熱鍍鋅機(jī)組電加熱立式退火爐的改造

任立言

（中國鋼研科技集團(tuán)有限公司 工程事業(yè)部，北京100081）

帶鋼立式連續(xù)熱處理爐是連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線上的核心設(shè)備，其技術(shù)的好壞決定了鍍鋅產(chǎn)品的機(jī)械性能與表面質(zhì)量。連續(xù)熱處理的原料一般為冷軋帶鋼，產(chǎn)品主要用于汽車外板和家電板[1]。根據(jù)不同的熱處理工藝，通常可以將退火爐劃分為加熱段、均熱段、快冷段和均衡段。按照鋼帶的退火熱處理曲線，鋼帶在爐內(nèi)經(jīng)加熱、保溫、冷卻后，達(dá)到入鋅鍋前鍍鋅要求的溫度460～480℃[2]。同時(shí)，退火爐又是連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線的重要耗能設(shè)備，其能耗占整個(gè)工序能耗的35%左右，因此退火爐的節(jié)能顯得非常重要，是企業(yè)節(jié)約能源、降低成本、增加經(jīng)濟(jì)效益的重要途經(jīng)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 前言

國內(nèi)某廠年產(chǎn)25萬t連續(xù)鍍鋅機(jī)組，2007年始建，工藝速度160 m/min，鍍鋅鋼帶規(guī)格為厚度0.2～1.2 mm，寬度800～1 250 mm，該還原退火爐采用電加熱立式退火爐型，由入口密封、加熱及均熱段、噴射冷卻段、均衡段和轉(zhuǎn)向輥段組成（見圖1）。

圖1 原電加熱立式退火爐結(jié)構(gòu)示意圖

退火爐采用的電加熱裝置由288根直管式電輻射管組成，每根功率為27 kW，共計(jì)27×288=7 776 kW。

根據(jù)工藝要求，此生產(chǎn)線還需要蒸汽用于工藝生產(chǎn)中,一是用于加熱脫脂段的堿液、電解液和水，二是用于加熱脫脂后和水淬后的熱風(fēng)。目前這些蒸汽需全部外購，保守估算每年的費(fèi)用大概為150萬元。

1.2 存在的問題

該退火爐采用電加熱方式,成本較高，為了適應(yīng)市場的需要，降低能耗，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，此公司經(jīng)研究決定，對現(xiàn)有的鍍鋅退火爐進(jìn)行升級改造，還原退火爐的加熱方式由電加熱改造為燃?xì)饧訜帷?/p>

2 傳熱數(shù)學(xué)模型

目前廣泛用的退火爐換熱數(shù)學(xué)模型主要有全爐帶鋼溫度分布和帶鋼單元溫度跟蹤兩大類模型[3-4]。

2.1 全爐帶鋼溫度分布模型

把退火爐按爐長的方向展開，以鋼帶長度為x坐標(biāo)，鋼帶寬度為y坐標(biāo)，鋼帶厚度為z坐標(biāo)，鋼帶任何時(shí)間、任何一點(diǎn)的溫度表示為T（x，y，z，τ）。爐溫可以表示為T（f，z，τ）。

將爐內(nèi)傳熱過程復(fù)雜的物理過程簡易化，經(jīng)過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)[5]，爐內(nèi)鋼帶加熱過程的三維非穩(wěn)態(tài)控制方程可以表述為

式中：x，y，z，τ—鋼帶長度方向、寬度方向、厚度方向的空間坐標(biāo)以及時(shí)間坐標(biāo)，x，y，z的取值范圍分別限于長鋼寬度L，寬度W，厚度D

ρ—帶鋼的密度，kg/m3

C—帶鋼的比熱容，kJ/（kg·K）

λ—帶鋼的熱導(dǎo)率，W/（m·K）

v，τ—帶鋼在爐內(nèi)的速度，m/s

這是爐內(nèi)鋼帶的非穩(wěn)態(tài)加熱控制方程，需要確定邊界條件和初始條件，才能求解該方程。對于爐內(nèi)溫度分布模型需要計(jì)算帶鋼左右兩表面、上下兩側(cè)表面的熱流密度。綜合考慮對流、接觸、輻射傳熱，以左表面為例，熱流密度可表示為

