CSP均熱爐爐體散熱探討

劉占增 宋中華 楊 超

(1.武漢科技大學(xué) 湖北 武漢：430081；2.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

CSP均熱爐是連鑄連軋短流程生產(chǎn)線必不可少的重要一環(huán)，它不但起到對坯料進(jìn)行補(bǔ)充加熱、均熱的作用，而且還起到調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏和儲(chǔ)料的功能。CSP均熱爐與傳統(tǒng)的步進(jìn)式加熱爐不一樣，CSP均熱爐爐體更長、散熱點(diǎn)更多，因此分析和研究CSP爐體的散熱情況，對減少CSP均熱爐的爐體散熱、提高CSP均熱爐的加熱效率具有非常重要的意義。

某廠CSP均熱爐經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)在爐體側(cè)墻有銀粉脫落現(xiàn)象(圖1)，部分地方爐側(cè)墻鋼板有鼓包現(xiàn)象，說明在爐側(cè)墻散熱上局部溫度過高，導(dǎo)致爐墻表面銀粉脫落。由于CSP爐體側(cè)墻散熱溫度高，不僅使現(xiàn)場操作人員的操作環(huán)境更加惡劣，而且容易對現(xiàn)場電氣柜等電氣裝置造成損害，給現(xiàn)場設(shè)備帶來了很大隱患。

圖1 CSP均熱爐側(cè)墻脫落的表皮

1 爐體散熱測試

某廠CSP均熱爐為A、B雙線輥底式均熱爐，其中A線為主線、B線為輔助線，本文對A線進(jìn)行了爐體散熱測試。CSP均熱爐A線分為A1～A10共10段。A1～A7段為CSP均熱爐的加熱區(qū)和緩沖區(qū)，是爐子內(nèi)板坯再加熱段。加熱區(qū)用于高溫鑄坯升溫補(bǔ)熱，其長度根據(jù)不同的板坯入爐條件自動(dòng)調(diào)整。緩沖區(qū)起緩沖及保溫作用，長度隨加熱區(qū)長度變化而相應(yīng)變動(dòng)。A8段為擺動(dòng)區(qū)，用于接收B線運(yùn)送來的板坯并輸送到保溫存儲(chǔ)區(qū)。A9、A10段為保溫存儲(chǔ)區(qū)，起保溫輸送作用，在后部工序故障時(shí)可以存儲(chǔ)板坯。

針對某廠的SCP生產(chǎn)線，使用紅外輻射高溫計(jì)和熱圖像儀對CSP均熱爐的爐體溫度進(jìn)行了測試。測試期間CSP均熱爐處于正常生產(chǎn)，A線生產(chǎn)鋼種為Q345B，板坯規(guī)格為40.78m×1032mm×54mm，重16705kg，入爐溫度為958℃，出爐溫度設(shè)定為1200±15℃。

根據(jù)A線A1～A10段每段長度及燃燒器分布適當(dāng)選擇測溫區(qū)，每個(gè)測溫區(qū)分別選擇三個(gè)測溫值。將紅外輻射高溫計(jì)設(shè)定為自動(dòng)記錄最高值，在測溫區(qū)內(nèi)不同位置連續(xù)測溫，將所測溫度值記錄為該區(qū)最高溫度值；將紅外輻射高溫計(jì)設(shè)定為自動(dòng)記錄最低值，在測溫區(qū)內(nèi)不同位置連續(xù)測溫，將所測溫度值記錄為該區(qū)最低溫度值；將紅外輻射高溫計(jì)設(shè)定為隨機(jī)測溫值，分別在不同位置測溫三次選取平均值，作為該區(qū)域平均溫度值。對CSP均熱爐爐側(cè)墻、爐底、爐頂進(jìn)行了表面溫度測量，CSP均熱爐爐體各部位平均散熱溫度見表1。圖2為CSP均熱爐爐體的表面溫度分布，從圖中可以看出，爐體各個(gè)部分溫度分布不均，最低只有50℃，最高達(dá)到了200℃(非燃燒器附近區(qū)域)；而從爐長方向來看，擺動(dòng)區(qū)(A8)、保溫存儲(chǔ)區(qū)(A9、A10)平均溫度較高，均在100℃以上。

