軋鋼加熱爐熱效率的影響因素及優(yōu)化對(duì)策研究

吳 鎧 覃永國(guó) 蒙 政

(柳州鋼鐵股份有限公司)

中厚板軋鋼系統(tǒng)的能源消耗主要包括加熱爐燃耗和軋機(jī)電耗，加熱爐燃耗占中厚板軋鋼系統(tǒng)能耗總量的75%～90%，因此，加熱爐的技術(shù)水平、運(yùn)行水平直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 加熱爐主要性能參數(shù)

由某中厚板加熱爐測(cè)試分析可知，該加熱爐熱效率為39.8%，水平較低。因此，提高加熱爐的熱效率對(duì)降低企業(yè)生產(chǎn)成本有著重要意義。該加熱爐為板坯加熱爐，負(fù)責(zé)軋制前鋼坯加熱，主要性能參數(shù)如下：

爐型：推鋼式連續(xù)加熱爐；

有效尺寸：長(zhǎng)度29 670 mm，內(nèi)寬6 750 mm；

設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力： 110 t/h；

燃料種類：焦?fàn)t煤氣；

加熱鋼種： 碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度鋼等；

板坯規(guī)格：長(zhǎng)1 800～2 700 mm，厚220 mm，寬900～1 830 mm；

加熱溫度：1 100～1 200 ℃；

板坯裝爐溫度：室溫～600 ℃；

煙氣余熱利用：煙道內(nèi)換熱器預(yù)熱助燃空氣；

爐底管冷卻方式：汽化冷卻。

2 加熱爐熱效率偏低分析

(1)

物料獲得的有效熱Q效：

(2)

加熱爐熱效率η1：

(3)

從式(3)可知，提高助燃空氣物理熱、減少煙氣帶走的物理熱、減少爐體散熱、減少爐門及孔洞的逸氣熱損失，可提高加熱爐熱效率。另外，還可以通過改善燃料燃燒過程及爐內(nèi)傳熱條件，提高加熱爐熱效率[1-2]。

2.1 燃料燃燒狀況不佳

(1)燃燒器選型不匹配

首先，加熱爐燃燒器按燃用高焦混合煤氣設(shè)計(jì)，空燃比為2∶1，而加熱爐實(shí)際燃用純焦?fàn)t煤氣，空燃比為4.05∶1，設(shè)計(jì)不合理，造成控制效果不佳；其次，燃燒器選型偏大，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，燃燒器僅在10%～30%的較小開度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)使用，燃燒效果、調(diào)節(jié)性能差。

(2)空氣消耗系數(shù)大

檢測(cè)加熱爐爐尾煙氣成分，發(fā)現(xiàn)煙氣中氧含量達(dá)到7.61%，計(jì)算得空氣消耗系數(shù)為1.522，空氣供給量嚴(yán)重偏高。過剩空氣量過大，煙氣量增加，帶走熱損失增大，同時(shí)煙氣量增大，燃燒溫度降低，惡化了爐內(nèi)傳熱條件，降低熱效率，加熱爐能耗升高。

2.2 爐體散熱和逸氣熱損失大

紅外測(cè)溫顯示爐體外表面溫度平均達(dá)到122 ℃，與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的爐體外側(cè)溫度≤100 ℃差距較大。加熱爐出料爐門閉合不緊，未出鋼狀態(tài)下，爐門下方有一條寬約150 mm的縫隙，兩個(gè)爐門中間也有一定間隙。加熱爐還存在個(gè)別點(diǎn)密封不好，有熱氣逸出。根據(jù)熱平衡測(cè)試結(jié)果，總逸氣熱損失達(dá)到總供熱量的7.32%，是主要熱損失項(xiàng)[3]。

2.3 換熱器損壞漏風(fēng)

加熱爐燃料(焦?fàn)t煤氣)中含有少量硫，煙氣中的SO3在400 ℃以下會(huì)發(fā)生低溫露點(diǎn)腐蝕。檢查發(fā)現(xiàn)，煙道內(nèi)換熱器的后幾排管子腐蝕銹穿，造成換熱器漏風(fēng)，換熱效果不佳，降低了助燃空氣預(yù)熱溫度。

