提升加热炉热效率——降低吨钢煤气单耗措施浅析

(武汉钢铁有限公司,湖北 武汉 430083)

目前煤、天然气等不可再生能源日趋紧张，铁矿石价格持续上涨，环境保护迫在眉睫，另外在全球金融危机的影响下，钢铁行业持续低迷，钢铁公司生产经营形势日益困难，对于许多钢铁企业，优化产品结构、提高产品质量、降低生产成本、减少环境污染，正成为提高企业竞争力的主要措施。

加热炉是轧钢生产中的主要能耗设备[1]，轧钢加热炉煤气消耗占到整个工序能耗的80%左右，因此。因此，降低加热炉吨钢煤气单耗是降低轧钢工序能耗和生产成本的工作重点。

1 理论分析

1.1 加热炉热效率

加热炉热效率=出炉钢坯加热时吸收的有效热量/供入炉内的热量之比[2]。衡量轧钢加热炉工作好坏的重要指标之一是吨钢煤气单耗，吨钢煤气单耗高低主要取决于加热炉的热效率。加热炉的热效率越高表明炉子的有效利用热量占燃料燃烧放出热量的比重越大，热量损失越小，加热单位重量金属消耗的燃料也越少。热轧三分厂加热炉热效率水平仅55%左右。

1.2 加热炉热量收支平衡介绍

生产过程中的实际测定或理论计算结果表明，一般轧钢加热炉炉内热量收支平衡如表1所示：

表1 加热炉热量收支平衡表 %

由表1可以看出：通过改造加热炉节能设备，优化加热炉烧钢工艺，提升加热炉节能管理制度，细化加热操作制度，进一步提高板坯装炉温度、提高空、煤气预热温度、减少燃气不完全燃烧，降低冷却水带走热量，减少炉体散热损失，可有效提高加热炉热效率，降低炉子燃气消耗。

2 现状说明

2.1 设备节能方面

2.1.1 水量立柱保温绝热耐火材料结构组成和厚度尺寸设计不合理

三分厂1-4号加热炉水梁立柱全部为单层低水泥高铝浇注料浇注包扎，保温绝热耐火材料结构组成和厚度尺寸设计不合理，耐材保温工作层导热系数较大，致使水梁立柱在相对高温的状态下运行，导致梁内冷却水带走热量增多。

2.1.2 硅钢炉炉体散热损失大

根据公司总体生产规划安排，2018年热轧三分厂不生产高温硅钢，与常规1、4号加热炉相比，2、3号高温硅钢炉炉膛空间较大，且南北两侧共设计预留有10个流渣渣口。在不生产高温硅钢的前提下，继续保留该炉型设计将会造成硅钢炉炉体散热损失更大。

2.1.3 换热器热效率偏低

空气预热温度只有420 ℃左右，换热器后废气温度平均为450 ℃左右，换热效率不足60%，远远低于国内先进钢铁企业水平。

2.2 工艺节能方面

通过到宝钢交流学习发现，三分厂普钢出炉温度达到1 220～1 230 ℃，板坯出炉带走物理热偏高，整个工序能耗中煤气与电耗之比为82∶16，而宝钢普钢加热温度只有1 180 ℃左右，工序能耗中煤气与电耗之比达到了60∶35的水平，在低温轧制技术方面，与国内先进钢厂水平还存在较大差距。

2.3 管理节能方面

2.3.1 再热坯24 h入炉物理热利用率低

由于轧线质量异常停机、设备隐患以及废钢等现象时常发生，再热坯较多，由于目前无完善流程支撑，再热坯不能及时入炉，再热板坯物理热不能及时利用，反复加热能源浪费严重。

2.3.2 热装比例和板坯入炉温度还具备继续深挖潜力

结合三分厂所有轧制品种结构进行分析，除部分板坯由于工艺要求需扒皮造成传搁时间较长不能热装以外，85%以上板坯均具备热装条件，三分厂2017年全年300 ℃以上板坯热装率为52%左右。因此，提高板坯热装比例和热装入炉温度在降低吨钢煤气单耗上具有较大潜力可以发挥。