表1 CSP爐體各部位表面平均散熱溫度

使用熱圖像儀對CSP均熱爐A線工作側(cè)爐墻散熱進(jìn)行了測試，除均熱爐工作側(cè)靠近儀表柜處無法測量外，其他地方按照每兩個(gè)燒嘴為一個(gè)測試單位進(jìn)行了測量，共測得熱圖像65張。圖3、圖4分別為CSP均熱爐工作側(cè)加熱區(qū)域A2段某部位爐墻熱圖像及對應(yīng)位置照片。從圖3中可以看出，CSP均熱爐側(cè)墻的散熱高溫點(diǎn)比較多(圖中熾白色區(qū)域)，高溫區(qū)域溫度約180℃，而一般CSP均熱爐的設(shè)計(jì)要求是爐體側(cè)墻表面溫度不高于100℃，顯然爐體側(cè)墻表面實(shí)際散熱溫度高于設(shè)計(jì)要求。

圖2 CSP均熱爐爐體表面溫度

圖3 CSP均熱爐A2區(qū)某部位熱圖像

圖4 圖3對應(yīng)的測試區(qū)域

2 爐體散熱計(jì)算

根據(jù)以上對CSP均熱爐爐體散熱溫度的測試，可以對爐體散熱量進(jìn)行簡單計(jì)算。已知某廠CSP均熱爐A線爐長為260.70m，爐體高度2.46m，爐頂寬度2.69m，爐底有效寬度3.73m，則可以計(jì)算得出CSP均熱爐爐頂、爐側(cè)墻、爐底的有效散熱面積。

表2 CSP均熱爐熱工參數(shù)

CSP均熱爐爐體表面散熱量Q：

其中，Q—爐體表面散熱量，MJ/t；

qi—均熱爐不同部位的熱流密度，MJ/m2；

Ai—均熱爐不同部位的散熱面積，m2；

GP—均熱爐小時(shí)產(chǎn)量，Gp=128.67t。

(1)爐頂表面散熱量。

αd·(tb-te)

其中，ε—黑度系數(shù)，取0.87；

tb—爐頂平均散熱溫度，℃；

te—環(huán)境溫度，取35℃；

αd—對流換熱系數(shù)，千卡/千克·℃。

(2)爐側(cè)墻表面散熱量。

(3)爐底表面散熱量。

由上述計(jì)算可以得到CSP均熱爐爐體表面散熱量Q：

已知某廠CSP均熱爐的熱量總支出為1982.42 MJ/t，因此爐體表面散熱量占總熱量支出的9.87%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)軋鋼均熱爐的爐體散熱所占比重(約5%)。

3 爐體用耐火材料

CSP均熱爐爐體用耐火材料性能對CSP均熱爐的爐體散熱溫度有重要影響。針對CSP均熱爐用耐火材料、纖維材料等進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測定試驗(yàn)，尋求爐體散熱溫度高的原因，以便減少爐體散熱。

對CSP均熱爐用耐火纖維的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測定，在500±20℃的溫度情況下，測得導(dǎo)熱系數(shù)為0.053W(m·K)，CSP輥底式均熱爐用耐火纖維導(dǎo)熱系數(shù)一般要求為0.08W(m·K)，實(shí)際測量的導(dǎo)熱系數(shù)小于技術(shù)要求，完全符合均熱爐的使用要求。對CSP均熱爐爐用澆筑料進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測定，在500±20℃的溫度情況下，測得導(dǎo)熱系數(shù)為0.29W(m·K)，CSP輥底式均熱爐澆筑料導(dǎo)熱系數(shù)一般要求為0.24W(m·K)，實(shí)際測量的導(dǎo)熱系數(shù)大于技術(shù)要求。

