轧钢加热炉节能降耗方法分析

2022-12-07陈弘杰

大众标准化 2022年21期

陈弘杰

（江西新科环保股份有限公司，江西萍乡 337000）

节能降耗，降本增效是当前市场经济条件下对企业提出的新要求，节能降耗就是节约能源，降低消耗，通过合理利用、科学管理、技术改进等综合途径，减少生产过程中的损失和浪费，减少企业生产成本，增加企业生产效益。而在钢铁企业中，能源费用占制造成本25%以上，能源费用占比非常大，节能降耗工作刻不容缓。

在大型长流程钢铁企业中，轧钢加热炉的能源消耗占钢铁企业总能源消耗10%左右，其中轧钢加热炉又占了轧钢厂能源消耗的65%~75%，是钢铁企业轧钢厂最大的用能设备，其能耗水平直接影响轧钢厂生产成本，但目前加热炉其热效率一般只有20%~30%，有70%~80%的热损失，其中在整个加热炉区域中，煤气消耗占比75%左右，所以加热炉煤气消耗节约潜力非常巨大。在加热区域除了节约煤气消耗，还有一块节能降耗大头是降低氧化烧损，目前国内大部分钢厂加热炉氧化烧损普遍在0.8%~1.5%范围内波动，少数钢厂控制在1.5%以上，以一座年产120万吨棒线材加热炉为例，如果氧化烧损全年降低0.1%就能增加成品产量1 200吨，钢材成品与氧化铁皮按当前3 000元每吨差价计算，全年氧化烧损降低0.1%，将会增加360万元左右效益，如若全年氧化烧损降低0.2%，将会增加720万元左右效益，这是一项非常大效益。

1 轧钢加热炉目前存在情况

在长期与全国大多数轧钢厂蓄热式加热炉打交道过程中，发现很多轧钢厂加热炉在使用过程中存在很多问题，比如有氧化烧损严重，最严重的见过2.5%；有些炉压大，冒火严重，甚至进出钢炉门冒火3米远，周围附属设备烧坏非常严重；有些加热炉煤气消耗比其他钢厂同类型大20%以上；有些加热炉炉皮表面、炉顶和炉底温度偏高，炉皮漆脱落严重，根本不敢用手区触摸，热量损失严重；有些加热炉操作工上班就是在操作室，烧懒人钢，缺乏沟通；钢厂技术人员缺乏，技术人员技术水平较低，加热炉管理工作不到位等这些问题，这些问题的存在或多或少影响加热炉的节能降耗和使用效率，甚者还影响加热炉的使用寿命。

2 针对上述问题，制定相应措施

加热炉热平衡分析是根据热力学第一定律建立起来的，表示在一定时间内加热炉热量收入和热量支出在数量上的平衡关系，通过对热平衡详细分析，加热炉热量的支出主要是钢坯吸收热量、烟气散失热量和加热炉本体散失热量，所以通过加强加热炉日常的管理和工艺优化减少烟气和加热炉本体散失的热量，降低加热炉煤气消耗。

2.1 选择合理的炉型结构

在设计时，选择的炉型结构对加热炉能耗影响非常重要，根据各个厂具体情况选择合适的炉型结构，因此在加热炉新建或改造时应该尽量综合考虑到加热炉节能的需要，只有尽量减少加热炉炉膛烟气和炉体损失的热量，尽量将烟气余热回收到炉内来，提高煤气的利用系数，减少炉子热量损失，这样才能提高炉子热效率，减少加热炉能耗损失。

（1）长远考虑尽可能选择步进式加热炉。虽然步进式加热炉比推钢式加热炉造价相对高，设备制造和安装技术要求较高，基建施工量大，机电设备维护水平高，但经过多年步进式加热炉的实践表明，它与传统推钢式加热炉相比有很多优点：钢坯与钢坯之间留有一定间隙，钢坯四面受热，钢坯受热均匀，有利于消除水冷黑印，钢坯表面不划伤，生产出成品质量相对更好；步进式加热炉有漏渣孔，相比推钢式加热炉炉渣不易积聚，生产到一定时间后炉渣堆不高，清渣检修不像推钢式加热炉频繁，可减轻繁重的清渣体力劳动；钢坯加热温度均匀，操作灵活，可前进、后退或踏步，在换钢种或停机检修情况下可以清空炉内钢坯，减少炉内钢坯钢化烧损。