2.4 爐尾吸冷風(fēng)嚴(yán)重

加熱爐爐尾煙道上方煙氣溫度為752 ℃，經(jīng)過7.2 m長(zhǎng)的煙道，到達(dá)換熱器前的煙氣溫度降至584 ℃。煙氣溫度降低了168 ℃，溫降大。這是由于進(jìn)料端吸入的冷風(fēng)混入煙氣中，降低了進(jìn)入換熱器的煙氣溫度，從而降低了助燃空氣預(yù)熱溫度。

2.5 加熱爐生產(chǎn)率偏低

單位熱耗與生產(chǎn)率之間的關(guān)系如下[1]：

(4)

式中：b為單位熱耗，kJ/t；Q0為加熱爐空燒保溫的熱負(fù)荷，kJ/h；P為爐子生產(chǎn)率，t/h；K為常數(shù)；e為自然對(duì)數(shù)的底，e=2.7183。

根據(jù)上式可知，單位熱耗隨生產(chǎn)率的變化而變化，當(dāng)加熱爐單位熱耗最低時(shí)，稱為爐子工作的經(jīng)濟(jì)點(diǎn)；當(dāng)加熱爐在靠近經(jīng)濟(jì)點(diǎn)兩側(cè)區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，稱爐子在經(jīng)濟(jì)區(qū)工作[1]。經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)，生產(chǎn)率的波動(dòng)對(duì)單位熱耗的影響較小。實(shí)際生產(chǎn)過程中，加熱爐生產(chǎn)率偏低主要原因?yàn)椋很垯C(jī)軋制節(jié)奏相對(duì)較慢，加熱爐存在“大馬拉小車”現(xiàn)象；坯料長(zhǎng)度短，坯料在爐膛內(nèi)覆蓋面積小，爐底利用率低。對(duì)該加熱爐統(tǒng)計(jì)得出，當(dāng)生產(chǎn)率為106.4 t/h時(shí)，單位熱耗最低，為1.01 GJ/t，而該實(shí)際生產(chǎn)率為經(jīng)濟(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)生產(chǎn)率的61%。

3 提高加熱爐熱效率的措施

3.1 加熱爐燃燒器合理設(shè)計(jì)

加熱爐上的燃燒器用于燃燒燃料，其性能的好壞、配置是否合理直接影響加熱爐的能耗指標(biāo)的高低。根據(jù)加熱爐的加熱要求、燃料種類、結(jié)構(gòu)形式等，比較不同燃燒器的特征，合理設(shè)計(jì)、選擇及安裝使用燃燒器可以節(jié)能5%以上[4-5]。

針對(duì)加熱爐燃燒器選型不合理、燃燒器偏大的問題，利用大修機(jī)會(huì)進(jìn)行了改造，對(duì)燃燒器進(jìn)行了重新計(jì)算，并聯(lián)合廠家進(jìn)行了燃燒器優(yōu)化設(shè)計(jì)。改造后，加熱爐的燃燒器燃燒能力減小很多，僅為原來(lái)的1/3，正常生產(chǎn)情況下，燃燒器的開度基本在50%～80%，加熱爐爐溫調(diào)節(jié)工作相對(duì)容易，控制精度更加精確，爐內(nèi)火焰剛度更加合理，爐內(nèi)溫度更加均勻。根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，比未改造的3號(hào)加熱爐噸鋼煤氣消耗減少6%。

3.2 加熱爐燃?xì)夤苈芳罢{(diào)節(jié)閥改造

加熱爐以焦?fàn)t煤氣為燃料，參考改造前煤氣使用量，并按富余量20%進(jìn)行空煤氣管道設(shè)計(jì)。為減少下部水冷吸熱造成鋼坯上下表面加熱不均的影響，供熱分配按上加熱42%、下加熱58%設(shè)計(jì)。同時(shí)根據(jù)重新設(shè)計(jì)的空煤氣管道，選擇合適的調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)。

3.3 優(yōu)化空氣消耗系數(shù)控制

(1)增加爐尾煙氣含氧量檢測(cè)

因加熱爐各控制段配置的流量計(jì)數(shù)據(jù)失真，加熱爐無(wú)法根據(jù)流量對(duì)空氣消耗系數(shù)進(jìn)行精確控制。為此，在加熱爐預(yù)熱段安裝了一套煙氣含氧量檢測(cè)儀器，實(shí)時(shí)檢測(cè)煙氣含氧量，根據(jù)煙氣含氧量評(píng)估空氣消耗系數(shù)的合理性，并根據(jù)結(jié)果反饋控制煤氣、空氣調(diào)節(jié)閥開度。即通過控制爐尾煙氣含氧量，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣消耗系數(shù)的控制。

