加熱爐冬季保溫技術(shù)的研究與應(yīng)用

吳玉霄，王鎖茜

（河鋼樂亭鋼鐵有限公司，河北063600）

0 引言

隨著環(huán)保壓力的提升，鋼廠退城搬遷，有大量的鑄坯加熱爐處于建設(shè)中。鑄坯加熱爐位于連鑄工序與軋鋼工序之間，承擔(dān)著將連鑄坯加熱至1 000℃以上的任務(wù)，在生產(chǎn)過程中起著至關(guān)重要的作用。鑄坯加熱爐一次性投資大、使用周期較長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)加熱爐的設(shè)計(jì)使用壽命一般都在8 年以上。加熱爐的使用壽命主要與爐頂和爐墻的耐火材料有關(guān)，而耐火材料的壽命長(zhǎng)短與砌筑施工過程的養(yǎng)護(hù)情況密不可分。因此不僅要保證砌筑時(shí)施工質(zhì)量，對(duì)耐火材料的養(yǎng)護(hù)也尤為重要。

加熱爐砌筑完畢并按照規(guī)定養(yǎng)護(hù)后，應(yīng)根據(jù)爐子的結(jié)構(gòu)、耐火材料的特性等制定烘爐方案并及時(shí)進(jìn)行烘爐。烘爐的主要目的是：排除耐火材料中的游離水分；使耐火材料均勻膨脹，避免使用過程中爐體變形或出現(xiàn)裂縫。加熱爐耐火材料的烘烤過程對(duì)耐火材料而言及其重要，烘烤不合格很容易造成爐墻、爐頂強(qiáng)度不夠，在生產(chǎn)時(shí)倒塌。爐子砌筑完畢后，若不能隨即烘爐投產(chǎn)時(shí)，應(yīng)采取烘干措施，否則應(yīng)保持砌體周圍的溫度在5 ℃以上。本文就新建加熱爐冬季的保溫問題進(jìn)行了分析和探討，并提出使用電動(dòng)設(shè)備進(jìn)行保溫的可行性。

1 加熱爐冬季保溫方案分析

某公司新建的三座蓄熱式加熱爐中的1#加熱爐于10 月底完成耐材施工，爐子尺寸為57 m×11.8 m，設(shè)計(jì)燃料為高爐煤氣，并設(shè)有焦?fàn)t煤氣烘爐燒嘴。原計(jì)劃冬季前使用焦?fàn)t煤氣進(jìn)行烘爐，但由于無法按計(jì)劃獲得焦?fàn)t煤氣，所以加熱爐只能采取冬季保溫措施，為保證加熱爐耐火材料安全過冬，同時(shí)要節(jié)約成本投入，制定了以下加熱爐過冬參考方案供選擇：

1.1 烘烤加熱爐至800 ℃，不保溫

由于焦?fàn)t煤氣不具備供給條件，加熱爐投入使用時(shí)間也在冬季之后，因此不考慮烘爐至1 200℃，僅烘烤至800 ℃，脫除耐材水分，使耐火材料均勻變形即可。加熱爐烘烤常用燃料為柴油、天然氣、焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣成本最低，且無其它費(fèi)用，但是由于焦?fàn)t煤氣無法獲得，能使用的介質(zhì)僅為柴油和天然氣。柴油烘爐污染較重，不如天然氣環(huán)保，天然氣烘爐低溫時(shí)升溫速率可保持在10 ℃/h 以內(nèi)，天然氣烘爐升溫曲線及燃料消耗如圖1 所示。將加熱爐烘爐至800 ℃需要耗費(fèi)562 500 m3天然氣，約合403 t。而不同燃料的烘爐方案的經(jīng)濟(jì)投入對(duì)比如表1 所示。

圖1 天然氣烘爐升溫曲線及燃料消耗

表1 不同烘爐燃料對(duì)比

由表1 可以看出，柴油烘爐成本較高且污染重，如果加熱爐采用此方案過冬，應(yīng)優(yōu)先考慮液化天然氣作為烘爐燃料。

1.2 不對(duì)加熱爐進(jìn)行烘烤，爐內(nèi)保溫

1.2.1 加熱爐內(nèi)環(huán)境溫度的確定

加熱爐砌筑完成后，若不進(jìn)行烘烤，通過保溫措施應(yīng)保證砌體的溫度不低于5 ℃。加熱爐保溫時(shí)的傳熱為爐膛內(nèi)氣體通過平壁傳熱的模型。

