加热炉的发展

轧钢加热炉发展动态 随着工业的快速发展, 节约能源、保护环境也越来越受到重视。各国也 因此制定了相应的政策, 并应用高科技手段将能耗和污染降低。近年来, 我 国在节能和环保工作上加大了政策力度和投入, 取得了显著的成效, 但与先 进国家相比,尚存在一定的差距。在冶金、 机械等主要部门所用的燃料工业炉 中，烟气带走了大量余热,烟气排放中燃烧污染物的含量超标严重, 我国已成 为世界上污染较严重的国家之一。如何有效提高工业炉的燃料利用率, 大幅 度降低污染排放量是急需解决的问题。因此利用先进技术，引进、 消化并开 发出新的节能设备，对设施进行改造，使之降低能耗和污染是十分必要的。

一．加热炉的燃烧器 九十年代至今, 美、日、英等国开辟出蓄热式燃烧器, 并不断加以发展完善, 实现了高效节能与低污染排放, 现已成功地应用于加热炉、 热处理炉、锻造炉等 工业炉上。 1.蓄热式燃烧器的原理结构和特点 1.1 蓄热式燃烧器的结构 蓄热式燃烧器主要由陶瓷蓄热室、燃料喷口、高温空气喷口、绝热管道、 换向阀等组成。燃烧器喷口既是火焰入口又是烟气排出口。蓄热室大多紧靠在燃 烧器上, 蓄热体材料的主要成份是氧化铝, 普通采用直径为十几毫米的陶瓷球。 近年来已发展采用蜂窝陶瓷体作为蓄热体, 蜂窝陶瓷蓄热体比陶瓷球蓄热体具 有更大的比表面, 蓄热效率更高。 蓄热式燃烧器必须成对安装, 两个为一组，其中包括两个相同的燃烧器, 两个蓄热器，一套换向阀门和配套控制系统。最新的蓄热式燃烧器常采用低 NO X 燃烧技术, 即分级燃烧、 烟气回流技术等。 燃料分成两部份, 少量的一次燃料与

高温普通空气燃烧, 进入炉膛的气体抽引周围炉气, 形成含氧量低于 15%的贫 氧高温区。 二次燃料在贫氧高温区进行彻底燃烧。国外常把这种燃烧方式称为 高温空气燃烧技术。 1.2 蓄热式燃烧器特点 1.2.1 较高的烟气余热回收率 采用蓄热式燃烧器, 可以最大限度地回收烟气中的热量, 能使空气预热到 800 e 以上的高温, 于是增加了炉内的热量, 大大地提高了炉子的热效率。

1.2.2 实现低空气系数下彻底燃烧 由于助燃空气被预热到着火点以上的高温,燃料与空气一接触就能迅速燃 烧, 而炉内部份烟气回流使燃烧火焰体积增大, 促进燃料与空气的均匀混合。空 气系数的减小, 不仅提高炉子的热能利用率, 也减小其它部件设备的尺寸。

1.2.3 炉温均匀分布 由于一对蓄热式燃烧器是在极短的时间内反复交替燃烧, 火焰长度方向的 温差被相互抵消。同时燃料在高温贫氧区燃烧, 火焰体积成倍增大, 火焰的边界 几乎扩展到炉膛边界, 从而使得炉膛内温度更加均匀, 温度梯度仅 50 e 摆布。 因此被加热物料受热均匀, 提高了产品的质量,延长了炉膛及炉内金属构件使用 期。 1.2.4 炉子热能利用率高。 随着炉膛平均温度增高, 炉内传热增强, 物料加热速度增快, 炉子热能利 用率大大提高, 炉子的产量随之增高。对于同样产量的炉窑而言,炉膛尺寸可缩 小 20%以上。又因为废气的排出温度低、体积小, 可避免采用有耐火材料内衬的 烟道、 烟囱, 其结构尺寸也可缩小。 所以炉子的总尺寸可缩小更多, 设备造价将 更低。 蓄热式燃烧器采用高温烟气预热空气、炉内烟气回流技术等, 成功地解决 了提高热能利用率和降低燃烧污物排放量两大问题。它的高效节能、 低污染体现 了当代工业炉发展的方向。 我国工业炉窑品种多、 数量大、 效率低, 燃烧污染物 排放量严重超标, 这些都影响了现代化工业的发展速度。蓄热式燃烧器作为一种 高效节能、低污染的新型燃烧器, 在国内工业炉上的应用还处于初始阶段, 因此 大力推广使用蓄热式燃烧器技术将产生巨大的经济效益和社会效益。

