工業(yè)爐窯新技術(shù)論文加熱爐傳熱新技術(shù)

1、工業(yè)爐窯新技術(shù)論文加熱爐新技術(shù)加熱爐新技術(shù)眾所周之，加熱爐的燃料適應(yīng)能力、傳熱效率和節(jié)能效果是評價(jià)一個(gè)加熱爐好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，本文就將對以上問題做出相關(guān)論述。下文的前半部分將給出一個(gè)發(fā)生爐煤氣在普線加熱爐中應(yīng)用的實(shí)例，后半部分將著重講述加熱爐（包括電阻爐，燃燒爐）在節(jié)能方面的問題。首先講述一個(gè)發(fā)生爐煤氣在普線加熱爐中應(yīng)用的實(shí)例。1概述濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)石橫特殊鋼廠（簡稱石橫特鋼廠）二軋車間普線加熱爐原設(shè)計(jì)采用重油為燃料，其加熱能力為35t/h，主要生產(chǎn)810mm熱軋盤條及1012mm小型棒材，加熱爐為三段連續(xù)式，端進(jìn)側(cè)出，尺寸為3.132m×25.082m。 石橫特鋼廠2002年新

2、建3.2m兩段式煤氣爐1座，建造時(shí)主要考慮為煉鋼車間烘烤鋼包。隨著煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏的加快，目前，煉鋼車間烘烤鋼包用氣量相當(dāng)小，該爐小時(shí)產(chǎn)量為65007000m3，導(dǎo)致發(fā)生爐絕大部分時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，造成煤氣質(zhì)量差，成本高。而重油的價(jià)格不斷增加，致使燃油費(fèi)用在軋鋼產(chǎn)品成本中占的比重越來越大，已成為影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提高的重要因素。為了降低生產(chǎn)成本，經(jīng)充分研究論證，決定在普線加熱爐上使用發(fā)生爐煤氣。 2發(fā)生爐生產(chǎn)情況 石橫特鋼廠煤氣爐24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，所用煤種為陜西神木煙煤，煤氣的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均較好，煤氣熱值為6490kJ/m3,煤氣單耗為0.290.30kg/m3。該爐型可以將

3、煙煤在干餾段經(jīng)低溫干餾得到煤焦油，該種焦油呈黑褐色，密度較小，其組成中烷烴、烯烴及芳香烴約占50%，酚類含量可達(dá)30%左右，流動(dòng)性好，是一種具有極高發(fā)熱值的液體燃料。目前噸煤焦油產(chǎn)率為6080kg，每天可產(chǎn)300400kg煤焦油。煤氣站可根據(jù)用戶用氣情況合理調(diào)節(jié)發(fā)生爐的產(chǎn)量，以滿足生產(chǎn)需要。 3可行性分析 3.1燃料溫度可滿足鋼坯加熱溫度要求普線鋼坯的最高加熱溫度一般在10001350范圍內(nèi)。兩段式煤氣爐的熱值為6490kJ/m3,空氣預(yù)熱溫度按300計(jì)，則理論燃燒溫度為2300，爐溫系數(shù)按0.7計(jì)，則可獲得1610的爐溫，完全能滿足軋制普線的要求。 3.2燃燒技

4、術(shù)的可行性 該車間加熱爐寬度小于4m，采用側(cè)加熱和端部加熱就能滿足加熱工藝的要求。為此只要將原來的油燒嘴改為油氣兩用燒嘴即可，不需做其它變化，投資少。 3.3煙氣的輻射傳熱強(qiáng) 煙氣中的三原子氣體CO2及H2O的輻射能力強(qiáng)，其濃度對輻射傳熱起著決定性作用，即氣體燃料中的CO2及H2O的濃度越高，煙氣的輻射傳熱越強(qiáng)。煤氣燃燒產(chǎn)物中的CO2及HO的濃度可達(dá)到28%左右，比重油燃燒產(chǎn)物中的CO2及H2O的濃度高，因此其輻射傳熱強(qiáng)。 3.4爐溫控制方便，加熱質(zhì)量好由于煤氣是氣體燃料，氣體燃料與空氣是分子混合，分子混合比液體的非分子混合要容易，調(diào)節(jié)方便，有利于加熱爐

