轧钢加热炉设计论文

精品文档 1欢迎下载 目录 1 文献综述 3 1 1 概要 3 1 2 国内外发展趋势 4 1 3 步进梁式加热炉步进的原理 6 6 1 4 步进式加热炉工艺介绍 7 8 1 5 现代步进梁式加热炉特点 8 10 1 6 加热炉的节能途径 11 1 6 1 汽化冷却 11 1 6 2 余热回收利用 12 1 6 3 改进工业炉的炉体结构 10 14 1 6 4 改进步进式加热炉的控制 11 16 1 7 天然气的特性 17 1 7 1 天然气加热炉的优势 17 1 7 2 天然气特征和性质 18 1 7 3 天然气的燃烧特性 18 1 7 4 天然气加热炉应用实例 19 1 8 本章总结 19 2 设计方案 20 2 1 设计原始数据 20 2 2 设计方案 21 2 2 1 炉型的选择 21 2 2 2 装出料方式 21 2 2 3 供热方式 21 2 2 4 烧嘴的布置与选型 21 2 2 5 排烟方式 22 2 2 6 换热器结构 22 2 2 7 炉子主要部位砌筑材料和厚度 22 2 2 8 步进机械 23 2 2 9 炉体的钢结构 23 2 2 10 水梁绝热 23 2 2 11 热风管道的绝热包扎 23 3 热工计算 25 3 1 原始技术数据 25 3 1 1 天然气干成分 25 3 1 2 空气预热温度 t空 450 25 3 2 热工计算 25 3 2 1 燃料燃烧计算 25 3 2 2 炉膛热交换计算 27 3 2 3 炉长及加热时间的确定 30 3 2 4 炉膛热平衡与燃料消耗计算 33 3 2 5 天然气烧嘴的选用 42 3 2 6 空气换热器设计计算 43 3 2 7 空气管路阻力损失计算及鼓风机选择 50 3 2 8 天然气管路阻力损失计算 55 3 2 9 烟道阻力损失及烟囱计算 55 结论 60 精品文档 2欢迎下载 致谢 61 参考资料 62 翻译及原文 63 汉语翻译 63 步进式加热炉前置控制 63 英语原文 69 1 1 文献综述 1 1 概要 加热炉是工业窑的一大类别 是指被加热的物料在炉内基本不发生物态变化和 化学反应的炉子 对于冶金行业来说 加热炉是指金属压力加工前的加热和金属制 精品文档 3欢迎下载 品及半成品的热处理等用炉 加热炉是一个复杂的热工设备 它由以下几个基本部 分构成 炉膛 燃料系统 供风系统 排烟系统 冷却系统 余热利用系统 装出 料设备 检测及调节装置 电子计算机控制系统等 1 广义的连续式加热炉包括所有的连续运料的加热炉 如推钢式炉 步进式炉 输送带式炉 链式炉 辊底式炉 分室式快速加热炉 转底式 环行 炉等 但一 般习惯上通常称呼的连续式加热炉 则多指由推钢机运料的推钢式连续加热炉以及 后来发展的由步进梁或步进底运料的步进式连续加热炉 步进式炉大体可以分为两 类 一类是单面加热的步进炉 称 步进底式炉 WH 炉 另一类是由水冷的步进 梁和固定梁组成的双面加热步进式炉 称 步进梁式炉 WH 炉 前者主要用来加 热质量要求高的特殊钢 普通钢的中小型坯以及不便于推钢的料坯 后者主要用于 小时产量大的大板坯和方坯的加热 加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设备 它在轧钢生产中占有十分重要 的地位 它的生产任务是按轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加 热质量 并且在优质高产的前提下 尽可能地降低燃料的消耗 减少氧化烧损 2 为满足加热炉高产 优质 低消耗和少污染的要求 三高一低 理论应运而生 高炉温 就是提高炉子的温度水平 这可以用增加供热负荷来实现 如果不能 奏效时 可以从提高燃料的发热值 提高助燃剂的含氧量和提高助燃剂和燃料的预热 温度着手 从而提高燃烧温度和炉温 增加传给被加热物的热量 由此可以提高炉子的 产量 并为高温慢加热创造条件 高烟温 就是提高烟气的出炉温度 这也可以用增加供热负荷来实现 特别是 对连续式加热炉 可以在预热段内多布置供热点来加强供热 甚至在预热段内都供热 取消整个预热段 实施低温快加热的原则 由此提高整个炉子的温度水平 保证提高 炉子的产量 高余热回收 就是充分利用烟气的余热来预热助燃用空气和煤气时 提高燃烧 用空气和煤气的预热温度 进一步降低烟气的排放温度 将烟气余热的热量返回至炉 内 从而提高余热回收率 又提高炉子的热效率 节约燃料消耗 低炉子惰性 就是要降低炉衬的蓄热量 使炉子升温快降温也快 保证炉子在高 炉温情况下的加热质量和适应工况变化的能力 有助于生产过程的自动化和计算机控 制 保证提高加热质量 并且还可以降低炉衬的蓄热和散热热损失 进一步提高炉子 的热效率和降低燃料消耗 使炉子具有更高的科技水平 三高一低 加热理论突破了传统加热工艺的局限性 它必将为提高我国加热炉 生产水平发挥更大作用 1 2 国内外发展趋势 当今世界能源危机在不断加剧 从 1973 年世界上生第一次石油危机以来 促使 人类向开发新能源和节方面展开了大量研究 冶金行业的能耗约占整个行业能耗的 10 而轧钢生产能耗约占钢铁联合企业生产总耗的十分之一 其中 75 80 消耗于 各种加热炉 3 合理的炉型结构 对加热炉的产量 质量和能量消耗都具有积极的影响 随着 精品文档 4欢迎下载 轧机设备的大型化和自动化 加热炉的发展是很快的 