轧钢加热炉热效率的影响因素及优化对策研究

吴 铠 覃永国 蒙 政

(柳州钢铁股份有限公司)

中厚板轧钢系统的能源消耗主要包括加热炉燃耗和轧机电耗，加热炉燃耗占中厚板轧钢系统能耗总量的75%～90%，因此，加热炉的技术水平、运行水平直接影响企业的经济效益。

1 加热炉主要性能参数

由某中厚板加热炉测试分析可知，该加热炉热效率为39.8%，水平较低。因此，提高加热炉的热效率对降低企业生产成本有着重要意义。该加热炉为板坯加热炉，负责轧制前钢坯加热，主要性能参数如下：

炉型：推钢式连续加热炉；

有效尺寸：长度29 670 mm，内宽6 750 mm；

设计生产能力： 110 t/h；

燃料种类：焦炉煤气；

加热钢种： 碳素结构钢、低合金高强度钢等；

板坯规格：长1 800～2 700 mm，厚220 mm，宽900～1 830 mm；

加热温度：1 100～1 200 ℃；

板坯装炉温度：室温～600 ℃；

烟气余热利用：烟道内换热器预热助燃空气；

炉底管冷却方式：汽化冷却。

2 加热炉热效率偏低分析

(1)

物料获得的有效热Q效：

(2)

加热炉热效率η1：

(3)

从式(3)可知，提高助燃空气物理热、减少烟气带走的物理热、减少炉体散热、减少炉门及孔洞的逸气热损失，可提高加热炉热效率。另外，还可以通过改善燃料燃烧过程及炉内传热条件，提高加热炉热效率[1-2]。

2.1 燃料燃烧状况不佳

(1)燃烧器选型不匹配

首先，加热炉燃烧器按燃用高焦混合煤气设计，空燃比为2∶1，而加热炉实际燃用纯焦炉煤气，空燃比为4.05∶1，设计不合理，造成控制效果不佳；其次，燃烧器选型偏大，实际生产时，燃烧器仅在10%～30%的较小开度范围内调节使用，燃烧效果、调节性能差。

(2)空气消耗系数大

检测加热炉炉尾烟气成分，发现烟气中氧含量达到7.61%，计算得空气消耗系数为1.522，空气供给量严重偏高。过剩空气量过大，烟气量增加，带走热损失增大，同时烟气量增大，燃烧温度降低，恶化了炉内传热条件，降低热效率，加热炉能耗升高。

2.2 炉体散热和逸气热损失大

红外测温显示炉体外表面温度平均达到122 ℃，与设计标准要求的炉体外侧温度≤100 ℃差距较大。加热炉出料炉门闭合不紧，未出钢状态下，炉门下方有一条宽约150 mm的缝隙，两个炉门中间也有一定间隙。加热炉还存在个别点密封不好，有热气逸出。根据热平衡测试结果，总逸气热损失达到总供热量的7.32%，是主要热损失项[3]。

2.3 换热器损坏漏风

加热炉燃料(焦炉煤气)中含有少量硫，烟气中的SO3在400 ℃以下会发生低温露点腐蚀。检查发现，烟道内换热器的后几排管子腐蚀锈穿，造成换热器漏风，换热效果不佳，降低了助燃空气预热温度。

2.4 炉尾吸冷风严重

加热炉炉尾烟道上方烟气温度为752 ℃，经过7.2 m长的烟道，到达换热器前的烟气温度降至584 ℃。烟气温度降低了168 ℃，温降大。这是由于进料端吸入的冷风混入烟气中，降低了进入换热器的烟气温度，从而降低了助燃空气预热温度。

2.5 加热炉生产率偏低

单位热耗与生产率之间的关系如下[1]：

(4)

式中：b为单位热耗，kJ/t；Q0为加热炉空烧保温的热负荷，kJ/h；P为炉子生产率，t/h；K为常数；e为自然对数的底，e=2.7183。

根据上式可知，单位热耗随生产率的变化而变化，当加热炉单位热耗最低时，称为炉子工作的经济点；当加热炉在靠近经济点两侧区间内运行时，称炉子在经济区工作[1]。经济区内，生产率的波动对单位热耗的影响较小。实际生产过程中，加热炉生产率偏低主要原因为：轧机轧制节奏相对较慢，加热炉存在“大马拉小车”现象；坯料长度短，坯料在炉膛内覆盖面积小，炉底利用率低。对该加热炉统计得出，当生产率为106.4 t/h时，单位热耗最低，为1.01 GJ/t，而该实际生产率为经济点对应生产率的61%。