式中：q（z，τ）—表面熱流密度，W/m2

hc（z，τ）—每爐段的對流換熱系數(shù)，W/（m·K）

ε（z）—每爐段的綜合輻射換熱系數(shù)；當(dāng)η=1時(shí)，δ（η）=1，此時(shí)鋼帶處于爐輥處；當(dāng)η=0時(shí)，δ（η）=0，此時(shí)鋼帶不處于爐輥處

λR—鋼帶與爐輥接觸傳熱的換熱系數(shù)，W/（m2·K）

TR—爐輥表面溫度，K

σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）

將式（2）作以改變，即可得到系統(tǒng)的綜合傳熱系數(shù)h（z，τ）的表達(dá)式：

因此，可以得到熱流密度的簡化表達(dá)式：

綜上，帶鋼上表面的邊界條件就可表示為：

即：

同樣可以得到右表面的熱流邊界方程。

通常該模型的初始條件一般認(rèn)為：當(dāng)τ=0時(shí)，爐溫分布和鋼帶溫度是已知的，即

2.2 帶鋼單元溫度跟蹤模型

如果鋼帶的相對運(yùn)動(dòng)速度為零，也就是將計(jì)算坐標(biāo)選在鋼帶上，此時(shí)將某一點(diǎn)的鋼帶單元做為研究對象，假設(shè)鋼帶沿爐長方向上沒有熱量傳遞，只考慮鋼帶在寬度和厚度方向上的熱傳導(dǎo)問題，這樣，建立起來的數(shù)學(xué)模型稱為帶鋼溫度跟蹤模型，其控制方程為：

式中：T（x，y，τ）—鋼帶單元內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度，K

2.3 輻射換熱的邊界條件

由于連續(xù)鍍鋅退火爐主要采用輻射加熱，且輻射管具有形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，計(jì)算換熱邊界條件比較常用的方法是假想面等效黑度法[6]。假想面等效黑度法如圖2所示。

圖2 假想面等效黑度法示意圖

假想面f'位置與輻射管表面相切，其寬度與輻射管f的有效長度相當(dāng)。假設(shè)假想面f'與輻射管表面溫度Tf相同。假想面f'為漫射灰表面，其等效黑度為εf'，假想面f'的輻射為Qf'，與輻射管表面投向假想面的輻射Qf相同：

式中：Ff'，F(xiàn)f—假想面、輻射管的面積，m2

φf-f'—輻射管表面對假想面的輻射角系數(shù)，具體求算可見文獻(xiàn)[7]

通過式（10）、式（11）計(jì)算，將輻射管f與帶鋼s之間的輻射熱交換，轉(zhuǎn)化成了具有溫度Tf、表面黑度為εf的假想面與鋼帶之間的熱交換，這樣，復(fù)雜的幾何形狀變換成了容易計(jì)算的平板形狀，更加利于傳熱計(jì)算。

3 改造方案

主要的改造方案如下：

（1）加熱段由原電輻射管加熱改為燃?xì)廨椛涔芗訜幔?/p>

（2）加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)全部更換；

（3）余熱利用回收，并且用于全線清洗段和烘干加熱。

改造后的退火爐結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改造后的電加熱立式退火爐結(jié)構(gòu)示意圖

改造后，退火爐的加熱裝置由W形燃?xì)廨椛涔芘浜先細(xì)廨椛涔軣旖M成，共計(jì)97套，采用天然氣燃料，每套功率為130 kW。

帶鋼控制溫度見表1。

表1 退火爐帶鋼控制溫度

爐溫控制見表2。

表2 退火爐爐溫控制

3.1 燃燒系統(tǒng)介紹

燃燒系統(tǒng)由燒嘴、輻射管換熱器、助燃風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、空氣管道、燃?xì)夤艿?、排煙管道及煙囪等組成。燃燒方式為抽鼓式。燃燒系統(tǒng)采用分區(qū)控制，各燃?xì)鈪^(qū)管設(shè)有手動(dòng)球閥、穩(wěn)壓閥、電磁切斷閥、渦輪流量計(jì)及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；空氣區(qū)管設(shè)有手動(dòng)蝶閥、流量孔板及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。嘴前燃?xì)夤苈吩O(shè)有開關(guān)球閥、電磁切斷閥及調(diào)節(jié)球閥，嘴前空氣管路設(shè)有電磁切斷閥及手動(dòng)蝶閥。為降低燃?xì)庀?，每只輻射管?nèi)均設(shè)有高效雙級換熱器，利用輻射管的高溫廢氣預(yù)熱助燃空氣，空氣預(yù)熱溫度550～600℃。