现代炉子的特点是优质 高 产 低耗 长寿和操作简便 最近几年来 用于冶金轧钢的加热炉工艺上不断得到 改进 绝大多数的加热炉都是应用平顶式三段连续加热炉 如图 1 1 所示 随着国际钢铁需求量的增加 轧机向着高效率和大能力方向发展 相应地要求 板坯加热炉提高其炉床负荷 在有限的空间增加加热能力 因此 连续式加热炉由 一段式向多段式发展 进而出现了步进式 这也是最近应用最为广泛的加热炉 它 与以前经常使用的推送式加热炉相比有如下一些优点 1 用以加热各种形状的钢坯 并且特别适合加热推送式连续加热炉不便加热 的大型板坯和异型板坯 2 生产能力大 炉底强度可以达到 800 1000kg m2 h 与推送式连续加 热炉相比 加热等量的钢坯 步进式加热炉的炉长可以缩短 10 15 3 炉子长度不受推钢比的限制 不会产生拱料 粘连等现象 4 炉子的灵活性很大 在加热炉炉长不变的情况下 通过改变钢坯之间的距 离就可以调整炉内钢坯的数量 因而可以适应不同产量的要求 同时由于步进周期 是可调的 故可以根据不同钢坯的不同加热要求 调整钢坯在炉内的加热时间 因 而步进式加热炉的适应性很强 可以适应不同产量和不同加热速度的要求 5 当轧机出现故障而停车时 步进式加热炉可以保持踏步或者将钢坯从炉内 退出 以免钢坯长期在炉内造成氧化烧损和脱碳 6 由于步进速度可以调整并可测量 因此可以准确计算和控制钢坯的加热时 间 便于实现钢坯加热过程的自动化控制 此外 步进式炉不需要像辊底式炉 链式炉和分室快速加热炉那样须解决辊子 或链子的材质问题 可节约昂贵的耐热钢 这对某些钢材的热处理是合适的 因此 尽管步进式加热炉步进机构比较复杂 一次性投资高 但是自 1968 年 步进式加热炉在日本问世 投入使用以来 步进式加热炉得到了飞速的发展 尤其 是近十多年 随着轧钢技术向着大型化 连续化 自动化 多品种和高精度的方向 发展 步进式加热炉为适应工艺的要求 也朝着大型化 多功能 优质 高产 低 消耗 无公害和操作自动化的方向迈进 由步进式加热炉代替推钢式加热炉已是大 势所趋 据不完全统计 到 90 年代中期 世界上有大型步进梁式加热炉约 300 座 其 精品文档 5欢迎下载 中日本中外炉 CHUGAI ROCO LTD 和法国斯太因 霍特 STEIN HEURTEY 炉子公司 分别设计制造了百余座大型步进梁式加热炉 意大利皮昂特 ITALIMPIANTI 工程公 司设计制造了 50 余座 日本新日铁 NIPPON Steel CORP 设计制造 30 余座 4 当 前 日本 中外炉 公司及法国 斯太因 公司 这两家炉子公司所设计的步进梁 式炉均属世界第一流的 这两家炉子公司 技术成熟 先进可靠 经验丰富 无论 是炉型结构 设备的装备水平 控制水平 还是产品的加热质量和能耗指标 均属 世界上最先进的水平 1990年国外报道的由意大利IT公司为加拿大道菲斯克公司设计的二座步进梁式 炉 加热冷坯时产量为400t h 加热热装坯时产量为550t h 该炉内长47396mm 炉内宽12000mm 装有快速装出料机 能使每座炉子产量达1000t h 步进周期为 30s 该炉采用了很多先进技术 如热滑道水管汽化冷却 分离的二段式步进梁 二 级计算机控制 高效换热器 火焰长度可调烧嘴 换热器后安装余热锅炉 炉子热 效率为70 6 考虑余热锅炉后炉子系统热效率可达75 5 炉子单耗为327 4 18kJ Kg钢 笔者认为 该炉是目前世界上装备水平最高 最先进的步进炉 如 图1 2 5 图1 2 400t h步进梁式加热炉炉型曲线 我国步进式加热炉起步相对较晚 随着改革开放政策的实施 70 年代 我国武 钢从日本引进的 3 座 1700mm 热轧带钢步进梁式加热炉于 1978 年投产 引起国内钢 铁企业及机械制造行业的高度重视 在新厂及老厂技术改造中广为应用 80 年代宝 钢 2050 热轧带钢厂从 斯太因 公司引进了 3 座现代化的步进炉于 1989 年投产 我国 1984 年有 24 个企业建有步进式加热炉 40 座 到 1995 年 5 月全国已有 63 个企 业建有 91 座步进式加热炉 其中底式炉 53 座 梁式炉 32 座 梁底组合式炉 6 座 比 1984 年增加一倍多 原来步进式加热炉只是中小产量 现在小时的产量已达 100 300t h 而且从过去单一的步进式加热炉发展到包括步进底式 步进梁式 梁 底组合式和分段步进梁等多种形式 基本能够满足薄板 中板 厚板 热连轧 线 材 棒材 中小型材 钢管等的生产要求 我国步进式加热炉的发展过程 可分三 个阶段 第一阶段 整套引进 武钢 一米七 工程中整套引进三台日本的步进式加热炉 用于 1700mm 热连轧 板材的板坯加热用 于 1978 年投产 第二阶段 合作制造 精品文档 6欢迎下载 即引进国外软件和关键硬件 其余由国内制造 技术由国外负责 1979 年开始 国内有关设计 制造单位在宝钢工程中和日本中外炉公司 前联邦德国的尔芬 OUF 公司 法国的斯坦因 霍特 SH 公司就步进式加热炉进行技术交流 寻找合作伙伴 1984 年 国内首次和尔芬公司合作 制造了宝钢 D140mm 无缝钢管厂中的步进式再 加热炉 心棒淬火炉 回火炉 1985 年 国内和意大利皮扬特 IT 公司合作制造了 马钢高速线材厂的步进式加热炉 1987 年 国内和法国斯坦因 