二．轧钢加热炉滑轨 目前轧钢加热普遍使用带有水冷管的连续式加热炉。钢坯在加热过程中， 由 于水冷管、垫块、隔热包扎层 、管上积渣的屏蔽和吸热作用以及焊接在水冷管 上的滑轨 ( 滑块)结构不合理 ，导致被加热的钢坯在接触滑轨的部位形成低温 区(称加热黑印)，严重时会造成轧机负荷波动，轧件产生上翘、下扣、侧弯， 影响轧制工艺稳定。在生产实践中， 为了减少钢坯“ 加热黑印”对轧钢工序产 品质量的影响， 通常采取提高加热温度或者延长钢坯的加、 均热时间， 放慢轧制节 奏 ，有时甚至待轧。即便如此，“ 加热黑印”问题仍没有得到彻底解决，导致 能源消耗、氧化烧损以及加热质量等技术经济指标始终徘徊在较低的水平。 1 现有加热炉滑轨存在的问题 1.1 滑轨工作面温度低、 钢坯热量损失大 滑轨是由焊接在冷却水管上的滑块罗列起来 形成供被加热的钢坯在其上面 向前运动的轨道。 目前，推钢式加热炉所使用的滑块多数为高 6 0~8 0 mm 的 实体，其底部焊接在直径为 102~159mm 的水管上，水管用耐火材料包扎， 其厚 度几乎与滑块高度相等。冷却水管的主要吸热通道集中在与高温钢坯接触的滑块 顶面上 ，显然，在加热过程中钢坯这一部位的热量损失是非常大的，会形成明 显的局部低温区域，被称之为“加热黑印”。

1.2 滑块罗列方式不合理， 加热效率低 附有包扎层的冷却水管及单列密排在其上面的实体滑块与横担在两条或者多 条滑轨上的钢坯形成为了一个或者多个“ Ⅱ”形结构，这个结构几乎彻底屏蔽了高 温炉气从 “ Ⅱ”结构的两侧向这一区域直接供热，形成加热死角。使钢坯在这 一 区域 ，主要依靠 “ Ⅱ”形底部的开口方向吸收热量。 由于冷却水管的吸热 作用，包扎层表层温度会比炉膛温度低，加之屏蔽的综合作用造成钢坯在“ Ⅱ” 形结构内产生局域性次低温带，被称之为“ 加热阴阳面” 。

1.3 加热时间长、能耗高、产量低 由于传统滑轨结构问题使钢坯在加热过程中形成较严重的“ 加热黑印”和 “ 加热阴阳面”，只能通过延长坯料受热过程、 延长均热时间甚至通过提高炉膛 温度来减轻这些加热缺陷， 这势必会导致燃料及辅助动力的消耗和钢坯的氧化烧 损居高不下，是目前加热炉生产效率低的主要原因。

2 新型滑轨设计 在调查了国内外先进加热炉滑轨结构和安装形式 ，分析各种滑轨使用经验 的基础上， 我们以鞍山市戴维冶金科技开辟有限公司的一项专利产品 “ 孔洞式 全热滑轨”作为解决 “ 加热黑印”和“ 加热阴阳面” 问题为研究对象 ，对其 结构设计、 罗列方式及工作原理进行了分析研究认为： 这种滑轨结构、 设计思路 科学合理 ，现场实施理论上可行 ，其特征表现为以下几个方面： ( 1 )增加滑块的高度，使增加部份滑块的两个侧面彻底暴露在包扎层以外， 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 ；另一方面能有效地降低冷却水管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 )滑块的侧面设有若干个交织罗列的孔洞，使滑块的底部到顶面的传热通 道形成若干个间断点。其目的是阻挠冷却水管吸收滑块、钢坯和炉膛的热量。滑 块顶面和炉膛的温度会得到有效的保持 ，“ 加热黑印”问题可有效解决 ，炉膛 的热量损失减少可节省燃料消耗。 ( 3 )将滑块在冷却水管上的罗列方式由单列密排改为双列大间距错位罗列， 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 的罗列设计， 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 30%摆布。就是说，有近 70%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 )通过对现有滑轨的结构及罗列方式的改进，新型滑轨滑块在滑轨的侧 面形成许多空隙，高温炉气可以通过这些空隙对两根滑轨之间的钢坯底部直接加 热 ，由于传统滑轨形成 “ Ⅱ”形加热屏蔽区而产生 “ 加热阴阳面” 问题， 得到了一定程度的解决。

