輥。過去國(guó)內(nèi)很多廠家選用的爐底輥大多采水冷型，

冷卻水帶走的熱量占總熱量的30%，熱損失太大了，且水冷系統(tǒng)復(fù)雜，也消耗大量水資源。因此諸多爐溫低于1100℃的輥底式熱處理爐大多使用耐熱鋼空腹?fàn)t輥，其在保證熱強(qiáng)度和使用壽命的前提下減輕自重，其輥筒端部斷面向軸承方向漸次縮小，同時(shí)為減少輥筒內(nèi)高溫輻射，輥內(nèi)兩端充填硅酸鋁耐火纖維棉，從而減少傳至軸承的熱量。德國(guó)BUTTING公司最新的成果表明其采用施密特·克萊門斯特殊鋼廠的一種稱作所謂Centralloy60 HT的材料制成的空腹?fàn)t輥?zhàn)罡呤褂脺囟瓤蛇_(dá)到1250℃，能夠大大降低在高溫輥底爐中的能耗和冷卻水用量，但目前國(guó)內(nèi)未見有報(bào)道應(yīng)用。

圖4 BUTTING HeRo高溫空腹?fàn)t輥

脈沖燃燒控制技術(shù)

輥底式熱處理爐由于其處理鋼種規(guī)格變化較大，且處理工藝溫度和時(shí)間也會(huì)隨鋼種規(guī)格而調(diào)整，因此處理不同鋼種規(guī)格或工藝變化時(shí)能夠靈活調(diào)整爐溫則是輥底爐提高熱處理質(zhì)量和節(jié)能降耗的重要指標(biāo)。隨著數(shù)字化脈沖燃燒控制技術(shù)的出現(xiàn)，輥底爐可以實(shí)現(xiàn)彈性分區(qū)和分段以適應(yīng)不同熱處理制度的控制要求，并滿足多品種所要求的溫度制度調(diào)整的靈活性。

脈沖燃燒技術(shù)極大縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，從本質(zhì)上克服了傳統(tǒng)燃燒方式滯后的缺點(diǎn)。在每一個(gè)脈沖燃燒時(shí)間內(nèi)，燒嘴都在額定狀態(tài)工作，燃料流量恒定，火焰長(zhǎng)度不變，加熱效果明顯提高，實(shí)現(xiàn)了低產(chǎn)量時(shí)的溫度均勻性。保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。脈沖燃燒方式，充分實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的靈活性，爐體由若干爐段組成，每段有若干個(gè)燒嘴，每一對(duì)燒嘴完壘獨(dú)立，一對(duì)或幾對(duì)燒嘴作為一個(gè)控制區(qū)，控制系統(tǒng)或操作人員可以任意關(guān)閉一對(duì)或多對(duì)燒嘴，燒嘴的靈活組合實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)的動(dòng)態(tài)分段。脈沖技術(shù)大大提高了燃燒控制的精度，作為數(shù)字量的時(shí)間信號(hào)相對(duì)模擬量的流量信號(hào)，控制起來更準(zhǔn)確，每一對(duì)燒嘴的獨(dú)立控制和溫度的獨(dú)立檢測(cè)，將坯料的溫度曲線細(xì)化到更多控制區(qū)間，控制精度明顯提高，控制系統(tǒng)和操作人員可以準(zhǔn)確知道并方便實(shí)施對(duì)鋼坯何時(shí)何處加熱及加熱多少，提高了加熱質(zhì)量和溫度均勻性，使?fàn)t子的性能和產(chǎn)品質(zhì)量不受外部條件的影響而變化。

節(jié)能爐襯

輥底式熱處理爐內(nèi)溫度較高，其中80%的傳熱量需要依靠輻射傳熱方式，因此提高爐襯黑度以強(qiáng)化輻射傳熱對(duì)于提高加熱爐產(chǎn)量以及節(jié)能具有重要的意義。同時(shí)大多數(shù)耐火材料其密魔和熱容都比較高，這不利于爐子快速加熱和冷卻，為了降低爐子熱情性，采用耐火纖維等輕型爐襯具有重要的節(jié)能作用。

由于耐火纖維的黑度隨著爐溫升高而下降，因此通常采用高發(fā)射率涂料與輕型耐火纖維相復(fù)合。高發(fā)射率涂料不僅能夠強(qiáng)化傳熱，起到節(jié)能作用，同時(shí)能明顯改善耐火纖維的疏松、易粉化、脫落現(xiàn)象，耐火纖維上噴涂高發(fā)射率涂料后，強(qiáng)度及耐火度可大幅度提高，收縮率降低，壽命延長(zhǎng)。因此高黑度復(fù)合輕型爐襯在輥底式熱處理爐內(nèi)取得了較好的節(jié)能和強(qiáng)化傳熱效果。

總結(jié)與展望

當(dāng)前我國(guó)能源的緊張與短缺已成定局，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。節(jié)能是中國(guó)能源戰(zhàn)略和政策的核心，解決能源和資源問題，最根本的還是要靠科技進(jìn)步。而工業(yè)爐的節(jié)能，應(yīng)當(dāng)抓技術(shù)創(chuàng)新，尋找，探索新的節(jié)能機(jī)理和途徑，走科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少的可持續(xù)發(fā)展道路。因此開發(fā)新型節(jié)能裝備和材料以及控制技術(shù)是工業(yè)爐企業(yè)技術(shù)進(jìn)步的迫切需要。也是鋼鐵企業(yè)自身的需求。