工业炉窑新技术论文加热炉传热新技术

1、工业炉窑新技术论文加热炉新技术加热炉新技术众所周之，加热炉的燃料适应能力、传热效率和节能效果是评价一个加热炉好坏的重要标准，本文就将对以上问题做出相关论述。下文的前半部分将给出一个发生炉煤气在普线加热炉中应用的实例，后半部分将着重讲述加热炉（包括电阻炉，燃烧炉）在节能方面的问题。首先讲述一个发生炉煤气在普线加热炉中应用的实例。1概述济南钢铁集团石横特殊钢厂（简称石横特钢厂）二轧车间普线加热炉原设计采用重油为燃料，其加热能力为35t/h，主要生产810mm热轧盘条及1012mm小型棒材，加热炉为三段连续式，端进侧出，尺寸为3.132m×25.082m。 石横特钢厂2002年新

2、建3.2m两段式煤气炉1座，建造时主要考虑为炼钢车间烘烤钢包。随着炼钢生产节奏的加快，目前，炼钢车间烘烤钢包用气量相当小，该炉小时产量为65007000m3，导致发生炉绝大部分时间处于低负荷运行状态，造成煤气质量差，成本高。而重油的价格不断增加，致使燃油费用在轧钢产品成本中占的比重越来越大，已成为影响企业经济效益提高的重要因素。为了降低生产成本，经充分研究论证，决定在普线加热炉上使用发生炉煤气。 2发生炉生产情况 石横特钢厂煤气炉24h连续运转，所用煤种为陕西神木烟煤，煤气的各项经济指标均较好，煤气热值为6490kJ/m3,煤气单耗为0.290.30kg/m3。该炉型可以将

3、烟煤在干馏段经低温干馏得到煤焦油，该种焦油呈黑褐色，密度较小，其组成中烷烃、烯烃及芳香烃约占50%，酚类含量可达30%左右，流动性好，是一种具有极高发热值的液体燃料。目前吨煤焦油产率为6080kg，每天可产300400kg煤焦油。煤气站可根据用户用气情况合理调节发生炉的产量，以满足生产需要。 3可行性分析 3.1燃料温度可满足钢坯加热温度要求普线钢坯的最高加热温度一般在10001350范围内。两段式煤气炉的热值为6490kJ/m3,空气预热温度按300计，则理论燃烧温度为2300，炉温系数按0.7计，则可获得1610的炉温，完全能满足轧制普线的要求。 3.2燃烧技

4、术的可行性 该车间加热炉宽度小于4m，采用侧加热和端部加热就能满足加热工艺的要求。为此只要将原来的油烧嘴改为油气两用烧嘴即可，不需做其它变化，投资少。 3.3烟气的辐射传热强 烟气中的三原子气体CO2及H2O的辐射能力强，其浓度对辐射传热起着决定性作用，即气体燃料中的CO2及H2O的浓度越高，烟气的辐射传热越强。煤气燃烧产物中的CO2及HO的浓度可达到28%左右，比重油燃烧产物中的CO2及H2O的浓度高，因此其辐射传热强。 3.4炉温控制方便，加热质量好由于煤气是气体燃料，气体燃料与空气是分子混合，分子混合比液体的非分子混合要容易，调节方便，有利于加热炉

5、的炉温调节和控制。且由于煤气与空气混合得好，火焰均匀，没有像直接燃烧重油时雾化不好、火焰集中、有热点、冷点等弊端，因此钢坯温度均匀，氧化烧损少。 4煤气在加热炉中的应用4.1改进加热炉烧嘴煤气站生产的煤气从气柜不经加压直接送往二轧车间加热炉，压力波动小，加热炉前的煤气压力一般为20003000Pa。为保证燃烧效果对加热炉烧嘴进行了改进，将原来单一的燃油烧嘴改为油气两用烧嘴。加热炉共有17个烧嘴，其分布为：加热段下部8个、上部6个，均热段3个。单个烧嘴的煤气燃烧能力为960m3/h，正常生产时只开810个烧嘴即可满足轧制要求。使用油气两用烧嘴，在煤气量不足时可以用焦油做适当调节。

6、60;4.2安全措施为实现加热炉的安全点火，制定了详细的用气操作规程，点火前先做爆破试验，确认无误方可点火。同时为了减少煤气泄漏，在煤气管道上装有双闸阀，在每个烧嘴前装有蝶阀和平板闸阀，氮气吹扫装置，眼睛阀等。在加热炉区域配备固定式和移动式煤气检测仪，用以随时检测周围环境中CO的浓度。4.3应用效果加热炉烧煤气，炉温均匀，又保证了炉气黑度，避免了以重油为燃料时钢坯局部过热、过烧等现象，减少了钢坯加热“黑印”。煤气燃烧后积灰少，解决了烧重油时换热器频繁堵塞的问题，延长了加热炉尾部空气换热器的运行周期。钢坯加热质量的提高，使轧辊断辊现象及轧机故障率明显降低，孔型、导卫件的使用寿命延长，轧机作业率提

