納米隔熱材料在板坯加熱爐水梁中的應(yīng)用研究

江 華

(北京京誠(chéng)鳳凰工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司,北京 100176)

1 前 言

步進(jìn)梁式板坯加熱爐的水梁是鋼坯在爐內(nèi)運(yùn)行的核心支撐設(shè)備,水梁的壽命直接決定了加熱爐的設(shè)備壽命。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)的新建加熱爐基本已經(jīng)開(kāi)始采用汽化冷卻方式實(shí)現(xiàn)水梁的冷卻[1]。水梁的材質(zhì)一般為20G或16Mn,汽化冷卻水汽混合物的溫度一般為～200 ℃,水梁管材的內(nèi)壁溫度一般按230 ℃設(shè)計(jì)[2]。為了保證在爐溫高達(dá)1 280～1 300 ℃時(shí),水梁仍有足夠的支撐強(qiáng)度,除了汽化冷卻系統(tǒng)可靠運(yùn)行外,水梁的絕熱包扎至關(guān)重要。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)步進(jìn)梁式加熱爐水梁的包扎常用結(jié)構(gòu)是20 mm耐火纖維毯+60 mm水梁專(zhuān)用澆注料,澆注料采用不銹鋼錨固鉤進(jìn)行固定,如果爐內(nèi)坯料運(yùn)行穩(wěn)定,一般都在2～3年開(kāi)始局部脫落和開(kāi)裂[3]。爐內(nèi)坯料運(yùn)行不穩(wěn)定或施工不好的,壽命可能更短,有的投產(chǎn)不久就會(huì)出現(xiàn)水梁耐材的大面積脫落,水梁壽命大幅縮短且水梁熱損失及耗水量加大[4-5]。

另外,這種水梁澆注料結(jié)構(gòu)的絕熱技術(shù),由于受結(jié)構(gòu)的限制,無(wú)法采用更厚的絕熱方式,在爐溫較高時(shí),只能通過(guò)汽化冷卻增加產(chǎn)汽量來(lái)保證水梁的溫度,這就直接導(dǎo)致?tīng)t膛熱損失的增加,能耗加大。一般水梁的熱損失能耗在5%～9%,但目前一些舊爐存在水梁熱損失超過(guò)供熱量的10%,有的甚至達(dá)到14%,這對(duì)于加熱爐正常生產(chǎn)造成很大影響[6-7]。如果能采取措施降低此處熱損失,對(duì)加熱爐節(jié)能降耗以及保證爐溫正常生產(chǎn)的貢獻(xiàn)將是非?？捎^的。

近年來(lái),隨著納米隔熱材料技術(shù)的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)宏觀傳熱學(xué)理論受到?jīng)_擊,微觀納米尺度傳熱機(jī)理的研究,為新型絕熱材料和節(jié)能降耗技術(shù)開(kāi)辟了新的途徑。由于物質(zhì)達(dá)到了納米尺度,納米材料從根本上改變了材料的結(jié)構(gòu),在性能上出現(xiàn)了宏觀物質(zhì)所不具備的新性能。眾多的實(shí)驗(yàn)和理論一致表明,當(dāng)氣孔的直徑小于 50 nm 時(shí),氣孔內(nèi)將不再有可以自由運(yùn)動(dòng)的空氣分子,而是被吸附在氣孔壁上,這樣的氣孔實(shí)際上相當(dāng)于真空狀態(tài)。由于所有的微孔都小于 50 nm,這樣就可以使耐火材料內(nèi)部有非常多的反射界面,當(dāng)氣孔尺寸變得更小時(shí),這種界面的數(shù)量趨于無(wú)窮多,從而使輻射熱傳導(dǎo)的效率也趨于 0,因此,以理論上說(shuō)存在著導(dǎo)熱系數(shù)趨近于 0 的超級(jí)絕熱材料,并且這種絕熱材料隨著溫度的上升其導(dǎo)熱系數(shù)并不增大。超級(jí)隔熱材料[8]的概念是1992年由美國(guó)學(xué)者A.J.Hunt在國(guó)際材料工程大會(huì)上提出的,其典型特征為熱導(dǎo)率低于同溫度下靜止空氣的熱導(dǎo)率。由于隔熱材料內(nèi)部固體骨架的體積分?jǐn)?shù)較低,球狀顆粒堆積具有弱接觸的特點(diǎn),因此固體導(dǎo)熱對(duì)材料表觀熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)極低。典型孔隙尺寸僅為2～50 nm,顯著小于室溫下空氣分子的平均自由程70 nm,因此納米孔隙中的氣體分子發(fā)生碰撞傳遞能量受到極大限制,氣體導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)也被限定在一個(gè)相對(duì)較低的水平,同時(shí)通過(guò)添加輻射抑制劑等手段,可實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射傳熱的抑制。由于納米隔熱材料對(duì)熱量傳遞的3種途徑均具有良好的抑制效果,因此,在常壓和低真空度條件下 表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能,如圖1所示。文獻(xiàn)報(bào)道,常溫常壓下納米隔熱材料熱導(dǎo)率最低值僅為0.013 W/(m·K),遠(yuǎn)低于靜止空氣。