霍特公司合作制造 了宝钢热轧厂三台板坯步进式加热炉 1990 年 国内和斯坦因 霍特公司再次合作 制造了武钢热轧厂四号步进式加热炉 第三阶段 移植开发 在合作制造阶段中 设计研究院和制造厂着手研究 并消化国外先进技术 移 植开发国内迫切需要的步进式加热炉 1987 年 国内首次自行设计 制造了酒钢线 材厂的步进式加热炉 以后又陆续地设计 制造了攀钢热轧厂 韶钢热轧厂 涟源 钢厂等厂的步进式加热炉 我国在步进梁加热炉的设计开发方面 经过近十年探索和实践 除最佳化控制 技术外 其余技术均已掌握 并已应用于实际工程中 现在我国已能独立设计和制 造大型步进梁式加热炉 1 3 步进梁式加热炉步进的原理 6 步进式加热炉的步进机构由驱动系统 步进框架和控制系统组成 步进系统一 般可分为电动式和液压式两种 行进部分的驱动一般靠液压系统实现 升降部分有 的采用电动偏心轮式 也有的采用液压曲柄杆式或液压斜轨式 三类传动系统的相 比较 由于液压传动具有明显优点以及液压技术的的日益进步和完善 因而越来越 广泛采用 包钢两个高线厂 以及国内其它多家高线选用液压斜轨式 图 1 3 运动机构 1 炉壳 2 钢坯 3 固定梁 4 活动梁 5 驱动机构 在步进式加热炉里 钢坯的移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的 步 进梁的运动轨迹 如图 1 4a 为矩形 由升降机构的垂直运动和平移机构的水平运 动组合而成 步进梁相对于固定梁上升 前进 下降 后退 4 个动作 其动作顺序 根据起始点位置的不同而不同 一般将起始点位置设在步进梁下降和后退的位置上 则步进梁的动作起动后由上升开始 经前进 下降和后退到原来的起始位置 完成 一个周期的步进动作 这四个动作组成的一个运动周期 每完成这样一个周期 钢 精品文档 7欢迎下载 坯就从装料端向出料端前进一个行程 钢坯在炉内经过几十步的步进梁运动后 达 到轧制所需要的温度 然后由出炉辊道将其送往连轧机进行轧制 步进系统的动作根据工艺的需要可以手动 半自动和全自动控制 步进可以正 向操作 还可以反向操作 可作上升 下降的踏步动作 必要时在手动强制方式下 以爬行 点动 速度运行 步进梁的平移运动是由平移机构来完成的 水平运动时升 降机构不动作 液压缸活塞杆伸出步进梁前进 液压缸活塞杆缩回 步进梁后退 每动作一次 液压缸活塞都经过加速 匀速 减速 3 个阶段 步进梁的垂直运动是 由升降机构来完成的 垂直运动时平移机构不动作 液压缸活塞杆缩回步进梁上升 液压缸活塞杆伸出步进梁下降 垂直运动的速度曲线比水平运动的速度曲线复杂 多了一次中间减速运动 其目的是当步进梁接近固定梁时降低速度 使步进梁在取 放钢坯时平稳运行 为了消除步进动作时的冲击 在每个步进的动作其运行速度是 用比例阀严格控制的 每个动作有缓慢的加速过程 结束时又有减速过程 一般步 进梁上升下降高度为 200m 以固定梁顶面标高为基准 100mm 行进步距的大小 是由装料制度确定的 在装料制度变化时可在行进液压缸的行程范围内进行调整 步距一般为料宽的 1 5 1 6 倍 步进梁的运动速度方块图如图 1 4b 所示 图 1 4 步进梁 要使步进梁做匀加速或匀减速的变速运动 就必须控制驱动步进梁运动的液压 缸的运动速度 也就是进入或流出液压缸的液体流量 这就是速度控制的问题 在 液压传动系统中 主要的控制方式是阀控和泵控 阀控调速回路指的是节流调速回 路 泵控就是体积式调速回路 主要采用改变泵的有效工作体积进行调速 目前 电 液比例变量泵以其较好的动态特性和较高的稳态精度以及较低的成本逐步发展成新 一代变量泵 并广泛用于体积调速系统 比例变量泵由液压泵 比例阀 比例放大器和传感器组成一个闭环控制系统 其工作原理如图 1 5 所示 当给出的控制信号输入到比例放大器时 比例放大器根 据设定要求对此电流信号做相应的处理 然后相应产生一个 0 1 8A 的电流去驱动 比例阀电磁铁 电磁力推动阀芯 改变阀芯的位置 从而改变通过比例阀的流量 比例阀通过此流量去控制液压泵的斜盘活塞 改变斜盘倾角 从而控制液压泵的输 出流量 传感器根据液压泵斜盘的倾角将泵的输出状态反馈给比例放大器 与输入 信号进行比较两者有误差 则比例放大器根据比较结果对泵的输出进行调整 直到 误差在允许范围内为止 这样 比例变量泵对输出流量就达到了比较精确的控制 精品文档 8欢迎下载 图 1 5 比例变量泵工作原理 采用泵控系统调速 可以避免节流能量损失 提高系统的效率 这种系统结构 简单 流量控制直接方便 减少了故障点 便于维护 另外此种控制方式从根本上 解决了平稳起动 制动问题 实现了无冲击 无振动 快速短周期平稳运动 确保 了钢坯不错动 不跑偏 使出钢顺畅 1 4 步进式加热炉工艺介绍 7 加热炉是一个复杂的热工设备 目前在板材 棒材或线材的热轧生产中 广泛 采用步进式加热炉对钢坯进行炉内步进式运送并加热 加热炉是钢铁企业热轧生产 过程的关键设备之一 其性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量 坯成 材率 轧机设备寿命以及整个主轧线的有效作业率 根据工艺要求 要将钢坯循序 渐进地 均匀地加热到所有要求的温度 才能到轧钢工序去轧制 目前国内钢铁企 业大多采用步进式加热炉 因此下面结合国内某钢铁厂的步进式加热炉来简要介绍 