7、高1.2%。钢坯加热过程中氧化烧损减少1%，开轧温度大于1100，机时产量增加；轧废减少，各钢种成材率不同程度提高。炉温控制调节方便，减少了看火工的劳动强度。现场作业环境好，没有跑冒滴漏现象，干净无黑烟。 下面将着重论述当前加热炉在节能、提高效率方面的新技术。当前在工业加热炉窑领域采用的节能方法和技术主要有：炉衬材料轻型化，其典型代表就是“全纤维炉”；蓄热式工业炉，是在热流的下游着手进行余热回收；红外涂料技术，其根本弱点是涂层的老化，发射率衰减；此外，还有以突起物来增加炉膛面积；采用计算机集散控制的方法提高控制精度的，但对炉子热效率的提高并不能起到根本的作用。我们的追求是：如何在上述

8、这些已有的节能技术单独或集成使用后，还能进一步大幅度节能。这是资源形势和技术发展的要求。一、黑体强化辐射传热节能的新机理1.加热炉热效率低下的本质原因 加热炉的炉膛，是被加热物料接受热源发出的热能，完成加热过程的空间，要求炉壁保持良好的密封状态，有较长的使用寿命；从传热的观点来看，炉壁起着中间传递热量的作用。（1）热射线 热辐射是物体的固有属性。凡温度大于0 K（即在绝对零度以上）的物体，其电子振动或激动的结果，就要对外发出辐射能，温度越高，辐射出去的能量越多；吸收辐射能也是物体的固有属性，在同一温度下，物体对辐射能吸收率和发射率相等。辐射能以电磁波的形式进行传播，物体因受热而发射电磁波，或因

9、吸收电磁波后而变热。电磁波向四周连续传播的过程就是辐射传热的过程，称为热辐射，这种传播热能的电磁波就叫热射线。（2）炉膛内加热工件的过程热源发出的热射线沿半球空间射出，其中只有一部分能够直接射到工件上被工件吸收，另一部分投射到了炉壁上。炉壁对投射来的热射线，除吸收一部分使自身升温，并不断将热量传导至炉壁外表面散失外，对另外的大部分热射线，遵循光学的直线传播原理（入射角等于反射角），又反射到炉膛内；炉膛内壁是一般工程材料，表面粗糙，致使不断被反射出去的热射线形成漫反射的分布状态。充满在炉膛内的漫射状的热射线，虽然有部分能射向工件被吸收，但有许多热射线仍然没有射到工件上，即有些热射线没有到位，不能

10、成为加热工件的有效热，也就是说，我们要加热工件的目的并没有完全达到。与此同时，却有许多热量通过炉衬的蓄热和散热损失了。（3）传统的节能机理人们通过热平衡计算或测试，发现电阻炉炉体蓄热和散热损失高达60%70%，而加热工件的有效热仅25%30%。燃料炉的情况也基本类似。以此为依据，于是采用热容较小的轻质材料和保温材料筑炉，以减少蓄热和散热损失。这种节能方法，只是将热量“堵”在了炉膛里，并没有改变热射线的“漫反射”状态，没有解决热射线是否到位的问题，所以加热工件的有效热仍然很低。二、提高热射线的到位率（1）寻找影响热能利用的因素电阻炉传热的数学模型对辐射型中、高温电阻炉，工件获得的热量是 式中：t

11、W、tM分别为工件和炉墙的温度，M、W分别为工件和炉墙的黑度 FM、FW分别为工件和炉墙的面积，0辐是M=W=1时的辐射换热系数 分析此式可知，用增大W、FW的方法，就能使工件获得的热量增多。燃料炉传热的数学模型燃料炉内，火焰流不断流过炉壁和物料，以对流和辐射两种方式向炉内提供热量。高温炉气与炉衬内表面辐射换热热流量（简化后）为： 式中：TG、TW分别为炉气和炉衬内表面温度；FW为炉衬内表面的面积;G、GW分别为炉气在TG和TW时的黑度;W为炉衬内表面的黑度。当TG与TW相差不大时，可近似认为：GGW，这时上式可简化为： 这表明，增大W和FW，会强化炉气与炉墙之间的辐射传热，使炉衬内表面的温度

12、升高，从而也就强化了炉衬与被加热工件之间的辐射传热。因此，无论是电阻炉还是燃料炉，我们都必须设法增大炉膛面积和提高炉墙黑度。（2）启用黑体元件绝对黑体“黑体”是一个物理概念，它是能够完全吸收辐射能的理想物体，其吸收率和发射率均为1。工业标准黑体 我们根据黑体理论4，将黑体的概念加以技术化，制成集“增大炉膛面积、提高炉膛黑度和增加辐照度”三项功能于一体的工业标准黑体，其黑度（全发射率）达到= 0.96 (1078 K，中国测试技术研究院测试)，简称为黑体元件。把黑体元件设置到炉膛中 不改变原炉膛结构，仅把众多的黑体元件设置到炉壁上：这些元件有的凸出在炉壁之外，有的凹入在炉壁里面； 对热源装置（电