三．轧钢加热炉排烟 加热炉是热轧厂的重要热工设备, 它所消耗的主要能量——热能的来源, 是依赖于燃料的燃烧。凡是利用各种燃料燃烧后放出的化学热作为热能来源的炉 子, 统称为燃料炉。 由于燃料燃烧时普通都会产生璀璨的火焰,因此燃料炉又可 称为火焰炉。这种炉子的特征是燃料在炉子燃烧室或者炉膛空间内进行燃烧, 燃烧 后生成炽热的燃烧产物(载热气体) , 载热气体的热量以对流和辐射传热的方式 传递给炉壁和炉料后,必须通过排烟系统(包括烟道和烟囱) 及时地排出炉外。 因此排烟系统是燃料炉的重要组成部份,一旦排烟系统发生故障,将给生产带来 如下的影响: ( 1) 炉内气体流动不顺畅, 燃烧烟气不能及时排出炉外,影响传热的正常进行;

( 2) 造成炉膛的压力偏高,炉内热气体通过炉门、窥视孔等向外溢气, 不仅增加 炉子的溢气热损失, 同时恶化了环境； ( 3) 影响燃料在炉内的正常燃烧。 由于燃料在燃烧室或者炉膛内燃烧时,需要有一 定的燃烧空间,若炉内气体流动不顺畅, 已完成传热任务的烟气不能及时排 出炉外, 则这些气体将充满燃烧室和炉膛, 造成燃烧空间被阻塞,不能保证 生产的正常进行。 四．轧钢加热炉烟气的余热利用 轧钢加热炉烟气的余热利用既是一个老课题,也是一个新课题。说它是老课 题,是因为最近十几年来向来在谈这个问题。说它是新课题,是因为在钢铁企业的 生产实践中烟气余热利用的水平并不高,而且向来没有质的突破。主要表现在余 热利用的程度不够充分， 面不够广， 有效性也不尽如人意。 所以在这方面加强研 究是十分必要的。 轧钢加热炉的节能工作是一项系统工程 ,炉子热量的有效利用是要让炉用 燃料的发热尽量留在炉内,而不是让它流出炉外后再进行回收,这是个前提,在这 个前提下才干谈充分、 有效地利用烟气余热。 提高轧钢加热炉烟气余热回收率的 途径有： (1)控制合理的烟气出炉温度。烟气的出炉温度往往由于炉子的炉型、加 热钢种、轧制的产品属性、 炉用燃料等的不同而不同。烟气出炉温度过高或者过低 都不好,普通认为 700~750 ℃的烟气出炉温度综合经济效益最好。 (2)轧钢加热炉的排烟系统和余热回收系统一定要做到严密不吸风,绝热性 能良好。不要忽视热风管道的绝热包扎,热风管道只要绝热较好,热风的温降控制 在每米 0.5℃以下是没有问题的。要防止盲目提高热风温度,因为这样做会增加 换热器的造价和给燃烧器的设计创造带来艰难。通过计算得出,以出炉烟气温度 的 55%~65%作为热风温度为最经济合理。 (3)要努力提高余热回收设备的装备水平,积极采用高效的余热回收设备。 目前轧钢加热炉的烟气余热利用以预热炉子的助燃空气为最普遍,这方面的高效 换热器型式不少,有插件管式、筒状喷流辐射式、箱式喷流、 列管式喷流等。应 用得最多最广泛的恐怕要算插件管式换热器了。 对轧钢加热炉的烟气余热进行充分回收、有效利用是企业降低产品成本,增 强市场竞争能力的有效手段。轧钢加热炉烟气余热的利用水平是衡量炉子总体水 平的重要标志。在重点抓好高温烟气余热回收利用的同时,也要重视中低温烟气 余热的回收利用。烟气余热利用的渠道要拓宽,除用来制热外也可用来制冷,特别 是溴化锂吸收式冷水机组特点合用于余热制冷,有推广价值。