一下步进式加热炉的工艺 该厂新建了一条棒材热连轧生产线 其中配有一台步进 式加热炉 用来加热合金钢 使其达到热连轧所需要的温度分布 该步进式加热炉 采用的是端进侧出的装钢方式 其有效炉长为 29348mm 炉膛内部宽 5800mm 有效 炉底面积为 161 5m2 炉子的额定产量为 70t h 炉底的单位过钢量为 503Kg m2 h 加热炉步进梁的步距为 230 320mm 步进周期 34s 加热的钢种主要有轴承钢 不锈 钢 合金钢 碳结构钢 弹簧钢等 加热的钢种主要有 轴承钢 不锈钢 合金钢 碳结构钢 弹簧钢等 加热钢 坯的规格主要有 240mm 240mm 3500mm 200mm 200mm 5000mm 150mm 150mm 5000mm 120mm 120mm 5000mm 该步进梁加热炉的结构简图如图 1 6 所示 该加热炉沿着炉长方向分为预热段 加热 段 加热 段和均热段 其中预热段的长度比较长 主要是为了充分利用烟 气的热量来预热钢坯 以提高燃料的利用率 为了将钢坯加热到规定的目标温度 加热炉以冷发生炉煤气为燃料 通过加热段 加热段 和均热段对钢坯进行加热 在进行炉温控制的时候 预热段内没有设置烧嘴不参与控制 加热段 加热段 和均热段各段的上下区域都设有烧嘴 因此可将加热炉分为六个控制区域进行控制 精品文档 9欢迎下载 图 1 6 步进梁加热炉结构示意图 钢坯的加热过程介绍如下 首先 用电磁式吊车将钢坯成排的吊运并放到装钢台架上 由装钢台架的链 式运输机将钢坯逐根送到第一组装钢辊道旁的拨钢机槽内 再由拨钢机的拨钢杠将 其拨到第一组辊道上 在由第一组辊道运送到第二组辊道的过程中检测钢坯的长度 不合格的钢坯将由设置在第二组辊道上的剔除装置剔除 并收集到辊道旁边的集料 架上 而合格的钢坯将在第二组辊道上进行称重 然后被运到第三组辊道上准备装 炉 在加热炉准备要钢时 再把钢坯从第三组辊道送至第四组辊道 并根据钢坯的 长度将钢坯准确的固定在第四组辊道上 此时 加热炉的步进梁伸到钢坯底部的辊 道之间将钢坯托起 前进 下降 将钢坯放到固定梁上 步进梁接着下降脱离钢坯 然后退到下一块钢坯的底部 再依次重复上述的托起 前进 下降 脱离 后退等 步骤 将下一块钢坯装进炉内 如此反复的运动 使得钢坯在炉内能够步进式的前 进 从预热段经加热段 加热段 和均热段的加热 最终送到出钢端的出钢悬臂 辊道上 然后由该辊道将加热好的钢坯运送出炉 经过飞剪和高压水除鳞后送到粗 轧机组进行轧制 加热炉的热工制度主要包括温度制度 燃料燃烧制度和炉压制度等 为了保证 燃烧的正常进行 该加热炉采用了双交叉限幅燃烧控制系统与带动态补偿的炉压控 制系统 同时对煤气的温度 压力与助燃空气的温度 压力以及热风放散温度分别 进行控制 在热连轧生产线上 加热炉应该在保证向粗轧机提供符合轧制工艺要求 的温度分布的钢坯的同时 尽可能的降低加热炉的能耗和钢坯的损耗 因此 目前 普遍采用低温出钢的方法对钢坯进行加热 通过这种方式不仅可以降低加热炉的加 热能耗 而且对于延长加热炉的使用寿命 减少炉体的渣量和清渣操作都是很有利 的 由于钢坯的成本较高 因此应在加热过程尽量减少钢坯的烧损和氧化铁皮以及 防止脱碳等情况的发生就显得尤为重要 减少钢坯烧损和脱碳的方法主要有 1 在能够满足粗轧机轧制工艺要求的前提下 尽可能的降低钢坯的出炉温度 尽可能 以粗轧机要求的最低温度出钢 2 尽量缩短钢坯在高温段的停留时间 根据钢坯 脱碳随钢坯温度变化的规律 要求在 500 600 之间要缓慢加热 使得钢坯能够均 匀加热 在 600 以上要实现快速加热 尽量缩短钢坯在高温区域的停留时间 以 减少钢坯脱碳和降低加热炉能耗 精品文档 10欢迎下载 1 5 现代步进梁式加热炉特点 8 步进梁式加热炉经过几代的发展和创新 已日臻完善 为了不断提高坯料加热 质量和进一步节约能耗 一批先进技术应运而生 归纳起来有如下特点 采用全炉顶平焰烧嘴 经在加热炉上采用平焰烧嘴的实践证明 它有以下主要特点 低压燃烧 节 约燃气 炉膛内温度均匀 升温速度快 缩短了加热时间 氧化和脱碳少 温度 易于控制 消除了局部过热等加热缺陷 燃烧空间小平焰烧嘴无喷射式烧嘴前冲 火焰 因此锻件可以比较接近烧嘴 既降低了炉膛高度 又提高了热效率 操作 时 由于炉压易于控制 因此炉前的作业环境得到了改善 有利于改善作业环境 下加热安装端烧嘴 炉膛隔墙 新设计的步进梁式加热炉 在上加热平焰烧嘴供热部位或下加热侧烧嘴供热部 位 均设置炉顶吊挂式隔墙或炉底隔墙 形成扼流 并防止相邻炉段高温辐射 以 保证各供热段区域温度的准确控制 交错步进梁 老式步进梁炉步进梁是一直线 钢坯和步进梁接触位置不变 使 黑印 增大 现将步进梁进入均热段后在横向 炉宽方向 偏离一个距离 使进入均热段的钢坯与 步进梁接触点的位置改变 从而减少了 黑印 温差 从过去 40 50 的温差减少 到 15 20 的温差 两段步进梁 老式步进梁式 步进梁为一段 一套传动装置 现可将步进梁分成前后两段 两套传动装置 两条步进梁可单独运动 也可同步运动 采用两段步进梁式步进炉 一是用于解决弹簧钢加热的脱碳问题 钢坯在出料端步进梁上 大步距快速通过高 炉温段 大大减少了高温脱碳 一是用于连铸坯直接轧制或热送热装工艺铸坯的加 热和缓冲 正常生产时 铸坯以大步距快速通过装料端步进梁 送到下段步进梁上 