目前歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將此種材料應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)如鋼包、魚(yú)雷罐、熱風(fēng)管道等,主要目的在于減少各種高溫裝備熱損失、減薄隔熱層厚度、降低隔熱層蓄熱量以及改善操作環(huán)境[9]。本文在研究傳統(tǒng)步進(jìn)梁水梁隔熱包扎基礎(chǔ)上提出納米隔熱新型結(jié)構(gòu),開(kāi)展相應(yīng)數(shù)值模擬分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并成功推廣到板坯加熱爐工程應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能節(jié)水效果及經(jīng)濟(jì)效益。

2 仿真分析

為驗(yàn)證水梁納米隔熱材料包扎技術(shù)方案的可行性,我們首先采用CFD仿真方法針對(duì)板坯爐步進(jìn)梁進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)及傳熱模擬,只考慮水梁內(nèi)流動(dòng)及包扎材料傳熱,忽略爐內(nèi)燃燒過(guò)程,給定水梁外部邊界溫度,水梁內(nèi)部給定汽水混合物流速及溫度,出口給定壓力出口。

對(duì)于爐內(nèi)水梁內(nèi)部三維湍流流動(dòng),可以把連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程等基本方程用一個(gè)通用控制方程來(lái)表示[10-11]:

(1)

式中:φ為通用變量,在質(zhì)量方程中φ=1,在動(dòng)量方程中分別代表u、v、w,在k-ε湍流方程中代表k和ε,在能量方程中代表T;Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù),Sφ為廣義源項(xiàng),對(duì)于質(zhì)量方程,Γφ=0,Sφ=0。

水梁包扎材料導(dǎo)熱方程,可以用下式表示:

(2)

式中:T為熱力學(xué)溫度,K;t為時(shí)間,s;k為材料的導(dǎo)熱系數(shù),W / (m·K);ρ為材料密度,kg/m3;cP為材料比定壓熱容,J/(kg·K);q為內(nèi)熱源的熱流密度,W/m2。

仿真分析得到水梁熱流損失分布,圖2為水梁局部熱流分布圖,從圖2中可見(jiàn)錨固鉤與水梁焊接處熱流密度絕對(duì)值最大,雖然此處面積較小,但由于熱流密度大絕對(duì)值高,因此占水梁整體熱損失不可忽視。主要熱損失則是水梁包扎處,管壁20 mm+纖維20 mm+澆注料60 mm時(shí)計(jì)算得到管壁熱流-7 182 W/m2,管壁20 mm+納米板5 mm+纖維20 mm+澆注料60 mm計(jì)算得到管壁熱流-5 459 W/m2,由于其面積較大,因此占據(jù)水梁整體熱損失比例最高。通過(guò)仿真得到的單位面積熱流對(duì)比,采用納米包扎后,能夠節(jié)約汽化冷卻部分帶走的熱量約24%,具有較好的節(jié)能節(jié)水效果。

圖2 水梁熱流損失分布圖

圖3為仿真得到的金屬錨固鉤溫度分布,由圖3可見(jiàn),在高溫加熱爐內(nèi),錨固鉤對(duì)耐火澆注料進(jìn)行固定,由于耐火澆注料作為工作層,雖然具有較高的耐火度,但其導(dǎo)熱系數(shù)較高,難以起到隔熱作用,故錨固鉤頂部溫度較高,接近1 000 ℃左右,而焊接到水梁管道上的錨固鉤根部溫度則較低,因此錨固鉤材料需要考慮長(zhǎng)期耐高溫和抗氧化特性。為降低錨固鉤工作溫度,延長(zhǎng)錨固鉤壽命并減少錨固鉤散熱損失,特考慮在傳統(tǒng)纖維+澆注料包扎基礎(chǔ)上,對(duì)錨固鉤另外包扎耐火纖維隔熱套,按照1 200 ℃爐溫,采用汽化冷卻,影響對(duì)比如表1所示。仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示,表明錨固鉤在局部增加隔熱套后,能夠較大幅度降低錨固鉤最高溫度,減少錨固鉤熱短路散熱,同時(shí)延長(zhǎng)錨固鉤及水梁包扎長(zhǎng)期使用壽命。