（2）根据现场情况适当延长加热炉长度。加热炉长度是由总加热能力决定的，但为了提高炉子热效率，降低煤气燃耗，可以根据现场情况适当延长加热炉长度。如果加热炉长度短，产生的高温烟气利用率大大降低，排出的烟气就要带走大量的热量造成热量损失。因此，适当延长加热炉长度，可关闭在靠近端墙预热段2~3 m处的烧嘴阀门，通过高温段的烟气溢到预热段，达到提前预热钢坯的目的，同时增加了炉长，钢坯温度更均匀，减少煤气消耗和氧化烧损。

2.2 选用合适的蓄热体

在进入20世纪90年代，在原有的高效技能技术的基础上出现了以蜂窝体型的蓄热式燃烧系统，该燃烧系统是将蜂窝体与烧嘴置于一体，较之前通道式蓄热减少了炉墙厚度，增加了炉膛面积，且蜂窝体型蓄热体与老式通道式蓄热小球相比表面积大通孔系数高，余热回收更完全。蓄热式燃烧技术所带来的节能效果非常明显，能最大限度将高温烟气的热量吸收，避免了热量浪费，回收后的热量用于预热空气和煤气，加热炉理论燃烧温度提高，可以利用低热值高炉煤气。近些年，以蜂窝体蓄热式加热炉发展迅速，市场占有率逐步提高，这项具有中国特色的换热燃烧技术很快在中、小型私营钢铁企业得到推广应用。而蜂窝蓄热体作为蓄热式高温燃烧技术的关键和核心部件，蜂窝体的选用非常关键，选用不当会使用过程中出现堵塞、烧损、坍塌等现象，造成钢温速递上升慢，烧不上温度，严重者造成停炉事故，即影响生产又增加煤气消耗。所以在选用蜂窝体时，除了考虑蜂窝体耐急冷急热、荷重软化温度、耐压强度、热膨胀系数和耐热冲击等指标外，还需考虑蜂窝体蓄热放热特性，需在选用比表面积适宜的情况下，选用比重大、黑度大、热容大和导热快等材质的蜂窝体，这样蜂窝体吸热放热更快、更多，能够有效吸收烟气的热量，显著的增加煤气、空气预热温度，提高加热炉燃烧温度，达到降低煤气消耗的目的。

2.3 减少加热炉散热损失

2.3.1 选用合理的隔热保温材料

加热炉的炉衬耐火保温材料由于长时间在高温下工作，其内部由于晶型转变，容易粉化脱落，造成炉墙保温效果降低，热量损失大大增加，严重时炉墙内会出现裂缝，裂缝还造成了炉皮钢板高温蠕变，造成炉皮温度升高，降低了加热炉热效率，甚至将部分炉墙烧穿，损坏加热炉炉体。

近年来，我国隔热保温材料发展十分迅速，产品越来越多，同时材料的绝热等级和导热系数越来越优良。因此，需要根据加热炉的使用条件，进行计算节能效果，并分析对比，选择合适的质量好的隔热保温材料。针对加热炉炉墙、炉顶、炉底和炉筋管保温材料，需选用导热率低、蓄热少的绝热耐火材料，如有需要可适当增加保温层厚度，降低热量损失。

2.3.2 减少孔洞的热量散失

轧钢加热炉进出料炉门、观察孔、耙渣孔和落渣孔等孔洞，由于辐射热量、吸入冷风、冒火所造成的热损失之和非常大，对于端进出料的轧钢加热炉尤为严重。生产过程中加热炉进出钢炉门打开开度需适宜，在停机过程中要及时关闭进出钢炉门，最好能做到自动启停，减少冷风的吸入和内部热量的溢出，造成烧坏设备，减少热量损失。对于步进式加热炉，要时刻关注水封槽水封情况，防止因为水封槽缺水而导致热风热量从落渣孔散失。

2.4 加强加热炉日常操作管理和工艺优化

（1）加强宣传教育，树立节约用水意识，推行全新的节能思想，加强日常工作中的跑、冒、滴、漏，提高员工的节能意识和责任心，建立巡视和检查制度，明确责任和目标，实行节奖励超重罚等制度，制定加热炉操作工收入与加热氧化烧损和煤气消耗目标挂钩等制度。

（2）优化钢坯热送热装温度工艺技术和管理，实施直接装炉-轧制技术。对炼钢热坯热送率设定考核目标，钢坯热送热装温度每提高100 ℃，加热炉可节约煤气5%~6%，在送坯辊道上做好相应钢坯保温措施，减少钢坯温度热量损失。当炉子热送和热送温度较高时，可适当降低加热炉各段温度，钢坯加热质量好且温度均匀，氧化烧损率和轧机故障率将会明显降低。