加热和均温 当轧机换辊或故障时 铸坯以小坯距装在此段 进行缓冲 最佳化控制 过去 步进梁式炉只有基础自动化级控制 近十年来 国外炉子公司都相继开 发了理想加热曲线 并建立了钢坯加热数学模型 采用计算机和数学模型按照理想 加热曲线对钢坯加热进行最佳化控制 以获得最好的加热质量和最低的能耗 1 6 加热炉的节能途径 加热炉的节能途径离不开以下几方面 l 通过对工业加热炉的热工测定 编制热平衡表 这样能全面地了解工业加热 炉的热工过程 从而找出节约能源的有效途径和方向 2 尽量选用节能新型炉型 采用新燃烧装置以及新型节能材料等 节能新型炉 型主要包括 快速加热炉 无氧化加热炉 步进式加热炉 快速模锻加热炉和热滑道 加热炉等 新型燃烧装置有蓄热式烧嘴 平焰烧嘴 高速烧嘴 自身预热烧嘴 低 NOx烧嘴 调焰烧嘴和超声波雾化油烧嘴等 新型节能材料包括高温高辐射涂料 耐 火纤维 岩棉以及超轻质砖等 精品文档 11欢迎下载 3 采用先进的自动控制技术以成为工业加热炉节能的一项普遍而至关重要的措 施 特别是采用微机控制系统 己经成为工业加热炉自动控制的发展方向 4 从组织 生产 操作三方面着手 加强能源管理工作 为了降低步进式加热炉的能耗 在加热炉的设计上 加热工艺上和现场操作上 人们做了大量的研究和尝试 现将比较常用的几种节能措施予以介绍 1 6 1 汽化冷却 在步进式加热炉内 过去固定梁 活动梁大都采用水冷却 但近十几年来 国 外步进式加热炉的汽化冷却技术有了很大的发展 汽化冷却的节能效果也逐渐被人 们所认识 采用汽化冷却来冷却固定梁和活动梁已成为发展趋势 汽化冷却与水冷却的目的都是从被冷构件中带走热量 从而使被冷构件在金属 材料允许的温度下正常工作 水冷却最大的缺点在于水的允许温升受到限制 若水 温太高 易形成水垢附着在管内壁 从而造成局部过热 影响冷却构件的使用寿命 汽化冷却是用接近饱和温度的水通过被冷却构件吸热使部分汽化成为汽水混合物 这是一个由单相流动变成两相流动的一个相变过程 其结果是强化了热交换 对流 换热系数比单相换热提高了几十倍 这不仅大大节省了用水量 而且汽化冷却系统 所产生的蒸汽又是工业生产中必不可少的能源介质之一 从能源的利用与回收方面 来看 步进式加热炉在消耗一次能源的同时部分地将其转换成二次能源 蒸汽 并 加以回收利用 从而大大地节约了能源 减少了对环境的污染 水循环汽化冷却循 环系统见图 1 7 图 1 7 步进梁式加热炉汽化冷却系统 步进式加热炉汽化冷却装置一般由以下几部分组成 软水处理系统 给水泵 汽包 循环泵 及柔性组件 经过处理的合格软水 由软水箱经给水泵进入汽包 以补充汽包内由于外供蒸汽而形成液位下降所需水量 循环泵将汽包内的冷却水经 下降管 下连箱 柔性组件进入固定梁 步进活动梁 吸收热量后 由水变为汽水 混合物 经柔性组件 下连箱 再经上升管回到汽包 如此组成一个循环系统 循 环水进入每组固定梁 活动梁 都需进行水量调节 使水量根据每组热负荷的大小 精品文档 12欢迎下载 得到合理分配 汽水混合物回到汽包后 进行汽水分离 蒸汽储存于汽包上部 并 可按外供所需参数将蒸汽送到用户 水则储存于汽包下部 与补充水一起参加再循 环 与热水及冷水冷却方式相比较汽化冷却维修次数要多些 一次投资要高些 其 次是设计复杂 对水质要求也高 若采用汽化冷却就必须有水处理装置 仅此就要 增加投资近 10 但是在步进式加热炉上采用汽化冷却技术进行节能 国外的几家 公司已取得了明显的经济效益 德国 Oschatz 公司是世界上最大的一家设计 制造 步进式加热炉汽化冷却系统的公司 据介绍经 Oschatz 公司设计 制造的步进式加 热炉汽化冷却系统已有 80 多座在世界各大钢厂投入生产 由此可见步进式加热炉汽 化冷却系统已作为一项比较成熟的技术正逐步取代传统水冷却方式 我国从 1995 年 开始 有几家钢铁厂已陆续上了汽化冷却装置 如上钢二厂 包头友谊轧钢厂 本 溪钢铁厂等 也取得了很好的经济效益 以上钢二厂为例 由于汽化冷却装置的运 行 直接节约的生产费用为 77 34 万元 a 间接避免停产损失费 133 万元 a 直接 增加效益 71 28 万元 a 常年效益为 287 62 万元 a 1 6 2 余热回收利用 步进式加热炉烟气带走的热损失占相当大的比重 对其进行余热回收 是提高加 热炉的热效率 节约能源的重要途径 加热炉余热利用的主要形式有 余热锅炉 空气 煤气双预热 空气预热器后再 安装余热锅炉或热交换器等 余热锅炉主要利用加热炉的余热产生蒸汽 供生产和生活使用 空气 煤气双预热 是利用高温烟气预热助燃空气 空气预热到 350 450 之 后 通过空气预热器的烟温仍在 450 500 这部分热量如果排放掉是一种浪费 空气预热温度再提高一定温度要比把煤气预热到相当温度困难 且不经济 因此利 用中低温烟气 使煤气预热到 150 250 就能大大降低排烟温度 充分利用烟气 余热 提高加热炉热效率 对燃油加热炉来说 空气预热到一定温度后 可以在预热器后安装余热锅炉或 过热器 产生过热蒸汽或热水 用于预热液体燃料或供生产 生活用汽 达到节约 能源的目的 该技术在加热炉上的运用已比较普遍 在国内如鞍钢 鞍钢厚板厂步 进梁式加热炉的烟道内装有预热助燃空气的换热器和加热重油雾化蒸汽的加热器 其换热器采用四行程碳钢渗铝高效波纹管插件式换热器 设计空气预热温度 550 