表1 纖維隔熱套對(duì)錨固鉤溫度影響對(duì)比

表2 不同爐溫下仿真計(jì)算水梁各部位溫度分布 ℃

圖3 錨固鉤溫度分布圖

由于納米隔熱材料耐火度不如耐火澆注料或者高標(biāo)號(hào)耐火纖維,當(dāng)超過(guò)其長(zhǎng)期使用溫度時(shí)收縮率會(huì)增加,帶來(lái)安全隱患,因此實(shí)際應(yīng)用需要計(jì)算納米隔熱層設(shè)計(jì)溫度,確保其不超過(guò)最高使用溫度。表2仿真計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)爐溫1 150～1 300 ℃時(shí),納米材料熱面溫度不超過(guò)935 ℃,而納米材料的長(zhǎng)期使用溫度1 000 ℃,這表明采用該方案納米材料能長(zhǎng)期安全使用。

3 試驗(yàn)研究

通過(guò)數(shù)值分析表明納米隔熱水梁具有較好的節(jié)能節(jié)水特性,但在工程實(shí)際應(yīng)用中推廣仍然需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以為設(shè)計(jì)提供參考,為對(duì)比常規(guī)水梁與新型納米隔熱水梁水冷散熱實(shí)際差異,在燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)爐內(nèi)進(jìn)行散熱實(shí)驗(yàn)研究。水梁水冷試驗(yàn)系統(tǒng)包括水箱、水泵、調(diào)節(jié)蝶閥、渦輪流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)水梁、溫度計(jì)等設(shè)備。實(shí)驗(yàn)用水來(lái)自車(chē)間市政自來(lái)水管道用水,最后排放到車(chē)間排水井,水冷管道系統(tǒng)見(jiàn)圖4。圖5為澆筑完畢的實(shí)驗(yàn)水梁,為防止水梁澆注料中水分因升溫過(guò)快而爆裂,特設(shè)定了烘烤曲線,待烘烤完畢后再進(jìn)入試驗(yàn)流程。根據(jù)烘烤和實(shí)驗(yàn)溫度曲線,爐膛溫度逐漸升到1 200 ℃,在特定的溫度設(shè)定點(diǎn)保持爐溫約1 h,以保證熱流穩(wěn)定,然后對(duì)爐溫、空煤氣流量、冷卻水流量、進(jìn)出水溫度進(jìn)行記錄。

圖4 水梁散熱試驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖5 澆筑完成的實(shí)驗(yàn)水梁

表3為常規(guī)包扎水梁試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表,為防止長(zhǎng)期試驗(yàn)水垢對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,通過(guò)調(diào)節(jié)水流量來(lái)控制最高出水溫度不超過(guò)40 ℃。隨著爐溫的上升,可見(jiàn)常規(guī)水梁包扎方案下,水梁散熱量快速增加,高溫約1 200 ℃時(shí)的散熱量是低溫約500 ℃時(shí)散熱量的3倍左右。

表3 常規(guī)包扎水梁試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

表4為納米水梁包扎方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表,可見(jiàn)新型納米隔熱水梁包扎測(cè)試得到的水梁散熱量隨著爐溫升高緩慢上升,高溫約1 200 ℃時(shí)的散熱量是低溫約500 ℃時(shí)散熱量的2倍左右,這表明在1 200 ℃左右的高溫軋鋼加熱爐內(nèi),納米隔熱材料對(duì)于水梁散熱有較好的節(jié)能節(jié)水效果,同時(shí)有利于爐溫的穩(wěn)定。

表4 納米包扎水梁試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

圖6為常規(guī)水梁包扎與納米水梁包扎水冷散熱熱流隨爐溫的變化趨勢(shì)對(duì)比,通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合回歸曲線,式(3)、式(4)分別為普通纖維材料、納米材料熱流值隨爐溫變化的回歸公式。

圖6 納米材料與普通纖維材料熱流值隨爐溫變化趨勢(shì)對(duì)比圖

(3)

(4)

從兩種方案熱流回歸曲線對(duì)比分析,在爐溫較低時(shí),常規(guī)纖維隔熱材料和納米隔熱材料由于在低溫下導(dǎo)熱系數(shù)差別不大,因而均能起到較好的隔熱效果。而隨著爐溫逐步升高,纖維隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)快速增加,由此常規(guī)纖維隔熱水梁散熱快速增加,而納米隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加較小,故此納米隔熱水梁的散熱增加較為緩慢。故此兩種方案散熱量的差距隨著爐溫升高越來(lái)越大,特別是在爐溫超過(guò)1 000 ℃后。

如圖7所示納米隔熱水梁節(jié)能效果良好,且納米材料在高溫段節(jié)能效果更為明顯,爐溫達(dá)到1 050 ℃以后,水梁?jiǎn)喂芄?jié)能比例達(dá)到了30%,隨著爐溫的繼續(xù)升高,納米包扎水梁相對(duì)常規(guī)包扎水梁的節(jié)能比例還在升高。故此,可以認(rèn)為納米材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的穩(wěn)定性是其在高溫下節(jié)能效果較好的根本因素,而常規(guī)纖維材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而快速上升則是其在高溫下隔熱效果相對(duì)納米材料而言較差的原因。