13、热体或烧嘴砖等）和整体炉墙作红外强化处理，增强其气密性并提高黑度； 于是，带有众多黑体元件的炉膛，就形成了一个发射率不衰减（不老化），且寿命又可延长的红外加热系统。黑体元件在炉膛中发挥的作用增加炉膛面积，一般可以实现增加炉膛面积1倍左右；提高炉膛黑度，黑体元件黑度达到0.96；调控热射线；（3）提高热射线的到位率热射线的能量分布Lambert 定律E(,)=Icos式中：E(,)为定向辐射力，,为方向，I为辐射强度。定律指明：热源向空间各方向发射的辐射能，按余弦规律分布：即法线方向的能量最多，切线方向的能量为零，在此两方向之间任一位置的辐射能多少，与该位置同法线方向夹角的余弦成正比，在切线与法

14、线之间，越靠近法线方向的热射线，辐射能越多。由此指导我们在炉膛中设置黑体元件时，要以选择法线方向为原则：把黑体元件热射线投射的法线方向指向工件。选定黑体的形式根据不同炉型、装料情况和常用工艺对炉子热惰性的需求等，酌情选取黑体元件或是凸起在炉壁之上，或是凹入到炉墙里面。确定黑体元件的适当密度，满足炉温均匀性的要求 加热工件时，黑体元件在炉膛内成为热射线传递的“二传手”，巧妙地完成对热射线的调控： 黑体元件以0.96的高吸收率，迅速吸收射向它的漫射状的热射线，自身热量增加并积累后，温度升高，随即它们便转化成一个个具有高发射功能的新“热源”；黑体元件同样又以0.96的比率，按设定的方向，定向地、不断

15、地向工件发射热射线； 就这样，黑体元件将漫射状的热射线从无序调控到有序，直接射向工件，提高了热射线的到位率，使工件单位面积上吸收的辐射能增加，即辐照度增大。黑体元件的高发射率，由其几何参数和表面特性获得，具有高稳定性，不老化，不衰减，只要炉膛内的黑体元件存在，其性能就不随时间而衰退。三、黑体强化辐射传热节能技术的实际应用黑体强化辐射传热节能技术在应用中产生了多方面的效果6 ,有些是其它方法和手段不能达到的。1、节能效果2、炉温均匀性增强（1）有利于消除炉膛的低温区域在炉膛温度偏低的部位，增加黑体元件密度，多调动一些热射线过来，就可以提高这里的温度。（2）众多“温柔烧嘴”实现均匀供热黑体元件形成

16、的新“热源”，是在炉膛内若干个烧嘴各以一定供热强度的火焰辐射的同时，又增添的许多个分散的“温柔烧嘴”，它们将小流量的热射线均匀地、源源不断地射向工件（供热），以满足对工件高质量、高性能的工艺要求。表3带黑体元件的30t天然气退火炉炉温均匀性改善的效果3、增强炉子保温性能带黑体元件的炉子，炉温稳定，保温性能好。（1）适应工件缓冷的要求当炉子停止供热逐渐冷却时，热的炉壁和工件仍在不断辐射热量，众多的黑体元件一直都在反复地吸收和发射着热射线。实际上就有一定数量的热量被保存在了黑体元件内，致使炉子散热慢，冷却速度降低，以利于工件彻底消除应力。（2）提高周期作业炉效率周期作业炉每一炉完成了加热后工件出炉

17、完毕时，炉温都要降低，带黑体的炉子因保温性好，出料时炉温下降的幅度减小，一般可以少降低6080，从而使下一炉再升温的起始温度较高，炉温回升快。4、延长炉衬寿命 带黑体元件加热炉的炉壁气密性增强，既阻止炉墙漏气，又能减缓其氧化速度，对燃料炉还能显著增强炉墙对气流的耐冲刷能力，有利于炉衬寿命延长。成都工程机械总厂的RT2-90-10台车炉，一般使用寿命为一年另三个月，炉膛设置黑体元件后，使用时间达到了四年半，延长寿命2.6倍。5、环保效应减少相应的排放带黑体炉子减少排放量的环保功能显而易见，节能多少，就减少多少排放。大量生产实践有力地说明，黑体强化辐射传热技术是加热炉热能利用技术领域的重大突破，效果显著，功能多样，运行稳定可靠，性价比高。四、黑体强化辐射传热节能技术的应用范围黑体强化辐射传热的实质是改变热射线的分布状态，它并不涉及热射线是哪种能源产生的，所以，不论是电、气、油、煤使用何种能源的炉子，都能方便地采用。各种电阻炉，如箱式炉、台车式炉、井式炉及其生产线、可控气氛炉，各种燃料炉，如连续加热炉、陶瓷烧成炉窑、玻璃池窑、坩埚炉等均适用。五、结论 当前加热炉领域，包括耐火材料行业在内，都致力于轻质材料，以为越轻越节能，实际并非如此，材料过轻，导致其强度、荷软等重要指标不能匹配，因此，轻型化是有限度的。 如果在轻型化的基础上注入“