实际空气预热温度为 400 500 节能 15 左右 为了进一步回收烟气余热 在空气 换热器后安装了重油雾化蒸汽加热器 将 160 的饱和蒸汽加热到 300 强化重油雾 化 节能约 10 目前国外用来回收烟气热量的高效换热器品种很多 较有发展前途的有波纹管 插入件换热器 喷流辐射换热器 网状面辐射换热器 高效蓄热式换热器 以及最 近市面的空间传输对流换热器等 它们共同的特点是综合传热系数高 单位体积的 传热量大和性能价格比高 上世纪 90 年代 西方发达国家研究出了高温蓄热式燃烧技术 它具有高效 节 能 环保三种优点 与传统燃烧技术相比 高温空气燃烧技术通过蓄热式烟气余热 精品文档 13欢迎下载 回收 可使空气预热温度达到烟气温度的 95 不仅大大提高了加热炉的热效率 而且由于空气预热温度很高 也大幅度地提高了炉膛温度的均匀度 高温空气燃烧 技术可节能 60 以上 而且大大降低了 CO2的排放量 高温空气燃烧技术实现贫氧区 域燃烧 使 NOx的排放量也大大减少 为传统燃烧技术的 1 15 1 20 此外 高温 空气燃烧技术燃烧噪音低 减轻了噪音对环境的污染 紧接着又开发出几种高温空 气燃烧器 在日本 美国 欧洲等地用于生产实际很快 目前该技术经济效益显著 其开发应用也日臻成熟 目前已成为加热炉发展的主要趋势 蓄热式陶瓷燃烧系统原理及工作组成如下 图 1 8 9 图 1 8 蓄热式燃烧技术工作原理示意图 蓄热式陶瓷燃烧系统 Regenerative Ceramic Burner RCB 由两个烧嘴 两个 蓄热室 一套换向装置和相配套的控制系统组成 如图 1 所示 模式 A 表示烧嘴 A 处 于燃烧状态 烧嘴 B 处于排烟状态 燃烧所需空气经过换向阀 再通过蓄热室 A 被其 预热后在烧嘴 A 中与燃料混合 燃烧生成的火焰加热物料 高温废气通过烧嘴 B 进入 蓄热室 B 将其中的蓄热球加热 再经换向阀后排往大气 持续一定时间 如 20s 后 控制系统发出换向指令 操作进入模式 B 所示的状态 此时烧嘴 B 处于燃烧状态 烧嘴 A 处于排烟状态 燃烧空气进入蓄热室 B 时被预热 在烧嘴 B 中与燃料混合 废气经蓄 热室 A 将其中蓄热球加热后排往大气 持续与模式 A 过程相同的时间后 又转换到 模式 A 过程 如此交替循环进行 蓄热式燃烧技术具有节约燃料 提高热利用率 降低排放量 减小设备尺寸等 优点 1 6 3 改进工业炉的炉体结构 10 1 提高炉体的保温性能 减少与外界的辐射 对流和导热热损失 落后的工业炉 其炉体的保温性能不好 甚至没有炉围 炉墙和炉顶 来保温 炉子 精品文档 14欢迎下载 的散热损失几乎占 80 以上 散热损失极大 炉子的热效率很低 其值仅为 10 以下 造 成燃料消耗很高 而比较先进的工业炉 力求将其炉围的散热损失下降到 10 20 炉子的热效率可大为提高 因此 必须提高炉体的保温性能 减少与外界的辐射 对 流和导热热损失 为此 应该做到 1 提高炉体的密封性 保持炉膛高温 减少炉体散热损失 工业炉的炉体必须用炉围来保温 并且应该非常密闭 以防高温炉气外溢 将炉体 结构烧毁 同时 外溢的热气体还带出大量的热量 造成不应有的热损失 因此 加强 炉子的气密性 减少炉子缝隙 以减少炉子的逸气热损失 是工业炉节能最容易实现的 措施 为了更好地提高炉体的密封性能 先进的工业炉都在炉衬外侧包以钢板密封 虽然投资高了一点 但节能效果是好的 还可增加炉体的强度和美观 是值得的举措 2 减少炉门及其开启时间 以减少通过炉门的辐射热损失 为了观察炉内的情况 便于操作 工业炉必须安装一定数量的炉门和观察孔 当 炉门开启时 炉内的热量大量辐射至炉外 造成很大的热量损失 不仅提高了燃料消耗 而 且恶化了周围的环境和操作条件 因此 必须减少炉门和观察孔的数量 及时关闭炉 门和观察孔 以节约能源消耗和减少对周围环境的影响 炉门打开时 会将炉内的热 量以辐射传热的方式散失至炉外 炉温越高 散失的热量越多 而且与炉温绝对温度 的四次方成正比 其值增长很快 例如 炉内温度为 1300 炉外温度为 20 时 辐射 传热量近似为 347000W m2 其数值是非常惊人的 必须引起高度注意 2 提高炉衬的轻质化和绝热性能 减少炉衬的导热和蓄热损失 1 提高炉衬的绝热性能 减少炉体导热损失 有了炉围就可以保持一定的炉温 减少炉体的散热损失 但是炉衬的质量直接影 响到热量的散失大小 绝热性能好的炉衬才能起到良好的保温作用 因此 必需提高 炉衬的绝热性能 才能减少炉衬的导热损失 这就是采用导热系数低的耐火材料砌筑 炉衬 并且采用不同的导热性能和耐火性能的材料来分层地砌筑 以发挥各自的优点 所以 一般工业炉的炉衬都由几层不同材料和不同厚度的耐火材料组成 2 加强炉体的轻质化程度 减少炉体蓄热损失 在炉子开炉时 特别是周期生产的炉子开炉时 加热炉衬需要一定的热量和时间 而在炉子停止生产后 这部分热量就损失掉了 炉子蓄热损失的大小与炉衬材料的密 度有直接关系 加强炉体的轻质化程度 就可以减少炉体的蓄热损失 目前 不少工业炉已采用轻质高铝砖 轻质粘土砖来减低材料的密度 取得很好 的节能效果 更有不少先进的工业炉 采用耐火纤维来代替耐火砖 大大降低了材料 的密度 大幅度地减少了蓄热损失 成为工业炉节能技术改造的重要措施之一 少数人认为 对连续炉来说 采用轻质材料砌筑炉衬的意义不大 