轧钢加热炉的系统设计及性能分析

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轧钢加热炉的系统设计及性能分析

田秀仙1；张同2

(1．燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛066004；2．首秦金属材料有限公司，河北秦皇岛066004)

摘要：对轧钢加热环节采用的热送热装技术及钢坯加热所用到的蓄热式加热炉、步进梁、汽化冷却系统和步进梁上的滑块等设备进行了设计和研究，讨论了它们对钢坯加热的质量和性能的影响，并从节约能源和保护环境的角度对它们进行了分析。

关键词：热送热装；蓄热式加热炉；步进梁；汽化冷却；滑块；性能

中图分类号：TG333．17 文献标识码：A 文章编号：1001—0777(2008)05—0012—05

中国的吨钢能耗比世界先进水平高25％～30％，节约能源是实现可持续发展的重要条件，因此应当重视、研发和推广一切节能降耗的技术。目前，虽然中国的许多钢铁行业已经为节约能源采取了一系列的措施并取得了显著的成果，但是能源利用不合理、大量可利用能源被白白浪费的现象仍然比较严重[1～10]。

文章从节约能源保护环境、提高钢坯加热质量和性能的角度出发，对轧钢过程中的热送热装技术进行了分析，并对钢坯加热过程中所用到的设备进行了优化设计与研究，进而研究了该加热炉系统的钢坯氧化烧损与加热温度和加热时间的关系。最后给出了该加热炉的炉温变化曲线，加热效果理想。

1 钢坯加热系统及其性能分析

连铸坯热送热装是近20多年来迅速发展并普遍推广应用的技术，是轧钢工序节能降耗、提高产量的重大举措，合理地选择热送热装方案可以达到节能的目的。钢坯人炉温度每提高100℃，可降低燃料消耗6％左右。相对于冷装工艺，采用一般热送热装工艺可节能30％，采用直接热送热装工艺可节能65％，采用直接NL$0工艺可节能70％～80％。热送热装工艺减少了钢坯的氧化烧损，提高了成材率。在500℃热装时，钢坯可减少烧损量0．5％～1．0％。同时，热送热装工艺与传统的热轧工艺相比，其生产周期可缩短80％，可降低板坯库存20％～30％或者更多。此外，热送热装工艺提高加热炉生产率20%～30％。钢坯在采用热送热装工艺的同时，如果采用高效双蓄热式加热炉，则可以利用低热值高炉煤气将炉温加热到1200℃以上，大大地节约了能源，提高了生产效率[1～9]。以下将介绍笔者所设计的加热炉系统进行分析与研究。

1．1双蓄热式加热炉

高炉煤气发热值偏低，直接送到轧钢加热炉往往遇到加热能力不足的问题，所以一直需要配给一些焦炉煤气。如果焦炉煤气不足，多余高炉煤气不得不放散或白白烧掉，造成能源浪费或空气污染。而本文所设计的双蓄热式加热炉解决了上述问题，它利用高温烟气先预热蓄热箱中的蓄热体，之后更换阀门让待燃烧的空气或煤气进入蓄热箱吸收蓄热体的热量。图1是加热炉中空气被蓄热体蓄热时的工作原理示意图，煤气被蓄热体蓄热时的工作原理与之类似。这样使空气或燃烧煤气提高500～800℃，燃烧温度可提高到1300℃，能够满足钢坯加热的需要。高炉煤气价格低廉，其低氧燃烧和低NOx排放含量也达到了较好水平。该技术在加热炉、热处理炉都可以应用，各种加热炉的燃烧方式的热量利用率比较[1,2]见图2。