5、的爐溫調(diào)節(jié)和控制。且由于煤氣與空氣混合得好，火焰均勻，沒有像直接燃燒重油時(shí)霧化不好、火焰集中、有熱點(diǎn)、冷點(diǎn)等弊端，因此鋼坯溫度均勻，氧化燒損少。 4煤氣在加熱爐中的應(yīng)用4.1改進(jìn)加熱爐燒嘴煤氣站生產(chǎn)的煤氣從氣柜不經(jīng)加壓直接送往二軋車間加熱爐，壓力波動(dòng)小，加熱爐前的煤氣壓力一般為20003000Pa。為保證燃燒效果對加熱爐燒嘴進(jìn)行了改進(jìn)，將原來單一的燃油燒嘴改為油氣兩用燒嘴。加熱爐共有17個(gè)燒嘴，其分布為：加熱段下部8個(gè)、上部6個(gè)，均熱段3個(gè)。單個(gè)燒嘴的煤氣燃燒能力為960m3/h，正常生產(chǎn)時(shí)只開810個(gè)燒嘴即可滿足軋制要求。使用油氣兩用燒嘴，在煤氣量不足時(shí)可以用焦油做適當(dāng)調(diào)節(jié)。

6、60;4.2安全措施為實(shí)現(xiàn)加熱爐的安全點(diǎn)火，制定了詳細(xì)的用氣操作規(guī)程，點(diǎn)火前先做爆破試驗(yàn)，確認(rèn)無誤方可點(diǎn)火。同時(shí)為了減少煤氣泄漏，在煤氣管道上裝有雙閘閥，在每個(gè)燒嘴前裝有蝶閥和平板閘閥，氮?dú)獯祾哐b置，眼睛閥等。在加熱爐區(qū)域配備固定式和移動(dòng)式煤氣檢測儀，用以隨時(shí)檢測周圍環(huán)境中CO的濃度。4.3應(yīng)用效果加熱爐燒煤氣，爐溫均勻，又保證了爐氣黑度，避免了以重油為燃料時(shí)鋼坯局部過熱、過燒等現(xiàn)象，減少了鋼坯加熱“黑印”。煤氣燃燒后積灰少，解決了燒重油時(shí)換熱器頻繁堵塞的問題，延長了加熱爐尾部空氣換熱器的運(yùn)行周期。鋼坯加熱質(zhì)量的提高，使軋輥斷輥現(xiàn)象及軋機(jī)故障率明顯降低，孔型、導(dǎo)衛(wèi)件的使用壽命延長，軋機(jī)作業(yè)率提

7、高1.2%。鋼坯加熱過程中氧化燒損減少1%，開軋溫度大于1100，機(jī)時(shí)產(chǎn)量增加；軋廢減少，各鋼種成材率不同程度提高。爐溫控制調(diào)節(jié)方便，減少了看火工的勞動(dòng)強(qiáng)度。現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境好，沒有跑冒滴漏現(xiàn)象，干凈無黑煙。 下面將著重論述當(dāng)前加熱爐在節(jié)能、提高效率方面的新技術(shù)。當(dāng)前在工業(yè)加熱爐窯領(lǐng)域采用的節(jié)能方法和技術(shù)主要有：爐襯材料輕型化，其典型代表就是“全纖維爐”；蓄熱式工業(yè)爐，是在熱流的下游著手進(jìn)行余熱回收；紅外涂料技術(shù)，其根本弱點(diǎn)是涂層的老化，發(fā)射率衰減；此外，還有以突起物來增加爐膛面積；采用計(jì)算機(jī)集散控制的方法提高控制精度的，但對爐子熱效率的提高并不能起到根本的作用。我們的追求是：如何在上述