2.4 操作节能方面

(1)轧线故障/停机期间故障升降温频繁。轧线故障时间预估控制不合理，无详细易操作的故障升降温制度指导现场操作，造成故障后降温不及时或频繁升降温。

(2)空燃比控制不合理，煤气不完全燃烧损失大。

3 采取的改进攻关措施

3.1 改造加热炉节能设备

3.1.1 立柱双层绝热包扎，减少冷却水带走热量

水梁立柱冷却水带走的热损失通常指在加热炉正常生产的工作状态下，炉内的热量透过水梁立柱的耐火材料包扎层以及水梁立柱的管壁，传递到水梁立柱内部的冷却介质，冷却介质不停的循环将炉内热量带走形成的热损失。正常合理的水梁立柱耐材包扎结构应为20 mm厚的纤维制品+50 mm厚的低水泥浇注料，此种结构既能确保水梁立柱的安全稳定运行，又能降低其导热系数，进而减少水梁立柱带走的热量损失，理论计算节能3%左右。

三分厂原始的水梁立柱包扎结构为70 mm厚的低水泥浇注料，由于低水泥浇注料导热系数远远高于纤维制品的导热系数[2]，造成水梁立柱内循环水与炉内热量交换大，带走热损失较大，因此：通过优化改进水梁立柱耐材包扎结构，将原始的水梁立柱包扎结构由70 mm厚的低水泥浇注料改为20 mm厚的纤维制品+50 mm厚的低水泥浇注料结构，可有效降低水梁立柱内冷却水和炉内热量的热交换系数，减少冷却水带走的热量损失，见图1。

图1 水梁立柱双层绝热包扎改造前后示意图

3.1.2 优化改造2、3号硅钢加热炉炉底，降低炉膛空间高度

三分厂2、3号硅钢加热炉炉底为斜坡状炉底，且炉底距炉顶距离较高，与常规1、4号加热炉相比，2、3号高温硅钢炉炉膛空间较大，炉膛散热损失更大。因此：基于三分厂基本无高温硅钢生产计划的前提下，利用炉子检修契机，组织对三分厂2、3号高温硅钢炉炉底进行抬高填平改造，降低硅钢加热炉炉膛空间，减少炉膛散热损失。改造前后炉底示意图如图2所示。

3.1.3 改造封堵2、3号硅钢炉渣口，减少渣口散热损失

图2 炉底改造前后示意图

三分厂2、3号高温硅钢炉在生产高温硅钢期间，高温状态下钢坯融化形成的钢水较多，因此：在原始设计时即在南北两侧各预留设计了5个流渣口，便于炉底钢水从渣口排除，至2017年8月开始，三分厂基本上已不再生产高温硅钢，预留的流渣口仅仅用纤维制品进行封堵，封堵不严实，流渣口热量损失严重，鉴于三分厂基本无高温硅钢生产计划的前提下，三分厂利用炉子检修契机，组织对三分厂硅钢炉渣口进行改造封堵，降低渣口散热损失。改造前后渣口示意图如图3所示。

图3 渣口封堵改造前后示意图

3.1.4 制定换热器更换周期，停炉检修期间对对换热器进行清灰、更换

制定换热器更换周期，更换周期为两年，并在每次停炉出渣检修时对换热器进行清灰处理，如图4所示，或更换主换热器，提高热风温度，提高换热器换热效率，使烟气余热回收达到最大效果。

图4 换热器表面清灰

3.2 优化加热炉烧钢工艺

推进开展低温轧制工作，优化板坯出炉温度工艺，降低板坯出炉温度：

(1)与公司制作部及下工序紧密协调，积极组织推进低温轧制工作，优化板坯出炉温度，制定并完善普钢(SPHC、P3A2等)全品种，成品规格>1.8 mm的镀锡板，成品规格≥3.5 mm的汽车板低温轧制标准。