圖7 納米材料節(jié)能比例隨爐溫變化趨勢(shì)圖

4 工程應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性

4.1 工程應(yīng)用節(jié)能效果

本文所述新型納米水梁包扎結(jié)構(gòu)目前已成功應(yīng)用于某工程,以下分析中涉及的計(jì)算初始值均來(lái)自該工程相關(guān)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表5)。該工程實(shí)際投產(chǎn)后,單位面積汽化冷卻產(chǎn)汽量明顯降低,與設(shè)計(jì)值基本一致,約為常規(guī)設(shè)計(jì)值的3/4,即節(jié)約了25%的產(chǎn)汽量。按照汽化冷卻占總能耗7%～9%統(tǒng)計(jì),則僅僅采用此納米絕熱結(jié)構(gòu)就節(jié)省了能耗約7 kcal/kg單耗,效果還是非?？捎^的。同時(shí),水梁熱損失的降低,也可大大降低汽化冷卻設(shè)備的配置,循環(huán)泵的功率、汽包的容量、旋轉(zhuǎn)接頭的數(shù)量均有減少。

表5 工程應(yīng)用對(duì)比

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

納米隔熱材料由于價(jià)格相對(duì)傳統(tǒng)耐火纖維材料更加昂貴,因此雖然其節(jié)能效果較好,但規(guī)?；茝V應(yīng)用還需考慮投資成本,下面以柳鋼五棒加熱爐工程為例,簡(jiǎn)要分析納米隔熱材料應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益及回收周期,以為相關(guān)工程應(yīng)用提供計(jì)算依據(jù)(見(jiàn)表6)。

表6 經(jīng)濟(jì)效益分析

若僅考慮節(jié)能效益,則項(xiàng)目投資回收期4.6個(gè)月,若考慮蒸汽量減少后,汽化冷卻設(shè)備減型的節(jié)約成本,則僅需1.5個(gè)月的時(shí)間就可以收回全部投資,因此納米隔熱材料在水梁包扎上的應(yīng)用投資見(jiàn)效快,回收期短,長(zhǎng)期累計(jì)效益可觀?？梢灶A(yù)見(jiàn),隨著我國(guó)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的確定,納米隔熱材料在鋼鐵行業(yè)高溫場(chǎng)合的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越普及。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)新型納米絕熱保溫材料在高溫板坯加熱爐的應(yīng)用,開(kāi)展了傳統(tǒng)水梁包扎方式與新型納米隔熱包扎方式的對(duì)比研究,通過(guò)數(shù)值仿真分析對(duì)不同方案隔熱效果及溫度分布進(jìn)行了預(yù)測(cè),并搭建水冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)采用不同包扎方式的水梁的冷卻水量和進(jìn)出水溫度進(jìn)行測(cè)試分析,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了工程應(yīng)用,應(yīng)用效果與數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)吻合良好。綜合比較常規(guī)絕熱方式和納米材料絕熱方式的絕熱效果,得出如下研究結(jié)論:

(1)步進(jìn)梁式板坯加熱爐水梁散熱損失受水梁包扎結(jié)構(gòu)、耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)、金屬錨固鉤等影響較大,從減少水梁散熱損失及節(jié)約水資源角度考慮,需要綜合采用合理包扎結(jié)構(gòu)、低導(dǎo)熱率耐火材料以及減少金屬錨固鉤的熱短路效應(yīng)以獲得較好隔熱效果;

(2)數(shù)值仿真及試驗(yàn)研究結(jié)果表明,采用納米隔熱材料的新型水梁包扎結(jié)構(gòu)相對(duì)傳統(tǒng)水梁包扎結(jié)構(gòu)具有較好的節(jié)能節(jié)水效果,特別是在較高爐溫下,傳統(tǒng)包扎結(jié)構(gòu)隨爐溫升高散熱快速上升,而新型納米隔熱水梁隨爐溫升高散熱增加較少。因此在板坯加熱爐加熱段、均熱段等高溫區(qū)域可采用新型納米隔熱水梁,而在煙氣預(yù)熱段等低溫區(qū)域仍可沿用傳統(tǒng)水梁包扎方式;

(3)工程應(yīng)用對(duì)比結(jié)果表明,納米隔熱水梁相對(duì)傳統(tǒng)水梁包扎方案可實(shí)現(xiàn)水梁區(qū)域能耗降低約25%,只考慮能耗降低投資回收期約4.6個(gè)月,若考慮汽化冷卻設(shè)備選型的小型化則回收期約1.5個(gè)月,具有較好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。