熱量在爐墻內(nèi)的傳熱的熱流量可以用以下公式進(jìn)行計(jì)算[1]：

式中，q為熱流密度；t1為爐墻內(nèi)表面溫度；tf2為爐墻外側(cè)的環(huán)境溫度；S為爐墻厚度；λ 為熱導(dǎo)率[2]；

外表面溫度t2可用下公式計(jì)算：

經(jīng)過以上公式計(jì)算，要保持爐墻外側(cè)溫度t2在5 ℃以上，爐墻內(nèi)表面溫度t1應(yīng)該達(dá)到17.8 ℃以上，此時(shí)爐內(nèi)氣氛應(yīng)該至少保持在20 ℃。

1.2.2 加熱爐內(nèi)保溫?zé)嵩吹姆治?/p>

加熱爐冬季保溫可用燃料為焦炭、塊煤、蜂窩煤。焦炭基本是純凈的碳，燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，燃燒溫度高，燃燒充分，產(chǎn)生CO 的量少，比較安全；塊煤必須采用優(yōu)質(zhì)無煙塊煤，價(jià)格較焦炭低50%左右，燃燒時(shí)間較焦炭短，燃燒充分性和燃燒溫度均不及焦炭；蜂窩煤多采用劣質(zhì)煤粉摻土，燃燒溫度低，燃燒不充分，含硫量大，氣味嗆人。無論是焦炭、塊煤還是蜂窩煤都需要人工進(jìn)行添加燃料、清理燃燒殘余物，由于爐內(nèi)空氣流通不暢，燃料中的碳燃燒不充分極易產(chǎn)生一氧化碳，人員維護(hù)操作時(shí)容易產(chǎn)生危險(xiǎn)。目前國(guó)內(nèi)加熱爐冬季保溫僅有焦碳爐使用案例。

綜上所述，從節(jié)能、環(huán)保和安全考慮，認(rèn)為不對(duì)加熱爐進(jìn)行烘烤，而采用爐內(nèi)保溫的方案是可行的。結(jié)合國(guó)內(nèi)其他企業(yè)加熱爐冬季保溫經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)能源介質(zhì)的實(shí)際條件，決定使用電熱風(fēng)機(jī)保溫的方案。

2 電熱風(fēng)機(jī)保溫方案的分析

2.1 電熱風(fēng)機(jī)保溫方案的供熱計(jì)算

2.1.1 按體積計(jì)算方法

加熱爐內(nèi)長(zhǎng)57 m，寬11.8 m，高4.1 m，體積V=2 758 m3；環(huán)境最低溫度為-15 ℃，內(nèi)部所需溫度20℃，溫差ΔT=35 ℃。加熱爐為帶保溫層墻體，保溫效果良好，爐內(nèi)環(huán)境熱容系數(shù)K 取1.5 W/（m3·℃）。爐內(nèi)升溫需要總熱量：

加熱爐空間＜5 000 m3空間取系數(shù)B=3；因此最低熱風(fēng)熱流量Q熱風(fēng)流量=V×3=8 274 m3/h

2.1.2 按地區(qū)采暖計(jì)算方法

華北地區(qū)高大空間多臺(tái)設(shè)備供熱時(shí)，取R=220 W/m2，供熱面積S=57×11.8=673 m2。所需加熱總功率P=S×R=673×220=148 060 W，

綜上所述，若采用額定功率為15 KW，風(fēng)量為1 100 m3/h，供熱面積100 m2的熱風(fēng)機(jī)，10 臺(tái)熱風(fēng)機(jī)加熱總功率150 KW，總風(fēng)量為11 000 m3/h，總供熱面積為1 000 m2，均可滿足加熱爐保溫要求。四種能源介質(zhì)保溫方案的對(duì)比如表2 所示。

由表1 和表2 可以看出，冬季采用保溫措施，過冬以后再采用焦?fàn)t煤氣烘爐的方案，經(jīng)濟(jì)投入遠(yuǎn)小于使用天然氣、柴油進(jìn)行烘爐。而采用電熱風(fēng)機(jī)相比較而言是保溫措施中最經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方式。因此，我們選擇電熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行保溫的措施。

