轧钢加热炉热平衡测试及节能分析

涂生安，覃永国，罗立飞，唐佑维

（柳州钢铁 中板厂，广西 柳州 545002）

柳钢中板厂现有三座加热炉，钢坯加热热耗1.25 GJ/t。近年，在同行对标中发现，加热炉热耗偏高，为全面了解加热炉的热工作状况，开展本次热平衡测试，以指导加热炉开展节能降耗攻关，提高经济效益。

1 加热炉主要性能参数

（1）用途：轧制前钢坯加热

（2）炉型：推钢式连续加热炉

（3）加热钢种：碳素结构钢、低合金高强度钢等

（4）坯料规格：厚度220 mm，宽度900～1 830 mm；长度1 800～2 700 mm

（5）加热炉尺寸：有效长度29 670 mm，内宽6 750 mm

（6）炉子产能：110 t/h

（7）加热温度：1 100～1 200℃

（8）钢坯装炉温度：室温～600℃

（9）燃料种类：焦炉煤气

（10）烟气余热利用：烟道内换热器预热助燃空气

（11）炉底管冷却方式：汽化冷却

2 热平衡测试及计算结果

进行热平衡测试，首先必须明确热平衡区域，选定热平衡中热量的表示方法；其次，根据划定区域明确热量收入项及支出项；最后，确定各项热量的合理计算及测试内容。

2.1 明确热平衡测试几个问题

对炉子（包括炉膛和换热器）进行热平衡，以单位时间为基准计算。其热量收入项包括燃料燃烧的化学热、钢坯带入的物理热及钢坯氧化放热反应放出的热量；热量支出项包括加热钢坯带出的物理热、烟气带走的物理热、炉膛热损失、换热器热损失、燃料化学不完全燃烧热及助燃空气管路热损失等。

2.2 测试时期与时长

测试前做好沟通，选择在生产相对正常、生产品规相对单一的班次进行，连续测试8 h。

2.3 测试内容与测试频次

2.3.1 燃气参数

（1）煤气成分：每2h取样一次，测试期间检测4次；

（2）煤气耗量：测试期间煤气耗量。

2.3.2 钢坯参数

（1）钢坯入炉温度：每块测量；

（2）钢坯尺寸：每块钢坯的长、宽、厚。

2.3.3 加热温度参数

（1）加热炉温：记录加热炉各段炉温，30 min/次，钢种或炉温变化时提高频次；

（2）钢坯出炉温度：记录频率为20 min/次，不同钢种必须测量。

2.3.4 烟气参数

（1）排烟温度：记录炉尾烟道上方热电偶值，换热器前以及换热器出口烟气温度，30 min/次；

（2）烟气成分：在炉尾烟道上方，每2 h检测一次，每次30 min，测试期间检测4次。

2.3.5 助燃空气参数

（1）助燃空气预热后温度：每30 min记录一次；

（2）助燃空气管道表面温度：测试期间测量两次。

2.3.6 炉体散热

（1）炉体外表面温度：测试期间测量两次；

（2）炉体表面积：查图纸计算。

2.3.7 冷却热损失

（1）汽化冷却汽包压力：每30 min记录一次；

（2）软水耗量：测试期间软水耗量；

（3）炉梁冷却水：循环量，进水温度、回水温度。

2.3.8 氧化铁皮参数

在出炉钢坯上取氧化铁皮测量厚度，每1 h取样一次。

2.3.9 辐射及逸气热损失

（1）炉门开启时间：记录单次开启时间、小时开启次数；

（2）炉门开启面积：记录抬升高度；

（3）炉门内侧温度：按靠近炉门处的炉温计。

2.3.10 环境参数

测炉区气温及空气湿度：每小时测量一次。

2.4 测试仪器

主要测试设备包括气体分析仪、红外测温仪、热电偶、各式流量器、千分尺及压力表等。

2.5 热平衡测试计算结果

经正反热平衡计算[1-2]，热支出比热收入少3.68 GJ，误差为2.47%，符合相差5%以内的要求，热平衡测试计算有效。测试加热炉的热平衡结果见表1。

表1 加热炉热平衡表

3 节能分析及措施

3.1 热收入项

从热收入项的构成来看，钢坯加热氧化烧损是要控制的，钢坯氧化放热反应放出的热量不能增加，只有钢坯带入的物理热。提高热送坯料装炉温度及比例，可大大提高该项热收入，从而降低煤气消耗。

缩短热送坯料在库时间，提高热送热装温度。测试期间生产碳板，平均装炉温度503℃，热装温度不高。从坯料接收到装炉，平均用时10 h 18 min，时间长，温降约110℃，热量损失大。生产组织受多因素影响，但应尽量缩短坯料在库时间，可行的情况下，执行好热坯，尤其是高温热坯的优先装炉。若这个时间可以缩短到2~4 h，温降损失可减少90℃，降低煤气消耗约5%。

3.2 热支出项

热支出中，钢坯带出的热量占60.46%，其中部分为热装坯料本身带入的热量，其它为热损失项。损失较大的是烟气带走的物理热、炉门及孔洞逸气热损失以及加热炉冷却水带出的热量，其余热损失项相对较小。

