加热炉冬季保温技术的研究与应用

吴玉霄，王锁茜

（河钢乐亭钢铁有限公司，河北063600）

0 引言

随着环保压力的提升，钢厂退城搬迁，有大量的铸坯加热炉处于建设中。铸坯加热炉位于连铸工序与轧钢工序之间，承担着将连铸坯加热至1 000℃以上的任务，在生产过程中起着至关重要的作用。铸坯加热炉一次性投资大、使用周期较长，国内加热炉的设计使用寿命一般都在8 年以上。加热炉的使用寿命主要与炉顶和炉墙的耐火材料有关，而耐火材料的寿命长短与砌筑施工过程的养护情况密不可分。因此不仅要保证砌筑时施工质量，对耐火材料的养护也尤为重要。

加热炉砌筑完毕并按照规定养护后，应根据炉子的结构、耐火材料的特性等制定烘炉方案并及时进行烘炉。烘炉的主要目的是：排除耐火材料中的游离水分；使耐火材料均匀膨胀，避免使用过程中炉体变形或出现裂缝。加热炉耐火材料的烘烤过程对耐火材料而言及其重要，烘烤不合格很容易造成炉墙、炉顶强度不够，在生产时倒塌。炉子砌筑完毕后，若不能随即烘炉投产时，应采取烘干措施，否则应保持砌体周围的温度在5 ℃以上。本文就新建加热炉冬季的保温问题进行了分析和探讨，并提出使用电动设备进行保温的可行性。

1 加热炉冬季保温方案分析

某公司新建的三座蓄热式加热炉中的1#加热炉于10 月底完成耐材施工，炉子尺寸为57 m×11.8 m，设计燃料为高炉煤气，并设有焦炉煤气烘炉烧嘴。原计划冬季前使用焦炉煤气进行烘炉，但由于无法按计划获得焦炉煤气，所以加热炉只能采取冬季保温措施，为保证加热炉耐火材料安全过冬，同时要节约成本投入，制定了以下加热炉过冬参考方案供选择：

1.1 烘烤加热炉至800 ℃，不保温

由于焦炉煤气不具备供给条件，加热炉投入使用时间也在冬季之后，因此不考虑烘炉至1 200℃，仅烘烤至800 ℃，脱除耐材水分，使耐火材料均匀变形即可。加热炉烘烤常用燃料为柴油、天然气、焦炉煤气。焦炉煤气成本最低，且无其它费用，但是由于焦炉煤气无法获得，能使用的介质仅为柴油和天然气。柴油烘炉污染较重，不如天然气环保，天然气烘炉低温时升温速率可保持在10 ℃/h 以内，天然气烘炉升温曲线及燃料消耗如图1 所示。将加热炉烘炉至800 ℃需要耗费562 500 m3天然气，约合403 t。而不同燃料的烘炉方案的经济投入对比如表1 所示。

图1 天然气烘炉升温曲线及燃料消耗

表1 不同烘炉燃料对比

由表1 可以看出，柴油烘炉成本较高且污染重，如果加热炉采用此方案过冬，应优先考虑液化天然气作为烘炉燃料。

1.2 不对加热炉进行烘烤，炉内保温

1.2.1 加热炉内环境温度的确定

加热炉砌筑完成后，若不进行烘烤，通过保温措施应保证砌体的温度不低于5 ℃。加热炉保温时的传热为炉膛内气体通过平壁传热的模型。

热量在炉墙内的传热的热流量可以用以下公式进行计算[1]：

式中，q为热流密度；t1为炉墙内表面温度；tf2为炉墙外侧的环境温度；S为炉墙厚度；λ 为热导率[2]；

外表面温度t2可用下公式计算：

经过以上公式计算，要保持炉墙外侧温度t2在5 ℃以上，炉墙内表面温度t1应该达到17.8 ℃以上，此时炉内气氛应该至少保持在20 ℃。

1.2.2 加热炉内保温热源的分析

加热炉冬季保温可用燃料为焦炭、块煤、蜂窝煤。焦炭基本是纯净的碳，燃烧持续时间长，燃烧温度高，燃烧充分，产生CO 的量少，比较安全；块煤必须采用优质无烟块煤，价格较焦炭低50%左右，燃烧时间较焦炭短，燃烧充分性和燃烧温度均不及焦炭；蜂窝煤多采用劣质煤粉掺土，燃烧温度低，燃烧不充分，含硫量大，气味呛人。无论是焦炭、块煤还是蜂窝煤都需要人工进行添加燃料、清理燃烧残余物，由于炉内空气流通不畅，燃料中的碳燃烧不充分极易产生一氧化碳，人员维护操作时容易产生危险。目前国内加热炉冬季保温仅有焦碳炉使用案例。

