组合式节能技术在承钢板带事业部1780生产线3#加热炉应用方案

杜奎林

（河钢股份有限公司承德分公司，河北 承德 067000）

1 项目概况

“多晶莫来石纤维与辐射原件组合式节能技术”是将保温与强化辐射相结合的技术，本次节能技术改造将单独强化辐射弊端进行的完善。在原由的基础上提高节能率3%。1780生产线3号加热炉燃耗较高，出坯距离至轧机较远，炉温控制高等特点。由于加热炉燃气消耗影响因素诸多，为了避免各种因素影响，根据1780生产线两用一备的特点，采用对比法进行节能率的认定。

1.1 加热炉的传热过程

钢坯的加热温度包括表面温度、沿横断面上的温度差及沿钢坯长度方向上的温度差。钢坯在炉内的最终加热温度是考虑了轧制工艺、轧机及加热炉的结构特点等实际情况后制定的。加热到规定温度所需时间，取决于钢坯的尺寸、钢种、加热制度及一些其它条件。

钢坯在炉内以对流方式和辐射方式得到热量，前者是炉气对流冲刷钢坯表面；后者是炉气和炽热的炉衬辐射热。加热炉沿长度方向上分三段控制：即预加热段、加热段和均热段。钢坯进入预热段，热流逐渐增大，钢坯到二加热段，热流基本保持不变，钢坯到均热段，热流逐渐减小。钢坯在均热段内，钢坯表面温度基本保持不变，而断面温差逐步缩小，钢坯表面得到的热量以热传导的方式向内部扩散。传给钢坯表面的热流越小、受热面积越大、钢坯的断面尺寸越小、钢的导热率越大，断面温差就越小。

1.2 辐射传热原理

物体间的辐射换热与物体表面的几何形状、大小及相对位置有关（见图1），角系数是反映这些几何因素对辐射换热影响的重要参数。

辐射换热时，一个表面发射的能量中能直接到达另一表面的份额。表面1对表面2的角系数是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1辐射能量的百分比。

图1 辐射传热

Q1-＞2表面1直接投射到表面2上的能量；

Q1表面1辐射的总能量；

按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得角系数。

角系数计算：

对图示的两个有限大小的面积F1、F2，有：

对于空腔内的物体与空腔内壁之间的辐射换热（见图2），由于空腔内物体的全部热辐射都投射到空腔内壁上，其角系数为1，因此，空腔内的物体与空腔内壁之间的辐射换热可以用下面的公式表示。

F1——物体1的外表面面积；

F2——物体2的空腔内表面积；

ε1, ε2——物体1和物体2的黑度。

图2 空腔内的物体辐射传热

1.3 加热炉辐射传热分析

分析加热炉内壁中央部位小面积炉壁到工件的辐射换热时，也可以近似地认为该小面积炉壁对工件的角系数为1，如图3所示。

图3 加热炉内壁辐射传热

因此，该小面积炉墙与工件之间的换热为：

由上式可以看出，炉墙与工件之间的换热量与炉墙的黑度系数、面积成正比。

1.4 强化均衡辐射传热节能技术的工程实现

1.4.1 高效热辐射体

强化均衡辐射传热节能技术是利用在炉内壁上加装一系列的高效热辐射体来实现的，其形状如图4所示：

图4 高效热辐射体

由于辐射体的外表面积远远大于其安装底座遮挡的炉壁面积，因此，安装辐射体后，炉墙和其形成更大的热辐射面，并且，大部分热辐射可以到达工件。使得炉墙整体的热辐射得以强化。

同时，高效热辐射体选用特制的高黑度系数材料，其表面的热辐射率远远高于炉墙内壁，因此，加装高效热辐射体后的炉内壁在辐射面积和热辐射率上均大幅度提升。

1.4.2 加热炉温度场分布

在强化炉壁热辐射的同时，可以通过科学合理地布置高效热辐射体，改善炉壁传热的均衡性，避免工件过热现象，减少氧化烧损。为此，在设计改造方案时，首先利用计算流体力学软件FLUENT，对加热炉内燃烧、传热和烟气流动状况进行分析计算，给出初步方案，根据元件布置的初步方案，经过多次方案的校核计算、辐射体布局调整优化，得到其布置的最终优化布置方案。

2 加热炉的应用方法

2.1 全炉内壁贴装多晶纤维保温层

在均热段、加热二段炉顶及侧墙1.5米以上部分贴装1600多晶莫来石纤维模块；加热一段、预热段炉顶及侧墙下烧嘴烧嘴砖上部贴装1400多晶莫来石纤维模块。

多晶莫来石纤维模块厚度均为50mm。

图5 多晶莫来石纤维模块

2.2 对多晶纤维保温层进行固装

首先对加热炉侧墙及炉顶贴装多晶莫来石纤维部分，进行表面清理，以确保纤维模块与炉衬紧密贴合，之后采用专用高温粘结剂将纤维模块均匀贴装在加热炉侧墙下烧嘴以上部分和炉顶，形成完整的加热炉保温层。

2.3 辐射体布置方案

1780生产线轧钢加热炉采用混装，其热装率在70%以上，因此加热炉预热段炉顶、侧墙以及加热炉加热一段、二段、均热段侧墙1.5m以上部分，安装高效热辐射体。

加热炉炉顶部分，加热一段按照45个/m2进行布装；加热二段按照50个/m2进行布装；均热段按照55个/m2进行布装。在燃烧器周边50公分外进行辐射体安装，安装以放射状进行分布。

加热炉侧墙，预热段按照45个/m2、加热一、二及均热段按照50个/m进行布装。

2.4 辐射体的固定方式

强化均衡辐射辐射体重量：120g/个；

炉墙上设置安装小孔Ф10×80mm，用特制耐高温螺钉进行安装，确保多晶纤维保温层及高效热辐射体与炉衬连接牢固。

2.5 高效热辐射元件优化布局图

侧壁（炉墙）辐射体布置，如图6所示，其布置数量可根据加热炉实际状况进行适当调整（图示元件数量为两面侧墙元件总数）。

图6 侧壁（炉墙）辐射体布置图

顶部布置，如图7所示，布置数量可根据加热炉实际炉况进行适当调整。

图7 顶部辐射体布置图

3 加热炉应用性质

3.1 科学性

根据传热学辐射传热原理，结合流体力学、材料科学开发的高效热辐射体及科学合理的安装布局，开创了加热炉在高温区域节能减排的先河。

3.2 实用性

项目设计充分满足用户的需求，实现功能上实用、稳定、可靠。

3.3 先进性

①首次将保温与强化辐射节能技术在轧钢加热炉上完美的结合与应用。②工程设计应用强化均衡辐射传热节能技术生产的高效热辐射体采用先进工艺，科学合理的布局，从而保证了整体节能系统的先进性。

3.4 安全性

工程设计采用成熟、可靠、优质的保温材料和高效热辐射体和设备，能够适应现场环境条件和外界干扰，确保项目的安全稳定运行。本节能改造不改变炉窑结构，而且高效热辐射体不是热源，所以施工安全性强。

3.5 可靠性

可靠性是本项目设计的基本准则。项目设计满足使用环境条件的要求，能长期稳定可靠地运行；构成项目改造的各项资源包括材料、器件、设备等均采用国内外优质产品，具有极高的安全性、可靠性。

3.6 经济性

项目工程在实现先进性的基础上，同时做到安装布局的优化设计、合理配置、精心安排，使有限的资源发挥最大的效用，保证改造工程在投产后获得最佳的节能效果，使项目整个运行生命周期获得最佳的节能效益。