该蓄热式加热炉采用的是蜂窝状陶瓷蓄热体。采用蜂窝状是因为蜂窝体体积小，比表面积相对较大，通道呈直线，压力损失低，不易发生粉尘堵塞，在使用过程中耐高温、耐腐蚀且热震性好。选用陶瓷材料是因为陶瓷在600℃以下时，比热容值高，蓄热体热导值较高，蓄热效果好。在换热过程中，热交换平均温差在300℃左右，温差压强小，不易出现破裂、剥落等现象，且它耐腐蚀，综合性能良好。该蓄热式加热炉的换向阀工作原理见图3。当需要向炉内送煤气和空气时，执行器通过气源的作用，带动换向阀的翻板轴旋转，而轴通过轴臂带动阀翻板旋轴将排气口封闭，这时进气口被打开，从而使空气或煤气通过换向阀的出气口被送进炉膛，煤气与空气混合发生燃烧。而炉子的另一侧换向阀同时将进气口封闭，排气口打开，通过引风机的抽力将炉膛内的燃烧产物(烟气)经烧嘴、沿线管路、引风机和烟囱排出炉外。这样，两侧换向阀根据设定时间不停地反向旋转，确保炉内一侧燃烧，一侧排烟气。排烟气的过程是将蓄热体加热的过程，而送气的过程是将煤气和空气预热的过程，煤气和空气通过被加热的蓄热体时被预热，从而使烟气余热得到很好的回收和利用嘲。该蓄热式加热炉的换向时间影响蓄热体的温度效率和热效率，同时对炉温波动幅度和火焰燃烧状况也有很大影响，因此需要确定合适的换向时间。在一般情况下，换向时间在40～60 s之间。在此范围内，温度效率和热效率都比较高[4]。

1．2 步进梁

在设计加热炉步进梁系统中，步进梁的动作分为两种，即正循环动作和逆循环动作(图4)。当步进梁处于后下位且按正循环动作时，它将按上升→前进→下降→后退动作，完成一个循环动作后回到原位，此时炉内钢坯列向前输送一步。当步进梁处于后下位且按逆循环动作时，它将按前进→上升→后退→下降动作，完成一个循环动作后回到原位，此时炉内钢坯列向后退一步。一旦出炉端因出钢而出现空位，步进梁自动输送钢坯列向出炉端行走，直到钢坯到达出炉位置，被出炉端激光检测器检测到。钢坯到达出炉位置时，步进梁即使未做完一次循环行走，也将立即停止并下降退回到后下位[5]。由于加热炉中产生的高温会对步进梁动作和性能产生不良影响，因此需要对步进梁进行冷却，文章采用的是汽化冷却系统。在对步进梁冷却时如果冷却不当又会造成大量的热量损失。为了减少热量损失，对步进梁上的滑块进行了巧妙的设计。以下将对汽化冷却系统及步进梁上的滑块进行分析。

1．3汽化冷却系统

加热炉汽化冷却系统结构框图见图5。汽化冷却系统由软水系统、除氧给水系统、汽包、循环水泵和水梁冷却回路等组成。由厂区供应的软化水进入软水箱，通过软水泵经调节阀进人大气式热力除氧器。除氧后的软化水通过给水泵经调节阀送人汽包，汽包中的冷却水通过循环泵吸入管、循环水泵和下降总管进入加热炉头的分配联箱，从分配联箱进入活动梁与固定梁冷却回路。在炉底梁中，部分水发生汽化，汽水混合物经各回水管返回汽包，在汽包中被分离成蒸汽和水，水流回内部冷却回路，蒸汽通过蒸汽引出管排到厂区蒸汽管网或在紧急情况下排入大气。汽包排出的蒸汽、系统小的泄漏和排污等造成的水损失，通过给水系统提供的软化水来补充，以保证汽包的水位恒定。为保证汽包的安全运行，给水阀阀门开度视汽包水位自动调整，一般将汽包的水位设在高水位。冷却回路中的冷却水靠循环水泵产生循环。正常工作时，一台电动循环泵运行，当循环水泵进出口联箱之间的压差过低时，备用循环泵自动启动。启动顺序为第二台电动循环泵先启动，达不到标准时，柴油机循环泵再启动。每台泵可以通过进出口阀门与系统隔离。为连接步进梁炉底冷却系统，在加热炉底部设有步进装置，它由上下联箱和3组柔性组件组成，一组用于进水，一组用于回水，一组备用，能够满足步进梁垂直和水平运动的需要。汽化冷却系统分4个循环冷却回路，其中固定梁2根、活动梁2根。每一冷却回路的冷却水流量根据该回路的最大吸热量来确定，该流量可以通过每一回路上的调节阀进行调节。以上各参数均配有就地显示仪表，系统中的关键参量配有仪表控制装置。

正常工作时，汽包的蒸汽压力和水位分别通过蒸汽送出气动阀、蒸汽放散电动阀和给水调节电动阀进行控制。蒸汽放散电动阀可以根据需要对汽包进行放散操作，当汽包压力过高且放散阀因故障不能开启时，安全阀打开，强制放散。当汽包水位与正常水位相差较大时，应立刻停炉对汽包水位进行监控调节，以维持系统正常运行。为控制水质，汽包设有定期排污管和连续排污管，以便将汽包内机械杂质排出。