(2)根据低温轧制情况重新优化各品种低温轧制时加热炉各段热负荷分配，优化各段烧嘴匹配，进一步降低高温段炉温，提高板坯出炉低温轧制率。

(3)自主开发完善低温轧制率统计报表，细化到每个单位的低温轧制情况，并每天监控完成情况，分析原因。

3.3 提升加热炉节能管理制度

3.3.1 编制再热坯24 h入炉管理规定流程

编制设计优化再热坯24 h入炉管理规定流程(见图5)， 实现再热坯24 h排程入炉，有效利用再热板坯物理热(见图6)。

图5 再热流程

图6 24 h内再热坯处置流程

3.3.2 编制热装工作流程及管理制度，提高板坯热装温度

结合三分厂现场实际生产情况，制定“三分厂热装单位优先轧制工作流程”及“热装优先轧制工作流程图”，指导倒班操作人员组织热装工作，在具备抢热装单位条件时就及时抓抢热装尽可能地提高高板坯入炉温度和热装比例。

3.4 细化加热操作制度

3.4.1 细化加热炉故障升降温制度

为降低轧线故障/停机期间频繁升降温带来的煤气消耗，对加热炉故障/停机升降温制度做如下细化要求：当轧制线出现故障/停机时(≥30 min),作业长对故障/停机时间进行预判，并第一时间通知加热操作台，加热操作人员收到通知后，按如下要求进行操作：

(1)步进梁后退两个周期，确保炉内板坯停留位置距激光接通位置有两个周期的距离；

(2)适当的提高炉压(炉压设定值提高2 Pa)；

(3)降低高温段空燃比控制(均热、二加段空气过剩系数设定下调0.05)；

(4)进行烧嘴间拔和位置更换；

(5)各段升降温要求如表2～表4所示：

表2 低温HiB，中/高牌号无取向硅钢故障/停机后降温制度

表3 低牌号无取向硅钢、普碳钢、汽车板、镀锡板故障/停机后降温制度

表4 低温HiB，中/高牌号无取向硅钢故障/停机后升温制度

(1)故障/停机升温温度达到工艺要求温度后必须炉内待温10 min以上，板坯才能抽出送轧线轧制。

(2)炉门口第一块钢抽出后进行再热。

3.4.2 细化加热炉空燃比控制工艺制度

细化空燃比控制工艺，降低空燃比控制系数，全炉炉内空燃比系数由原来的1.3降至1.1左右(见表5)，实现煤气完全燃烧，减少烟气带走废气热量，理论计算节能1%左右。

通过采取上述攻关措施后，降低三分厂吨钢煤气单耗攻关一定的成效效。2018年1—10月吨钢煤气单耗累计值为1.095 1 GJ/t，在2017年全年基础上降低煤气单耗0.078 7 GJ/t，吨钢降低吨钢成本3.934 8元/t。趋势图如图7所示：

表5 空燃比细化前后对比

图7 2018年1—10月三分厂吨钢煤气趋势图

4 结 论

本文主要以“加热炉热平衡表”为理论指导依据。主要围绕设备改造节能、工艺节能、管理节能以及操作节能等方面开展工作，对现场加热炉使用维护中存在的问题进行改造优化，总结如下：

(1)通过对立柱进行双层绝热包扎，减少冷却水带走热量；

(2)优化改造2、3号硅钢加热炉炉底，降低炉膛空间高度，改造封堵2、3号硅钢炉渣口，减少炉体散热损失；

(3)制定换热器更换周期，停炉检修期间对换热器进行清灰、更换，提高换热器换热效率，提升空气预热温度；

(4)推进开展低温轧制工作，优化板坯出炉温度工艺，降低板坯出炉温度；

(5)编制再热坯24 h入炉管理规定流程及热装工作流程及管理制度有效提高板坯带入物理热；

(6)细化加热炉故障升降温制度，减少频繁升降温造成的煤气浪费；

(7)细化加热炉空燃比控制工艺制度，确保煤气充分完全燃烧。