3 提高加热炉热效率的措施

3.1 加热炉燃烧器合理设计

加热炉上的燃烧器用于燃烧燃料，其性能的好坏、配置是否合理直接影响加热炉的能耗指标的高低。根据加热炉的加热要求、燃料种类、结构形式等，比较不同燃烧器的特征，合理设计、选择及安装使用燃烧器可以节能5%以上[4-5]。

针对加热炉燃烧器选型不合理、燃烧器偏大的问题，利用大修机会进行了改造，对燃烧器进行了重新计算，并联合厂家进行了燃烧器优化设计。改造后，加热炉的燃烧器燃烧能力减小很多，仅为原来的1/3，正常生产情况下，燃烧器的开度基本在50%～80%，加热炉炉温调节工作相对容易，控制精度更加精确，炉内火焰刚度更加合理，炉内温度更加均匀。根据生产统计，比未改造的3号加热炉吨钢煤气消耗减少6%。

3.2 加热炉燃气管路及调节阀改造

加热炉以焦炉煤气为燃料，参考改造前煤气使用量，并按富余量20%进行空煤气管道设计。为减少下部水冷吸热造成钢坯上下表面加热不均的影响，供热分配按上加热42%、下加热58%设计。同时根据重新设计的空煤气管道，选择合适的调节阀、流量计。

3.3 优化空气消耗系数控制

(1)增加炉尾烟气含氧量检测

因加热炉各控制段配置的流量计数据失真，加热炉无法根据流量对空气消耗系数进行精确控制。为此，在加热炉预热段安装了一套烟气含氧量检测仪器，实时检测烟气含氧量，根据烟气含氧量评估空气消耗系数的合理性，并根据结果反馈控制煤气、空气调节阀开度。即通过控制炉尾烟气含氧量，实现对空气消耗系数的控制。

(2)合理控制空气消耗系数

如前所述，空气供给量过高，造成能耗升高。一般的，常规烧嘴的空气消耗系数应控制在1.05～1.25，具体要结合实际确定。对于不同加热炉、不同燃烧器空气消耗系数有所不同，控制不合理还会影响产品加热质量。结合实际，在确保燃料完全燃烧、满足加热质量的前提下，目前加热炉烟气含氧量控制目标为1.0%～3.5%，即空气消耗系数为1.05～1.16。

3.4 强化炉内传热

在加热炉内壁表面涂刷黑度大的涂料，相对浇注料内壁(黑度为0.86～0.92)，这些涂料的黑度达到0.98[6]。涂刷后，可以提高导来辐射系数，强化炉内的辐射传热，有助于更多的热量被钢坯吸收。

增加或修复隔墙。在炉底、炉顶设置隔墙，以增强炉气流动时的扰动，使炉气对流换热由微弱的层流流动变为紊流流动，增强对流换热。

3.5 提高生产节奏

(1)缩短钢坯加热时间

经多次试验、调整，在确保坯料加热质量的前提下，将优碳板、普板、低合金坯料的加热时间缩短20～30 min，使加热炉在经济区工作。

(2)优化轧制工艺

针对轧机轧制节奏较慢问题，首先，考虑设备能力，适当加大道次压下量，减少轧制道次，提高节奏；其次，调整轧后冷却过程，提高终轧温度，缩短了控制终轧温度的等待时间，提高生产节奏。

3.6 加强维护管理

(1)利用加热炉大修机会，增加了炉墙厚度，每侧炉墙增加114 mm的保温砖，使炉侧外表面温度降至96 ℃。

(2)更换腐蚀漏气的换热器。

(3)改造出料端炉门，加宽加高炉门，加大炉门行程，确保炉门关闭到位；两扇炉门之间，增加相互错开的交叉挡板，整体解决出料端炉门密封不严问题。

(4)加强管理，封堵加热炉冒火、蹿火点，优化出钢操作控制，要求炉门不可提前打开，钢坯出炉后必须及时关闭炉门，减少炉门打开时间。规范炉膛压力，结合观察，将炉膛压力控制在15～30 Pa较为合适，既不会吸冷风也不会造成炉气外逸。降低炉尾炉门开度，减少炉尾吸入冷风。

4 结语

针对轧钢加热炉热效率偏低的原因进行了分析，利用加热炉大修机会进行改造。对加热炉燃烧器、空煤气管路、调节阀进行改造；增加烟气含氧量检测，实现空燃比的合理控制；缩短钢坯加热时间，提高生产节奏，使炉子工作点向经济区靠拢；加强炉子维护、加强管理，减少热损失。通过上述措施，加热炉热效率提高到了47.6%，单位热耗从1.41 GJ/t降至1.23 GJ/t，降低了12.8%，取得了很好的效果。