汽化冷却系统的冷却效果取决于汽化水的热量吸收。为保证冷却质量，采用高倍率的强制循环，即提高冷却构件中的循环流速，降低循环管路中的汽化率，从而避免汽水分层现象，保证水梁的冷却效果。同时，除氧器的使用也是为了防止高温下对水梁的腐蚀，提高使用率。另外，在汽包内通过加药装置，定时加入水质调节剂，防止水梁、汽包等设备内部结垢[6]。

1．4滑块

钢坯在加热过程中，由于步进梁和滑块的屏蔽和吸热作用导致被加热的钢坯在接触滑块的部位形成低温区，即加热黑印。加热黑印严重时，会严重影响钢板最终的性能和尺寸。虽然采取提高加热温度或延长加、均热时间，放慢轧制节奏，有时甚至待轧的措施能够改善加热黑印，但它并没有被彻底消除，反而导致能源的消耗、钢坯的氧化烧损以及相关部件的使用寿命降低[7]。为了解决以上问题，设计了新型滑块(传统滑块和新型滑块的结构见图6)，新型滑块的优点如下：

(1)增加滑块的高度，使增加部分滑块的两个侧面完全暴露在包扎层以外，通过暴露的侧表面直接吸收高温炉膛的热量，一方面会促进滑块顶面温度的提高；另一方面能有效的降低汽化冷却系统对滑块顶面的吸热强度，减少与滑块接触的钢坯局部热量损失。

(2)如图7所示，滑块的侧面有若干个交错排列的孔洞，上面一排的孔洞位于在包扎层之上，使滑块底部到顶面的传热通道形成若干个间断点，其目的是阻止汽化冷却系统吸收滑块、钢坯和炉膛的热量，滑块顶面和炉膛的温度得到有效的保持，加热黑印被很好地消除。由于炉膛的热量损失减少，燃料消耗降低，钢坯的加热时间缩短，加热炉的生产效率大大提高。

(3)将滑块在步进梁上的排列方式由单列密排改为多列大间距错位排列，这样会使被加热钢坯与滑块接触的部位不在一条线上，呈现出间歇性。根据滑块的排列设计，钢坯在整个加热过程中，其局部接触滑块顶面的时间仅为传统单列密排方式的15％左右。也就是说，有近85％的时间，钢坯这一局部能够被直接加热，避免加热黑印的产生，使钢坯各部位的温度趋于一致。

(4)高温炉气通过新型滑块侧面形成的诸多空隙对滑块之间的钢坯底部直接加热，在一定程度上解决了加热阴阳面的问题。

新型滑块的使用使加热炉生产效率提高20％～30％，燃料消耗降低7％～15％，钢坯的氧化烧损减少0．2％，钢坯加热黑印阴阳面温差控制在20℃以内。

2 加热炉的钢坯氧化烧损与炉温曲线

钢坯的氧化烧损与加热温度、加热时间，特别是在高温条件下的停留时间、炉内气氛和钢的化学成分等因素有关。加热温度愈高，在高温停留的时间愈长，炉内氧化性气氛愈浓，加热产生的氧化烧损就愈多。在该加热炉系统中，加热温度和加热时间对钢坯的氧化烧损(钢坯烧损的质量百分数)影响见图8和图9。为了避免钢坯的氧化损耗，应严格控制加热温度、出炉温度及开轧温度，并采用全自动轧制来提高机时产量[8,9]。该加热炉12 h的炉温曲线见

图10，可以看出该加热炉的加热效果很好。

3 结语

钢铁业是我国的重工业，在国民经济中占有举足轻重的地位。但目前中国的钢铁在加热过程中还存在着许多不尽如人意的地方。文章从节约能源保护环境，提高钢坯加热质量和性能的角度出发，分析了钢坯的热送热装技术，设计了双蓄热式加热炉、步进梁、汽化冷却系统和步进梁上的滑块，研究了它们对钢坯加热的影响。并研究了该加热炉系统的钢坯氧化烧损与加热温度和加热时间的关系。最后给出了该加热炉的炉温曲线，加热效果理想。

参考文献：

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[5] 李中华．蓄热式步进加热炉的研发[J]．江苏冶金．2007，35(5)：29．

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[10] 黄庆学，秦建平，梁爱生．轧钢生产实用技术[M]．北京：冶金工、世出版社．2004．

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