3.2.1 钢坯加热物理热

（1）确保加热炉产能发挥，降低吨钢煤气耗。钢坯加热有效热效率为49.9%，燃料燃烧热量的50.1%未被钢坯吸收，即无效热。加热炉的正常运行，相应的热损失不可避免，而且大部分热损失量在单位时间内是相对固定的，若产量低，有效热效率占比降低，无效热损失量比例升高，则煤气耗将升高。单位热耗与生产率之间的关系如下：

式中：b—单位热耗，kJ/t

Q0—加热炉空烧保温的热负荷，kJ/h

P—炉子生产率，t/h

K—常数

e—自然对数的底，e=2.718 3

（2）降低钢坯加热温度可大幅降低钢坯带出的物理热。降低加热温度20℃，约可降低煤气消耗5%[3]，但加热温度降低受轧机能力以及相关设备限制，因此，可在满足轧制节奏以及设备能力的情况下，联合轧钢工序开展降低炉温攻关。

（3）提高燃料燃烧热量有效利用，更多热量被钢坯吸收。目前这方面的技术推广较多，如在加热炉内壁表面喷涂涂料[4]，提高炉内壁黑度,以提高导来辐射系数；类似还有在加热炉内壁安装“黑体”元件[5]，提高黑度的同时，还增加换热面积，但因安装等方面的技术不够成熟，未能全面推广。

3.2.2 烟气余热回收

提高烟气余热回收利用。该加热炉采用常规燃烧技术，空气单预热，炉尾烟气经一截烟道后，经换热器预热助燃空气。换热器前烟气温度584℃，助燃空气预热温度361℃，换热后烟气温度（即排烟温度）346℃。换热器的换热效率为59%，效率不高，经换热器预热空气，烟气带出的热量占13.55%，烟气余热较高。应利用改造机会，采用蓄热式燃烧技术[6]，助燃空气预热温度可达1 000℃，可降低煤气消耗10%～20%。

另外，从测试数据看，预热段炉尾烟气温度为752℃，经一小段烟道，达到换热器前的烟气温度只有584℃，温降大，说明进料端吸入了冷风，降低了进入换热器的烟气温度，从而降低了助燃空气预热温度。因加热炉为推钢式加热炉，炉尾炉门在生产状态需常开，但在保证安全的前提下，应尽量降低其高度，减少吸入冷风。

3.2.3 减少加热炉逸气热损失

做好加热炉密封，尽量减少逸气热量损失。炉门及孔洞逸气热损失达到7.32%，是第二大热损失项。该热损失主要为钢坯出炉、出料炉门打开或加热炉个别点存在密封不好造成。日常要避免炉门不必要打开，炉门打开和关闭要做好控制衔接，炉压控制在15~30 Pa较为合适，过低也会造成吸冷风。

3.2.4 减少加热炉冷却水带出的热量

加热炉水冷包括炉梁冷却以及炉底管汽化冷却系统，该部分热损失总和为6.78%。实际蒸汽外送公司发电，所以实际蒸汽余热得到了回收。日常管理，要做好炉梁以及炉底水管的保温包扎，以减少冷却水带出热量。

3.2.5 空燃比控制

燃料燃烧理论空燃比为4.05，实际空气消耗系数为1.25，炉尾烟气分析残氧量为4.52%。常规烧嘴燃烧的空气消耗系数一般应控制在1.05~1.25，不同燃烧器有区别，以完全燃烧为准。该状态下，燃料不完全燃烧热损失很小。

整体看，空气消耗系数偏高，空气量富余，烟气量增大，带走热损失增加。若把空气消耗系数控制在1.05~1.10，则可降低煤气耗约2%。降低多少，平衡点就在降低空燃比后，减少的排烟热损失大于煤气不完全燃烧导致的热损失增加。

3.3 节能措施

在确保加热质量的前提下，缩短部分钢种的加热时间，提高生产节奏，提高加热炉产能利用率，同时，更好地实现轧线产能接近于连铸机产能，提高热送坯料装炉温度。

协调生产组织，尽量做好冷坯、热坯集中生产。

加强加热炉的节能操作控制。做好勤联系、勤观察、勤调整的“三勤操作”，结合实际，烟气含氧量控制在2%～3%，炉压控制在15～30 Pa；减少炉尾吸冷风，炉尾炉门下沿降至坯料上方30 mm；尽量减少炉门开启时间，确保每次炉门关闭到位。

联合轧钢工序开展降低煤气耗攻关，在满足加热质量、轧制要求的情况下，降低热送坯料的加热温度。

推进节能技术应用，加强加热炉维护管理。在加热炉内壁喷涂高温辐射涂料，实现节能3%；对加热炉进行全面排查，及时封堵冒火孔洞。

4 结论

（1）基于本次热平衡测试分析，结合当前实际，采取了相应节能措施，前后对比，吨钢煤气耗降低了8.6%，节能效果较好。

（2）加热炉的热平衡测试是确定加热炉各项热收入、热支出以及热效率等热工指标的有效手段，在加热炉管理中应重视应用。通过本次热平衡测试分析，找到了加热炉煤气耗偏高的主要原因，提出了节能措施，对开展加热炉节能降耗攻关具有指导意义。