（3）优化加热炉的燃烧控制，目前我国少数加热炉实行了自动燃烧控制，煤气和风的供给按配比自动调节。但大多数轧钢加热炉仍为人工控制煤气和风的供给量和空燃比，由于受操作者的技能、生产连续性、煤气压力波动等影响，空燃比的控制往往难以达到最佳状态，空燃比低时导致煤气进气较多不完全燃烧，增加煤气消耗，空燃比高时，空气进气量多，出现氧化性气氛氧化烧损严重，产生NOx含量高的烟气。同时在实际操作中多观察炉内烧嘴的燃烧状况及炉气状况，一般来说，燃烧完全炉气略带雾状，表示燃烧控制较好；如果炉气很明亮，则表明空气配比过大，氧化烧损会增加；如果炉气里较多的烟雾，则表明空气不足，燃烧不完全，较多燃烧不完全煤气被引风机排出，增加煤气消耗。因此必须根据煤气热值合理控制空燃比，在加热炉各段必须严格控制炉内为微还原性气氛，尤其在高温加热段、均热段。同时可采用氧化锆残氧分析仪对烟气残氧量进行检测，并将该量作为参考值对空燃比进行修正，达到降低氧化烧损，节能降耗的目的。

（4）合理制定加热炉钢坯温度，钢坯加热温度并不是越高越好，适当钢温就行。加热温度和炉内气氛是钢坯表面氧化主要因素，随着加热炉炉内温度的升高，钢坯表面氧化速度逐渐加快。如图1所示，普碳钢加热温度与烧损量关系成抛物线变化规律。当温度低于600 ℃时，钢坯氧化烧损量非常少，基本可忽略不计；当温度在700~800 ℃时，氧化烧损量较小；当温度超过900 ℃时，氧化烧损量开始缓慢增大；当温度在1 000~1 200 ℃时，钢坯表面各组分的扩散速度快速增加，钢坯钢氧化烧损量快速增加；当温度超过1 200 ℃时，钢坯表面氧化铁皮开始熔化，氧化烧损量急剧增大，同时温度过高，消耗的煤气也大幅增加。适当降低钢坯加热温度不仅有利于提高钢材产品质量，同时减少煤气消耗和减少氧化烧损。严格控制加热温度与加热时间，在工艺允许条件下，采取低温加热，减少钢坯在高温区的停留时间。图2为不同温度下，加热时间与氧化烧损关系图。从图2可以看出，同一加热制度条件下，随着加热时间的延长，钢坯表面氧化烧损量逐渐增加，其烧损量成抛物线变化规律变化。

图1、图2分别为研究人员测得加热炉加热温度与氧化烧损关系和不同温度下加热时间与氧化烧损的关系。所以控制钢坯加热温度和加热时间对氧化烧损至关重要，在尽可能条件下，快速加热减少钢坯在炉内停留时间。

（5）炉内气氛除了氧气影响氧化烧损，同时炉内中水汽和SO2含量也影响氧化烧损，所以除了控制空燃比还必须减少煤气带入的水汽和SO2含量，在炼铁上道工序中尽可能除去煤气中的水汽和SO2，同时在加热炉主管道设置存水弯，存水弯处安装定时排水器，这样煤气中的水汽将冷凝在存水弯处，可有效减少煤气中的水汽进入加热炉炉内，减少水汽进入炉内与钢坯发生反应，降低加热炉氧化烧损，同时也可提高加热炉阀门、管道和气动机构等设备使用寿命。

（6）加强加热炉操作工责任心，做好“三勤”操作，勤观察、勤联系、勤调整，不能一直长期待在加热炉控制室烧懒人钢，应出去多观察加热炉火焰颜色、出钢温度、氧化铁皮厚度，与上下工序勤联系，多沟通。在生产工程中，必须控制好炉膛压力，保持为微正压，避免冷风吸入，同时根据钢种的变化，可不同程度地加热各种钢种出炉温度。当生产出现故障，停机待坯时，根据停机时间长短适当降低加热炉各段温度，并适当关小引风机和鼓风机。例如当停机时间10~30 min左右，应适当降低预热段、加热段温度，保证均热段；停机30 min以上只保证均热段钢温即可，预热段和加热段煤气和空气阀门应尽量关小，同时根据炉压，关小引风机和鼓风机。如有大量冷坯入炉，在入炉前，提前升高预热段温度，这样科技减少闷炉时间甚至不闷炉，减少钢坯在加热炉内停留时间，减少钢坯氧化烧损。