8、這些已有的節(jié)能技術(shù)單獨(dú)或集成使用后，還能進(jìn)一步大幅度節(jié)能。這是資源形勢和技術(shù)發(fā)展的要求。一、黑體強(qiáng)化輻射傳熱節(jié)能的新機(jī)理1.加熱爐熱效率低下的本質(zhì)原因 加熱爐的爐膛，是被加熱物料接受熱源發(fā)出的熱能，完成加熱過程的空間，要求爐壁保持良好的密封狀態(tài)，有較長的使用壽命；從傳熱的觀點(diǎn)來看，爐壁起著中間傳遞熱量的作用。（1）熱射線 熱輻射是物體的固有屬性。凡溫度大于0 K（即在絕對零度以上）的物體，其電子振動(dòng)或激動(dòng)的結(jié)果，就要對外發(fā)出輻射能，溫度越高，輻射出去的能量越多；吸收輻射能也是物體的固有屬性，在同一溫度下，物體對輻射能吸收率和發(fā)射率相等。輻射能以電磁波的形式進(jìn)行傳播，物體因受熱而發(fā)射電磁波，或因

9、吸收電磁波后而變熱。電磁波向四周連續(xù)傳播的過程就是輻射傳熱的過程，稱為熱輻射，這種傳播熱能的電磁波就叫熱射線。（2）爐膛內(nèi)加熱工件的過程熱源發(fā)出的熱射線沿半球空間射出，其中只有一部分能夠直接射到工件上被工件吸收，另一部分投射到了爐壁上。爐壁對投射來的熱射線，除吸收一部分使自身升溫，并不斷將熱量傳導(dǎo)至爐壁外表面散失外，對另外的大部分熱射線，遵循光學(xué)的直線傳播原理（入射角等于反射角），又反射到爐膛內(nèi)；爐膛內(nèi)壁是一般工程材料，表面粗糙，致使不斷被反射出去的熱射線形成漫反射的分布狀態(tài)。充滿在爐膛內(nèi)的漫射狀的熱射線，雖然有部分能射向工件被吸收，但有許多熱射線仍然沒有射到工件上，即有些熱射線沒有到位，不能

10、成為加熱工件的有效熱，也就是說，我們要加熱工件的目的并沒有完全達(dá)到。與此同時(shí)，卻有許多熱量通過爐襯的蓄熱和散熱損失了。（3）傳統(tǒng)的節(jié)能機(jī)理人們通過熱平衡計(jì)算或測試，發(fā)現(xiàn)電阻爐爐體蓄熱和散熱損失高達(dá)60%70%，而加熱工件的有效熱僅25%30%。燃料爐的情況也基本類似。以此為依據(jù)，于是采用熱容較小的輕質(zhì)材料和保溫材料筑爐，以減少蓄熱和散熱損失。這種節(jié)能方法，只是將熱量“堵”在了爐膛里，并沒有改變熱射線的“漫反射”狀態(tài)，沒有解決熱射線是否到位的問題，所以加熱工件的有效熱仍然很低。二、提高熱射線的到位率（1）尋找影響熱能利用的因素電阻爐傳熱的數(shù)學(xué)模型對輻射型中、高溫電阻爐，工件獲得的熱量是 式中：t

11、W、tM分別為工件和爐墻的溫度，M、W分別為工件和爐墻的黑度 FM、FW分別為工件和爐墻的面積，0輻是M=W=1時(shí)的輻射換熱系數(shù) 分析此式可知，用增大W、FW的方法，就能使工件獲得的熱量增多。燃料爐傳熱的數(shù)學(xué)模型燃料爐內(nèi)，火焰流不斷流過爐壁和物料，以對流和輻射兩種方式向爐內(nèi)提供熱量。高溫爐氣與爐襯內(nèi)表面輻射換熱熱流量（簡化后）為： 式中：TG、TW分別為爐氣和爐襯內(nèi)表面溫度；FW為爐襯內(nèi)表面的面積;G、GW分別為爐氣在TG和TW時(shí)的黑度;W為爐襯內(nèi)表面的黑度。當(dāng)TG與TW相差不大時(shí)，可近似認(rèn)為：GGW，這時(shí)上式可簡化為： 這表明，增大W和FW，會(huì)強(qiáng)化爐氣與爐墻之間的輻射傳熱，使?fàn)t襯內(nèi)表面的溫度