(2)合理控制空氣消耗系數(shù)

如前所述，空氣供給量過高，造成能耗升高。一般的，常規(guī)燒嘴的空氣消耗系數(shù)應(yīng)控制在1.05～1.25，具體要結(jié)合實(shí)際確定。對(duì)于不同加熱爐、不同燃燒器空氣消耗系數(shù)有所不同，控制不合理還會(huì)影響產(chǎn)品加熱質(zhì)量。結(jié)合實(shí)際，在確保燃料完全燃燒、滿足加熱質(zhì)量的前提下，目前加熱爐煙氣含氧量控制目標(biāo)為1.0%～3.5%，即空氣消耗系數(shù)為1.05～1.16。

3.4 強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱

在加熱爐內(nèi)壁表面涂刷黑度大的涂料，相對(duì)澆注料內(nèi)壁(黑度為0.86～0.92)，這些涂料的黑度達(dá)到0.98[6]。涂刷后，可以提高導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)，強(qiáng)化爐內(nèi)的輻射傳熱，有助于更多的熱量被鋼坯吸收。

增加或修復(fù)隔墻。在爐底、爐頂設(shè)置隔墻，以增強(qiáng)爐氣流動(dòng)時(shí)的擾動(dòng)，使?fàn)t氣對(duì)流換熱由微弱的層流流動(dòng)變?yōu)槲闪髁鲃?dòng)，增強(qiáng)對(duì)流換熱。

3.5 提高生產(chǎn)節(jié)奏

(1)縮短鋼坯加熱時(shí)間

經(jīng)多次試驗(yàn)、調(diào)整，在確保坯料加熱質(zhì)量的前提下，將優(yōu)碳板、普板、低合金坯料的加熱時(shí)間縮短20～30 min，使加熱爐在經(jīng)濟(jì)區(qū)工作。

(2)優(yōu)化軋制工藝

針對(duì)軋機(jī)軋制節(jié)奏較慢問題，首先，考慮設(shè)備能力，適當(dāng)加大道次壓下量，減少軋制道次，提高節(jié)奏；其次，調(diào)整軋后冷卻過程，提高終軋溫度，縮短了控制終軋溫度的等待時(shí)間，提高生產(chǎn)節(jié)奏。

3.6 加強(qiáng)維護(hù)管理

(1)利用加熱爐大修機(jī)會(huì)，增加了爐墻厚度，每側(cè)爐墻增加114 mm的保溫磚，使?fàn)t側(cè)外表面溫度降至96 ℃。

(2)更換腐蝕漏氣的換熱器。

(3)改造出料端爐門，加寬加高爐門，加大爐門行程，確保爐門關(guān)閉到位；兩扇爐門之間，增加相互錯(cuò)開的交叉擋板，整體解決出料端爐門密封不嚴(yán)問題。

(4)加強(qiáng)管理，封堵加熱爐冒火、躥火點(diǎn)，優(yōu)化出鋼操作控制，要求爐門不可提前打開，鋼坯出爐后必須及時(shí)關(guān)閉爐門，減少爐門打開時(shí)間。規(guī)范爐膛壓力，結(jié)合觀察，將爐膛壓力控制在15～30 Pa較為合適，既不會(huì)吸冷風(fēng)也不會(huì)造成爐氣外逸。降低爐尾爐門開度，減少爐尾吸入冷風(fēng)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)軋鋼加熱爐熱效率偏低的原因進(jìn)行了分析，利用加熱爐大修機(jī)會(huì)進(jìn)行改造。對(duì)加熱爐燃燒器、空煤氣管路、調(diào)節(jié)閥進(jìn)行改造；增加煙氣含氧量檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)空燃比的合理控制；縮短鋼坯加熱時(shí)間，提高生產(chǎn)節(jié)奏，使?fàn)t子工作點(diǎn)向經(jīng)濟(jì)區(qū)靠攏；加強(qiáng)爐子維護(hù)、加強(qiáng)管理，減少熱損失。通過上述措施，加熱爐熱效率提高到了47.6%，單位熱耗從1.41 GJ/t降至1.23 GJ/t，降低了12.8%，取得了很好的效果。