表2 四種能源介質(zhì)保溫方案對(duì)比

2.2 電熱風(fēng)機(jī)保溫方案的實(shí)施

2.2.1 加熱爐的密封

使用電熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行保溫，要做好加熱爐密封，防止熱量散失。加熱爐密封主要措施為：

（1）使用纖維氈和棉被對(duì)裙罩人孔及裝、出鋼側(cè)爐門位置進(jìn)行封堵。裙罩從底部用棉被進(jìn)行封堵，人孔、爐門處用纖維氈、棉被進(jìn)行封堵，每側(cè)僅一處人孔掛上棉門簾，方便人員進(jìn)出檢查設(shè)備、測(cè)溫；

（2）爐子側(cè)墻外側(cè)各處覆蓋1 層棉被，減少爐墻外側(cè)與外環(huán)境冷空氣接觸造成的降溫；

（3）燒嘴箱體間夾縫用棉被堵嚴(yán)，上燒嘴箱體頂部至爐頂側(cè)墻覆蓋棉被后再覆蓋一層厚塑料布，下燒嘴箱體底部至側(cè)墻底部覆蓋棉被后再覆蓋一層厚塑料布；

（4）側(cè)墻其余能覆蓋的地方全部覆蓋一層塑料布，爐頂覆蓋1 層棉被，外層再覆蓋一層厚塑料布，進(jìn)行保溫。

2.2.2 電熱風(fēng)機(jī)的布置和溫度檢測(cè)

在爐內(nèi)放置10 個(gè)15 Kw 電熱風(fēng)機(jī)，將出風(fēng)方向按照逆時(shí)針或順時(shí)針排列，便于熱風(fēng)循環(huán)流動(dòng)，具體布置如圖2 所示。在爐內(nèi)中間水梁頭、中、尾三處設(shè)置溫度計(jì)，用于檢測(cè)爐內(nèi)溫度；每日用便攜式測(cè)溫槍測(cè)量爐墻和爐頂耐火材料外側(cè)的溫度。

圖2 熱風(fēng)機(jī)在爐內(nèi)布置示意圖

2.2.3 意外情況的防范措施

使用電熱風(fēng)設(shè)備進(jìn)行保溫時(shí)要做好意外停電預(yù)案，至少采用兩路電源進(jìn)行保護(hù)，異常情況下可以切換至另一路電源，保證停電兩個(gè)小時(shí)內(nèi)電熱風(fēng)機(jī)可以再次運(yùn)轉(zhuǎn)，若兩路電源均出現(xiàn)異常，還要做好爐內(nèi)點(diǎn)火等措施的準(zhǔn)備，用于臨時(shí)保溫。另外由于電動(dòng)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作，易造成電動(dòng)設(shè)備損壞，需要提前預(yù)備備件，防止意外情況的發(fā)生。

3 保溫效果

冬季連續(xù)三個(gè)月使用電熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行保溫，每日對(duì)保溫效果進(jìn)行檢測(cè)。圖3 為室外溫度最低溫度接近零下10 ℃時(shí)，加熱爐各點(diǎn)溫度的變化趨勢(shì)。

圖3 加熱爐各點(diǎn)溫度對(duì)比

從圖3 中可以看出，每間隔兩個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次檢測(cè)，連續(xù)兩天的溫度檢測(cè)顯示，在室外溫度從0 ℃變化至-8 ℃期間，爐內(nèi)溫度基本保持在30 ℃以上，加熱爐爐墻、爐頂外側(cè)的溫度穩(wěn)定保持在20 ℃以上，由此可驗(yàn)證電熱風(fēng)機(jī)保溫效果良好。

4 結(jié)語

加熱爐耐材施工前應(yīng)做好烘爐計(jì)劃，盡可能在施工完成后進(jìn)行烘爐，若不具備烘爐條件，建議避開冬季施工；若冬季施工且不具備烘爐條件，必須要對(duì)耐材進(jìn)行烘烤或保溫。相比較于使用外接燃料對(duì)加熱爐進(jìn)行烘烤，先采用冬季保溫，等冬季過后再使用加熱爐原設(shè)計(jì)焦?fàn)t煤氣烘爐的方案更加經(jīng)濟(jì)。采用電熱風(fēng)機(jī)保溫的保溫效果也可以滿足要求，且相對(duì)于傳統(tǒng)的焦碳爐保溫具有成本低，無污染和更安全的特點(diǎn)，可以作為新砌加熱爐冬季保溫的手段之一。