12、升高，從而也就強(qiáng)化了爐襯與被加熱工件之間的輻射傳熱。因此，無論是電阻爐還是燃料爐，我們都必須設(shè)法增大爐膛面積和提高爐墻黑度。（2）啟用黑體元件絕對黑體“黑體”是一個(gè)物理概念，它是能夠完全吸收輻射能的理想物體，其吸收率和發(fā)射率均為1。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)黑體 我們根據(jù)黑體理論4，將黑體的概念加以技術(shù)化，制成集“增大爐膛面積、提高爐膛黑度和增加輻照度”三項(xiàng)功能于一體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)黑體，其黑度（全發(fā)射率）達(dá)到= 0.96 (1078 K，中國測試技術(shù)研究院測試)，簡稱為黑體元件。把黑體元件設(shè)置到爐膛中 不改變原爐膛結(jié)構(gòu)，僅把眾多的黑體元件設(shè)置到爐壁上：這些元件有的凸出在爐壁之外，有的凹入在爐壁里面； 對熱源裝置（電

13、熱體或燒嘴磚等）和整體爐墻作紅外強(qiáng)化處理，增強(qiáng)其氣密性并提高黑度； 于是，帶有眾多黑體元件的爐膛，就形成了一個(gè)發(fā)射率不衰減（不老化），且壽命又可延長的紅外加熱系統(tǒng)。黑體元件在爐膛中發(fā)揮的作用增加爐膛面積，一般可以實(shí)現(xiàn)增加爐膛面積1倍左右；提高爐膛黑度，黑體元件黑度達(dá)到0.96；調(diào)控?zé)嵘渚€；（3）提高熱射線的到位率熱射線的能量分布Lambert 定律E(,)=Icos式中：E(,)為定向輻射力，,為方向，I為輻射強(qiáng)度。定律指明：熱源向空間各方向發(fā)射的輻射能，按余弦規(guī)律分布：即法線方向的能量最多，切線方向的能量為零，在此兩方向之間任一位置的輻射能多少，與該位置同法線方向夾角的余弦成正比，在切線與法

14、線之間，越靠近法線方向的熱射線，輻射能越多。由此指導(dǎo)我們在爐膛中設(shè)置黑體元件時(shí)，要以選擇法線方向?yàn)樵瓌t：把黑體元件熱射線投射的法線方向指向工件。選定黑體的形式根據(jù)不同爐型、裝料情況和常用工藝對爐子熱惰性的需求等，酌情選取黑體元件或是凸起在爐壁之上，或是凹入到爐墻里面。確定黑體元件的適當(dāng)密度，滿足爐溫均勻性的要求 加熱工件時(shí)，黑體元件在爐膛內(nèi)成為熱射線傳遞的“二傳手”，巧妙地完成對熱射線的調(diào)控： 黑體元件以0.96的高吸收率，迅速吸收射向它的漫射狀的熱射線，自身熱量增加并積累后，溫度升高，隨即它們便轉(zhuǎn)化成一個(gè)個(gè)具有高發(fā)射功能的新“熱源”；黑體元件同樣又以0.96的比率，按設(shè)定的方向，定向地、不斷