这是不完全正确 的 从理论上来分析 的确如此 因为只有停炉时才会有蓄热损失 既然连续生产 当 然没有这种热损失 不过 实际上连续炉的炉温并非一成不变 由于某种操作 如处理 生产事故 需要减少热负荷 降低炉温 这时就会产生蓄热损失 所以对连续炉来说 也是需要采用轻质材料来减少炉衬的蓄热损失 只不过其意义不如周期炉那么大 但 其更重要的意义 还在于采用轻质材料后 可以降低炉子的热惰性 减少滞后以提高炉 子控制的灵敏度 使工业炉的生产过程更容易自动化 炉子的快速升温 可以增加作 精品文档 15欢迎下载 业时间来增加产量和减少燃料消耗 炉子的快速降温 又可以减少钢材的氧化烧损和 过热过烧 保证钢材的加热质量和降低燃耗 所以 连续炉的炉衬也需要采用轻质材 料 3 增加炉衬内表面的黑度 增加炉衬内表面的黑度 也就是增加炉衬内表面的辐射能力 可以提高炉子的生 产率 也可以起到节能作用 但作用有限 一般不超过 5 增加黑度的方法有 1 在炉衬内表面涂一层辐射能力大的涂料 如碳化硅 氧化 铬 氧化锆等粉末 加粘结剂混合而成的一类胶体 可以使其表面的黑度接近黑体 达 到最大的辐射能力 涂料的使用寿命 由于炉内的工作条件特别恶劣 一般都不太长 很少超过 3 6 个月 2 将炉衬内表面砌成凸凹形 增加了炉衬的表面积 也就是增 加了炉子的炉围伸展度 因而可以强化炉内热交换 在其他条件不变的情况下 可将 辐射传热量增加 24 以上 提高了产量和减少了燃料消耗 3 在炉衬内表面粘贴一 层耐高温的耐火纤维 这种措施的节能效果较好 这是因为 一方面耐火纤维的黑度 接近于 1 可以增加炉内的辐射热交换量 提高炉子的产量 节约燃料消耗 另一方面 耐火纤维的导热系数很低 蓄热量很小 因此可以减少炉衬的导热损失和蓄热损失 可 以较大幅度地节约燃耗 还可以提高炉温而增加产量 是很有发展前途的一种节能措 施 1 6 4 改进步进式加热炉的控制 11 连续加热炉的操作水平直接影响产品的质量 产量和生产消耗指标 所以国内 外关于加热炉自动控制的研究一直受到重视 发展的比较快 也取得了较为丰硕的 成果 步进式加热炉的自动控制主要是控制加热炉内燃烧工况达到最佳 即在温度 及工艺条件满足要求的前提下 燃料和空气量保持最佳配比 氧气量整定控制技术 即是其中之一 将氧化锆氧化量检测探头布置于加热炉炉顶 通过检测燃烧产物湿 成分的氧浓度 可实现氧含量的连续检测 其中供热区氧含量的检测值用来整定烧 嘴的空 燃比率 保证所需要的含氧量 依据每段助燃空气的检测 并将其值输入比 率调节器 由常规的空 燃比率控制系统来实现 空气先行 的策略 再依照操作者 按各种钢种选取的比率自动地调节煤气流量 在最低允许的空 燃比下运行可提高能 源利用效率 该技术在以油 汽为燃料的步进式加热炉上同样适用 80 年代以来 由于计算机的发展与普及 加热炉开始采用数学模型以优 化炉子的操作 我国从 80 年代初开始进入加热炉计算机控制系统研究阶段 就国内来说 我国 钢铁企业现有轧钢炉窖近千座 其中加热炉 700 多座 有些加热炉可达到国外 90 年 代水平 但发展极不平衡 先进与落后差距很大 目前 国内大多数加热炉的计算 机控制水平很低 虽然引进了一些先进的控制系统和设备 但绝大部分加热炉计算 机控制系统仍然处在计算机过程控制的水平上 且仅局限于以燃烧控制技术为基础 绝大部分未能实现模型化控制 甚至还有少数加热炉由人工操作 其加热质量和能 耗相距甚远 近几年来 随着学科交叉的日益深入 计算机科学的不断发展和现代 控制理论的逐渐成熟 国内对加热炉数学模型的研究越来越活跃起来 并且取得了 一些进展 例如陈永 张卫军 陈海耿以能量平衡和热传导方程为基础 建立较为 精品文档 16欢迎下载 严密的炉子简化模型 使燃料消耗这个目标量与钢温联系起来 构成燃料消耗最低 的真实目标函数 从而可以运用最优升温曲线 为充分减少加热炉工况 运行条件 和环境等变化因素对加热炉描写精确化带来的不利影响 梁军引入模型在线辨识机 制 推导了一个具有在线校正功能的离散化模型 并在此基础上 运用了广义最小 方差控制原理设计相应的自校正控制算法 杨宗山 陆宗武以热平衡原理为理论基 础 建立加热炉的机理数学模型 直接以加热炉各段燃料消耗为目标 实现加热炉 各段燃料的最小化 并且根据所得模型 按照炉内加热耗能最小的原则 实现了最 优递阶计算机控制 虽然加热炉数学模型目前己取得了一些研究成果 但还有许多 的工作可做 如何有效地把加热炉的工艺特点和实验数据结合起来形成一种工艺模 型 并利用机理模型和热平衡计算来修正该模型将成为今后数学模型的一个重要研 究领域 在加热炉模型化研究的同时 计算机控制应用也日趋广泛 提出了新的控 制策略 控制水平有所提高 甚至有的加热炉计算机控制系统部分实现了以数学模 型为主导的钢坯温度控制 例如莱钢热轧窄带钢步进式加热炉计算机优化控制系统 中的热工控制由直接数字控制 DCC 和计算机监督控制 SCC 两级组成 DCC 级的燃 烧控制实现了双交叉限幅控制 并提出切除积分的点补充条件 改善了控制效果 同时以软件的方式实现了煤气热值的动态实时估算 保证了空气消耗系数随热值同 步变化 SCC 级提出了考虑二维效应的一维平板模型 提高了模拟的精度 并以段 法的离线分析解决了总括热吸收率的动态补偿问题 还建立了金属氧化烧损模型 对金属氧化烧损量进行在线实时跟踪计算 有利于降低氧化烧损 