浅谈黑体技术在某钢厂加热炉上的应用

上海宝钢节能环保技术有限公司 杨文滨 孔令斌 黄 立 陈志良

浅谈黑体技术在某钢厂加热炉上的应用

上海宝钢节能环保技术有限公司 杨文滨 孔令斌 黄 立 陈志良

对轧钢加热炉炉膛内的热射线可采用黑体技术，在炉膛内布置一定数量的黑体元件，这样既增大传热面积，又提高炉膛的发射率，更能对炉膛内的热射线进行有效的调控，使之从漫射的无序状态调控到有序，直接射向钢坯，提高对钢坯的辐照度和热射线的到位率，强化辐射传热，可取得显著的节能效果。

黑体；加热炉；节能

1 概述

钢铁行业是高耗能行业之一，钢铁行业节能减排工作备受关注。轧钢加热炉作为钢铁生产过程中的主要耗能设备之一，加热炉热效率提升一直是轧钢加热炉节能减排研究热点。

轧钢加热炉热传导方式以辐射为主，被加热工件所吸收的热辐射主要由三部分组成，一是炉膛内壁，二是火焰，三是烟气。被加热工件所得到的热量遵循以下传热原理[1]：

式中：Q-被加热工件所得到的热量；

Tq-炉气的温度；

Tw-炉体（炉顶、炉墙、炉底）的表面温度；

εq-炉气的辐射传热系数；

εw-炉体的辐射传热系数；

ε-被加热工件辐射传热系数；

Fw-炉体的有效面积；

v-炉气的流动速度。

即工件吸收的热量与炉体面积、炉体、炉气的辐射系数（黑度）成正比，与炉体、炉气温度的4次方成正比，同时热辐射是电磁波即热射线的形式传播的，但目前一般在中、高温工业加热炉的炉膛内，均没有对“漫反射”状的热射线采取调控措施，也就是说，热源发出的辐射能没有完全直接被工件吸收，造成热能大量浪费。

通过研究增大炉体面积Fw和提高炉衬黑度εw会强化炉气与炉衬之间的辐射传热，使炉衬内表面的温度升高，从而也就强化了炉衬与工件之间的辐射传热。

2 黑体技术节能原理[2]

黑体技术，是根据红外物理的黑体理论，制成集“增大炉膛面积、提高炉膛发射率和增加辐射照度”三项功能于一体的工业标准黑体，将众多的黑体元件安装于炉膛内壁适当部位，既增大传热面积，又提高炉膛的发射率，并且基本不老化，更能对炉膛内的热射线进行有效的调控，使之从漫射的无序状态调控到有序，直接射向钢坯，提高对钢坯的辐照度和热射线的到位率，强化辐射传热，取得显著的节能效果，节能原理见图1所示。

黑体元件具有三大功能：

○增大了炉膛的传热面积。炉膛内设置众多黑体辐射元件可增大炉膛传热面积一倍左右。

○提高了炉膛的发射率。黑体辐射元件根据加热炉传热原理及红外物理的黑体理论，采用合理的黑体空腔形腔比及材料配置制作，发射率0.95。黑体元件的高发射率由其几何参数及表面特性获得，具有很高的稳定性，在不超过1790℃的高温状态下基本不老化。。

○增加了对工件的辐照度。黑体辐射元件将漫射状的热射线从无序调控到有序，定向射向被加热工件，提高了热射线的到位率，使工件单位面积上的辐射能增加，即辐照度增大。

图1 节能原理示意图

3 案例分析

以某钢厂棒线加热炉为例进行黑体技术节能改造。

3.1 加热炉基本参数

○炉型：步进梁加热炉；

○装炉方式：侧进侧出；

○装出料悬臂辊道中心线距离：25m；

○炉膛内宽：12.8m；

○上炉膛高度：1.4m（均热段），1.7m（加热段），0.95m（预热段）；

○下炉膛高度：2.2m；

○燃料种类：高焦转混合煤气；

○混合煤气热值：7500kJ/m3；

○加热炉额定小时产量160t/h。

3.2 黑体元件布置范围及分布设计

根据加热炉具体状况在炉膛内布置黑体元件，详见表1。

（1）黑体元件布置范围：

炉顶：35～55个/m2；

炉墙：40～60个/m2；

隔墙：35～50个/m2。

（2）黑体元件分布设计

可在加热炉炉膛温度大于800℃处设置15432个黑体辐射元件。

（3）布置说明：

○预热段从温度＞800℃处开始设置黑体辐射元件；

○两侧墙离炉底0.7m，离炉顶0.2m区域内不设置黑体辐射元件；

○在烧嘴砖和收缩缝处不设置黑体辐射元件。3.3节能效果分析

该加热炉于2014年4月26日至5月1日进行了黑体技术改造，历时6天。为计算节能效果，在被加热钢坯的材质、规格、加热工艺、炉子状况等基本一致，且炉子在正常运行情况下，对该加热炉做了改造前后的能耗测试。

其对比结果为：该炉子在冷装情况下改造前吨钢能耗1.2GJ/t钢；改造后吨钢能耗1.1GJ/t钢，节能率10%，全年可节标煤1500tce。混合（高、焦、转）煤气价格按58元/GJ计算，全年创效在250万元以上。

表1 炉膛内元件布置方案

4 结论

黑体技术作为一项新兴技术，在不改变炉体的任何结构以及任何生产工艺的情况下，能够提高炉子的生产力，使炉温均匀性增强，炉衬的使用寿命延长，节约能源，减少排放。既符合国家的产业政策，也给使用单位带来很明显的经济效益和社会效益。

[1]曾祥模．热处理炉．西安：西北工业大学出版社，1989年

[2]国家发展和改革委员会．国家重点节能技术推广目录（第四批）．2011年12月

金山区推进产业结构调整助推节能减排产业升级

近年来，金山区稳步推进产业结构调整，取得了较好成绩。

2006-2013年全区累计调整“三高一低”项目超过390项，完成了皮革鞣制染整行业、铅蓄电池行业整体退出，完成了金山卫化工集中区域21家与产业布局不匹配的偏小偏差企业的调整工作。8年调整累计共节约标准煤26.98万吨，调整涉及土地约4405亩，分流职工2.29万人，有力助推了节能减排，为产业转型腾出了空间，为深化产业结构调整打下了基础。

2014年，金山区分行业、分阶段推进实施重点区域产业结构调整。年内实施产业结构调整项目55项以上，淘汰高能耗、高污染、高风险企业，压减低技术劳动密集型、加工贸易型、低效用地型等一般制造业企业，实现污染排放物、安全隐患点、能源消耗量持续减少，同时不断释放存量资源。

该区计划到2015年底，将着力实现工业区块外化工，包括危化企业的调整淘汰，完成非法或违规产能整治工作。

（金山区）

The Application of Black-body Technology in the Heating Furnace

Yang Wenbin,Kong Linbin,Huang Li,Chen Zhiliang

Black body technology could be used in manage the heat rays in the firing space of furnace.The black body installed in the firing space could enlarge the heat transfer area and increase the emissivity of firing space.In the meantime,black body could help effectively control the heat rays from randomly diffusion into orderly onto the steel billet. This will help increase the irradiation of steel billet and the arrival rate of heat ray,therefore strengthen the heat transfer by radiation and save energy significantly.

black body,heating furnace,Energy saving

杨文滨75年生，2005年博士研究生毕业，多年从事工业尤其冶金行业的节能研究及实际应用，发表节能相关论文多篇。