實(shí)際溫度測試情況很好的反應(yīng)了導(dǎo)熱系數(shù)的測試結(jié)果，實(shí)際溫度測試中使用耐火纖維模塊的地方溫度一般都比較低，比如活動(dòng)爐頂部位等；但是在澆筑料部位溫度較高，實(shí)際局部最高溫度達(dá)到了180℃。因此認(rèn)為，澆筑料導(dǎo)熱系數(shù)偏高是導(dǎo)致爐墻散熱溫度高的原因之一。

4 爐體結(jié)構(gòu)分析

與一般常規(guī)大型軋鋼加熱爐相比，CSP輥底式均熱爐的爐側(cè)墻耐火材料厚度為305mm，活動(dòng)爐頂纖維厚度為305mm，固定爐頂澆筑料厚度為280mm，爐底耐火材料厚度為330mm；而大型軋鋼均熱爐的爐側(cè)墻厚度一般為520mm，爐頂厚度為330mm，爐底耐火材料厚度為530mm?？梢?，CSP均熱爐的耐火材料厚度普遍小于一般軋鋼均熱爐。

(1)爐側(cè)墻。根據(jù)測試結(jié)果，CSP均熱爐側(cè)墻上部溫度水平在110℃左右，下部溫度水平在160℃左右，局部高溫點(diǎn)約200℃。如圖5所示，均熱爐側(cè)墻上部為纖維模塊結(jié)構(gòu)，下部為保溫磚+耐火澆筑料結(jié)構(gòu)。耐火纖維的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于耐火澆筑料，因此其保溫效果要比澆筑料好。因此側(cè)墻上部表面溫度低于下部表面溫度。

圖5 爐體截面結(jié)構(gòu)示意圖

(2)爐頂。CSP均熱爐爐頂分為兩種：一種為活動(dòng)爐頂，當(dāng)爐內(nèi)需要檢修時(shí)，可通過天車吊走這部分可移動(dòng)爐頂；一種為固定爐頂，其與CSP均熱爐鋼結(jié)構(gòu)固定在一起，無法移動(dòng)(見圖6所示)。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，活動(dòng)爐頂溫度水平在110℃左右，而固定爐頂溫度水平在190℃左右?；顒?dòng)爐頂耐火材料為纖維模塊結(jié)構(gòu)，固定爐頂耐火材料為輕質(zhì)保溫澆筑料+重質(zhì)耐火澆筑料結(jié)構(gòu)。耐火纖維的導(dǎo)熱系數(shù)小于耐火澆筑料，因此其保溫效果要比澆筑料好。因此活動(dòng)爐頂外表面溫度低于固定爐頂外表面溫度。

圖6 爐體縱切面結(jié)構(gòu)示意圖

(3)爐底。由于爐底結(jié)構(gòu)帶有渣斗，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其外表面溫度并不均勻，接近爐膛上部的溫度水平為190℃左右，渣斗外表面溫度水平為150℃左右。

5 結(jié)論

本文對某廠CSP均熱爐爐體表面溫度進(jìn)行測試、計(jì)算，并結(jié)合爐體耐火材料、爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了散熱分析。通過以上分析可以得出以下結(jié)論：(1)某廠CSP均熱爐爐體表面散熱量較大，占總熱量支出的9.87%；(2)擺動(dòng)區(qū)和保溫存儲(chǔ)區(qū)爐體表面平均較其他區(qū)域溫度高；(3)爐體用澆注料導(dǎo)熱系數(shù)較大，加快了溫度傳導(dǎo)；(4)從爐體結(jié)構(gòu)來看，耐火纖維較澆注料有較好的保溫效果。

爐體表面散熱量較大，不但造成了能量的浪費(fèi)，同時(shí)縮短了爐體的使用壽命，惡化了現(xiàn)場操作環(huán)境。根據(jù)測試和分析結(jié)果，建議：(1)盡量縮短板坯在爐時(shí)間，即提高均熱爐小時(shí)產(chǎn)量；(2)適當(dāng)降低擺動(dòng)區(qū)和保溫存儲(chǔ)區(qū)均熱爐溫度，建立保溫待軋制度；(3)增加爐體本身的絕熱程度，爐子砌體的溫度在許可的條件下，應(yīng)盡量襯砌輕質(zhì)絕熱材料。