实现了加热炉的 优化控制 秦皇岛首钢板材有限公司加热炉计算机控制系统 避开许多难以检测的 物理量及建立精确数学模型的困难 而直接根据系统中易于检测的温度 压力 流 量等三种物理量 采用智能控制技术设计了智能控制器 进行系统辨识 实现了加 热炉的智能和优化控制 炉子的单耗从 47 683kg t 下降到 33 04kg t 氧化烧损从 1 67 下降到 0 96 浙江大学的梁军将智能控制的思想和方法与自校正控制技术相 结合 提出了一个基于知识和在线辨识机制的加热炉混合智能控制系统 还在此基 础上 进一步研制开发成功了一套轧钢加热炉计算机集成控制系统 FURNCUN 并 己应用在多个轧钢厂的加热炉中 总之 我国的理论研究虽已赶上国际水平 但与 工业发达国家相比 差距仍然不小 为了提高我国加热炉控制的水平 还有大量的 工作有待于进一步开展 近年来 国外人工智能和发展的实用化 特别是模糊控制和专家系统取得成功 已用于加热炉控制中 如日本川崎钢铁的加热炉控制系统 1 7 天然气的特性 随着我国绝大部分地区开始普及使用天然气及燃料技术和工业炉技术的日趋成 熟 很多钢铁厂都开始改造和新建燃天然气加热炉 1 7 1 天然气加热炉的优势 燃气加热炉相对于燃煤和燃油加热炉有很明显的优势 所以在有气源的地方现 行设计的加热炉 可以考虑使用天然气加热炉 1 品质优势 天然气的洁净优势可以将对排放物对环境的影响降到最低 有 精品文档 17欢迎下载 了这种优势 加热炉尾气可以直接排入厂房内而不至于影响车间生产环境 2 结构优势 天然气加热炉不需要依赖烟囱的抽力就能运行 只需要有高出 炉顶 2 米左右的铁烟囱即可 这样一来既可以节省烟道和烟囱投资 又可以使炉子 安装时不受烟道位置的限制 工艺流程布置更合理 3 节能优势 天然气加热炉顶的短小烟囱很容易制成热交换器 将燃烧所需 要的助燃风进行预热 从而提高热效率 天然气是一种清洁能源 具有热值高 燃烧稳定 设备简易 便于控制以 及污染小等优点 炉用燃料的选择对组织炉内火焰的合理 稳定 高效燃烧起 着决定性的作用 所以火焰炉的最佳燃料是气体燃料 特别是高热值的天然气 戊烷合成气 混合煤气等 鉴于天然气的种种优势 天然气富裕的地方开始以 天然气代替其他燃料作为加热炉燃料 下面将介绍天然气的一些特性 1 7 2 天然气特征和性质 天然气为天然的气体燃料 其成分大部分为碳氢化合物 天然气燃料内含有大 量低碳氢和高碳氢化合物 如甲烷 CH4 乙烷 C2H4 丙烷 C3H8 高碳氢化合物 CnHm 等 各组分的量都是用体积百分数表示 天然气的成分根据产地不同有一 定的差别 即天然气内含的碳氢化合物的体积百分数有所差异 天然气相对密度为 0 587 低位发热值为 3532KJ m3 理论空气耗量为 9 4 黑 度值 不发亮火焰 0 2 0 3 微弱发亮火焰 0 4 发亮火焰 0 6 火焰燃烧速度为 0 5 0 7 天然气不仅是优质的原料 也是宝贵的化工原料 作为气体燃料具有热 值高 热值比煤气 6070KJ m3 焦炉煤气 14650KJ m3 更高 质量稳定 设备 简易 便于控制以及价格经济和减少污染等优点 12 1 7 3 天然气的燃烧特性 天然气是以甲烷为主的烷烃类气体 天然气在大气中的燃烧是扩散式燃烧 燃 烧过程是天然气与空气混合 着火燃烧 其中混合是燃烧过程的关键 混合效果取 决于以下几个因素 1 两气流的温度 2 两气流的质量 3 两气流的相对速 度 4 两气流的相交角度 扩散式燃烧时 天然气与空气两气流的情况是 没有 经过预热 体积差大 1 份天然气燃烧约需 10 份空气 密度差较大 天然气与空气 的密度差为 0 58 0 62 1 相对速度和交角小 相遇时无涡流 所以单纯的扩散 燃烧混合不良 燃烧不完全 火焰软而长 天然气火焰喷出速度小 动量小 难以 克服火焰空间的高温浮力 必然会向上飘 美国产的天然气含有 16 左右的 C2H4 火焰亮度比中国 俄罗斯及西欧产的天然气火焰亮度更高 德国和俄罗斯均在研究 天然气燃烧过程自增碳的方法提高火焰亮度 表 1 1 中给出了 CH4 CO 和 H2的主要特性 H2的燃烧反应机理是典型的支链反 应 主要的基本反应是自由原子和自由基的反应 几乎每一个环节都发生链的支化 这种连锁反应的反应速度随时间变化的一个重要特征是反应的初期有一个 感应期 CO 的燃烧反应也具有像那样的支链反应特征 实践证明 CO 只有在有水存在的情况 下才可能开始快速的燃烧反应 因有水参加 这是一个复杂的连锁反应 一定浓度 的水有利于 CO 的燃烧反应 但水分过多 则会因降低燃烧温度而减慢反应速度 精品文档 18欢迎下载 CH4的燃烧机理比 H2和 CO 复杂 它在较低温度下就开始反应 温度区域不同 反应 机理也不同 CH4在低温 900K 下反应机理的特点是生成中间产物 HCHO 由它又 生成新的活化中心 高温下 CH4的燃烧反应除了氧化物的连锁反应外 还伴随着 CH4 的分解 在相同的条件 如相同的空气系数 相同的可燃混合物预热温度 下 H2 的火焰传播速度远大于的 CO 和 CH4的 当 n 1 05 时 H2的 uL 164cm s CO 的 uL 28cm s CH4的 uL 32cm s 若将可燃混合物预热至 200 那么 H2的 uL 600cm s CO 的 uL 100cm s CH4的 uL 60cm