燃燒控制方式采用脈沖+雙交叉比例限幅雙溫控，閥門開度低于30%時(shí)使用脈沖控制方式，閥門開度高于30%使用雙交叉比例限幅控制方式。使燒嘴始終處于最佳的燃燒狀態(tài)，從而降低能耗，同時(shí)提高輻射管的使用壽命。

3.2 余熱利用介紹

（1）功能

輻射管加熱段燃?xì)馊紵a(chǎn)生的煙氣經(jīng)輻射管換熱器換熱后仍具有較高的溫度，帶走大量熱量。通過回收煙氣余熱，可免去或有效減少全線用于清洗和干燥加熱的蒸汽，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。

（2）過程描述

在排煙總管上設(shè)有煙氣-空氣-水換熱器，一級氣-氣換熱，預(yù)熱空氣用于帶鋼的熱風(fēng)干燥；一級氣-水換熱，通過加熱循環(huán)水間接加熱脫脂段的脫脂液、電解液及清洗水（見圖4）。

圖4 燃?xì)馔嘶馉t煙道及余熱利用示意圖

4 應(yīng)用效果

改造前該電加熱立式還原退火爐，加熱均熱段共288根電輻射管，單只功率27 kW，共7 776 kW。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，噸鋼電耗為170 kW·h，以0.8元/（kW·h）計(jì)算，噸鋼加熱能耗成本為170×0.8=136元。

采取我司開發(fā)的新型雙級換熱器、雙溫控、新式燃燒系統(tǒng)，可以有效降低噸鋼耗氣量，以CQ級按標(biāo)準(zhǔn)723℃加熱鋼板為基準(zhǔn)，噸鋼天然氣能耗小于20 m3。以3.7元/m3計(jì)算，噸鋼成本為20×3.7=74元。此時(shí)節(jié)省成本：

（1）直接能耗節(jié)省每噸：136-74=62元。以年產(chǎn)量80%能力計(jì)，即年產(chǎn)20萬t，共可節(jié)省62×20=1 240（萬元）

（2）節(jié)省變壓器座機(jī)費(fèi)用每年200萬元。

（3）天然氣燃燒的煙氣廢熱利用可以把原生產(chǎn)線上的3個(gè)熱風(fēng)吹干點(diǎn)和所有的前處理（堿液、清洗水、電解液）的加熱能源取代。保守計(jì)算每年可節(jié)約150萬元。

（4）增加的助燃風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、換熱風(fēng)機(jī)共185 kW。按全功率運(yùn)行300 d算在100萬元電費(fèi)。

綜上所述，每年可節(jié)約成本：1 240+200+150-100=1 490（萬元）

5 結(jié)論

（1）相比電加熱立式退火爐，燃?xì)饧訜岬牧⑹酵嘶馉t的運(yùn)行成本相比電加熱要低很多，以此改造為例，每年大概可節(jié)約成本1 490萬元。但燃?xì)饧訜嵬嘶馉t的一次性投資比較大，在綜合考慮工廠綜合實(shí)力，長遠(yuǎn)效益的考量下，優(yōu)先選用燃?xì)饧訜帷?/p>

（2）燃燒廢氣通過煙道換熱器，將余熱進(jìn)一步加熱清洗段的溶液和干燥用的熱風(fēng)，通過回收煙氣余熱，可免去或有效減少全線用于清洗和干燥加熱的蒸汽，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了能源使用率。

（3）此文所述的改造方案運(yùn)行成本低、運(yùn)行可靠，為國內(nèi)很多鋼廠的改造提供了依據(jù)，具有很好的實(shí)用推廣價(jià)值。