15、地向工件發(fā)射熱射線； 就這樣，黑體元件將漫射狀的熱射線從無序調(diào)控到有序，直接射向工件，提高了熱射線的到位率，使工件單位面積上吸收的輻射能增加，即輻照度增大。黑體元件的高發(fā)射率，由其幾何參數(shù)和表面特性獲得，具有高穩(wěn)定性，不老化，不衰減，只要爐膛內(nèi)的黑體元件存在，其性能就不隨時(shí)間而衰退。三、黑體強(qiáng)化輻射傳熱節(jié)能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用黑體強(qiáng)化輻射傳熱節(jié)能技術(shù)在應(yīng)用中產(chǎn)生了多方面的效果6 ,有些是其它方法和手段不能達(dá)到的。1、節(jié)能效果2、爐溫均勻性增強(qiáng)（1）有利于消除爐膛的低溫區(qū)域在爐膛溫度偏低的部位，增加黑體元件密度，多調(diào)動(dòng)一些熱射線過來，就可以提高這里的溫度。（2）眾多“溫柔燒嘴”實(shí)現(xiàn)均勻供熱黑體元件形成

16、的新“熱源”，是在爐膛內(nèi)若干個(gè)燒嘴各以一定供熱強(qiáng)度的火焰輻射的同時(shí)，又增添的許多個(gè)分散的“溫柔燒嘴”，它們將小流量的熱射線均勻地、源源不斷地射向工件（供熱），以滿足對工件高質(zhì)量、高性能的工藝要求。表3帶黑體元件的30t天然氣退火爐爐溫均勻性改善的效果3、增強(qiáng)爐子保溫性能帶黑體元件的爐子，爐溫穩(wěn)定，保溫性能好。（1）適應(yīng)工件緩冷的要求當(dāng)爐子停止供熱逐漸冷卻時(shí)，熱的爐壁和工件仍在不斷輻射熱量，眾多的黑體元件一直都在反復(fù)地吸收和發(fā)射著熱射線。實(shí)際上就有一定數(shù)量的熱量被保存在了黑體元件內(nèi)，致使?fàn)t子散熱慢，冷卻速度降低，以利于工件徹底消除應(yīng)力。（2）提高周期作業(yè)爐效率周期作業(yè)爐每一爐完成了加熱后工件出爐

17、完畢時(shí)，爐溫都要降低，帶黑體的爐子因保溫性好，出料時(shí)爐溫下降的幅度減小，一般可以少降低6080，從而使下一爐再升溫的起始溫度較高，爐溫回升快。4、延長爐襯壽命 帶黑體元件加熱爐的爐壁氣密性增強(qiáng)，既阻止?fàn)t墻漏氣，又能減緩其氧化速度，對燃料爐還能顯著增強(qiáng)爐墻對氣流的耐沖刷能力，有利于爐襯壽命延長。成都工程機(jī)械總廠的RT2-90-10臺車爐，一般使用壽命為一年另三個(gè)月，爐膛設(shè)置黑體元件后，使用時(shí)間達(dá)到了四年半，延長壽命2.6倍。5、環(huán)保效應(yīng)減少相應(yīng)的排放帶黑體爐子減少排放量的環(huán)保功能顯而易見，節(jié)能多少，就減少多少排放。大量生產(chǎn)實(shí)踐有力地說明，黑體強(qiáng)化輻射傳熱技術(shù)是加熱爐熱能利用技術(shù)領(lǐng)域的重大突破，效果顯著，功能多樣，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，性價(jià)比高。四、黑體強(qiáng)化輻射傳熱節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用范圍黑體強(qiáng)化輻射傳熱的實(shí)質(zhì)是改變熱射線的分布狀態(tài)，它并不涉及熱射線是哪種能源產(chǎn)生的，所以，不論是電、氣、油、煤使用何種能源的爐子，都能方便地采用。各種電阻爐，如箱式爐、臺車式爐、井式爐及其生產(chǎn)線、可控氣氛爐，各種燃料爐，如連續(xù)加熱爐、陶瓷燒成爐窯、玻璃池窯、坩堝爐等均適用。五、結(jié)論 當(dāng)前加熱爐領(lǐng)域，包括耐火材料行業(yè)在內(nèi)，都致力于輕質(zhì)材料，以為越輕越節(jié)能，實(shí)際并非如此，材料過輕，導(dǎo)致其強(qiáng)度、荷軟等重要指標(biāo)不能匹配，因此，輕型化是有限度的。 如果在輕型化的基礎(chǔ)上注入“