综上所述，从节能、环保和安全考虑，认为不对加热炉进行烘烤，而采用炉内保温的方案是可行的。结合国内其他企业加热炉冬季保温经验和现场能源介质的实际条件，决定使用电热风机保温的方案。

2 电热风机保温方案的分析

2.1 电热风机保温方案的供热计算

2.1.1 按体积计算方法

加热炉内长57 m，宽11.8 m，高4.1 m，体积V=2 758 m3；环境最低温度为-15 ℃，内部所需温度20℃，温差ΔT=35 ℃。加热炉为带保温层墙体，保温效果良好，炉内环境热容系数K 取1.5 W/（m3·℃）。炉内升温需要总热量：

加热炉空间＜5 000 m3空间取系数B=3；因此最低热风热流量Q热风流量=V×3=8 274 m3/h

2.1.2 按地区采暖计算方法

华北地区高大空间多台设备供热时，取R=220 W/m2，供热面积S=57×11.8=673 m2。所需加热总功率P=S×R=673×220=148 060 W，

综上所述，若采用额定功率为15 KW，风量为1 100 m3/h，供热面积100 m2的热风机，10 台热风机加热总功率150 KW，总风量为11 000 m3/h，总供热面积为1 000 m2，均可满足加热炉保温要求。四种能源介质保温方案的对比如表2 所示。

由表1 和表2 可以看出，冬季采用保温措施，过冬以后再采用焦炉煤气烘炉的方案，经济投入远小于使用天然气、柴油进行烘炉。而采用电热风机相比较而言是保温措施中最经济、环保的方式。因此，我们选择电热风机进行保温的措施。

表2 四种能源介质保温方案对比

2.2 电热风机保温方案的实施

2.2.1 加热炉的密封

使用电热风机进行保温，要做好加热炉密封，防止热量散失。加热炉密封主要措施为：

（1）使用纤维毡和棉被对裙罩人孔及装、出钢侧炉门位置进行封堵。裙罩从底部用棉被进行封堵，人孔、炉门处用纤维毡、棉被进行封堵，每侧仅一处人孔挂上棉门帘，方便人员进出检查设备、测温；

（2）炉子侧墙外侧各处覆盖1 层棉被，减少炉墙外侧与外环境冷空气接触造成的降温；

（3）烧嘴箱体间夹缝用棉被堵严，上烧嘴箱体顶部至炉顶侧墙覆盖棉被后再覆盖一层厚塑料布，下烧嘴箱体底部至侧墙底部覆盖棉被后再覆盖一层厚塑料布；

（4）侧墙其余能覆盖的地方全部覆盖一层塑料布，炉顶覆盖1 层棉被，外层再覆盖一层厚塑料布，进行保温。

2.2.2 电热风机的布置和温度检测

在炉内放置10 个15 Kw 电热风机，将出风方向按照逆时针或顺时针排列，便于热风循环流动，具体布置如图2 所示。在炉内中间水梁头、中、尾三处设置温度计，用于检测炉内温度；每日用便携式测温枪测量炉墙和炉顶耐火材料外侧的温度。

图2 热风机在炉内布置示意图

2.2.3 意外情况的防范措施

使用电热风设备进行保温时要做好意外停电预案，至少采用两路电源进行保护，异常情况下可以切换至另一路电源，保证停电两个小时内电热风机可以再次运转，若两路电源均出现异常，还要做好炉内点火等措施的准备，用于临时保温。另外由于电动设备长时间不间断工作，易造成电动设备损坏，需要提前预备备件，防止意外情况的发生。

3 保温效果

冬季连续三个月使用电热风机进行保温，每日对保温效果进行检测。图3 为室外温度最低温度接近零下10 ℃时，加热炉各点温度的变化趋势。

图3 加热炉各点温度对比

从图3 中可以看出，每间隔两个小时进行一次检测，连续两天的温度检测显示，在室外温度从0 ℃变化至-8 ℃期间，炉内温度基本保持在30 ℃以上，加热炉炉墙、炉顶外侧的温度稳定保持在20 ℃以上，由此可验证电热风机保温效果良好。

4 结语

加热炉耐材施工前应做好烘炉计划，尽可能在施工完成后进行烘炉，若不具备烘炉条件，建议避开冬季施工；若冬季施工且不具备烘炉条件，必须要对耐材进行烘烤或保温。相比较于使用外接燃料对加热炉进行烘烤，先采用冬季保温，等冬季过后再使用加热炉原设计焦炉煤气烘炉的方案更加经济。采用电热风机保温的保温效果也可以满足要求，且相对于传统的焦碳炉保温具有成本低，无污染和更安全的特点，可以作为新砌加热炉冬季保温的手段之一。