工业窑炉炉衬耐火节能一体化结构的分析

工业窑炉炉衬耐火节能一体化结构的分析

能源和环境问题对钢铁工业和其他行业的快速发展有很大的影响。减少消费和减少排放是公司技术进步和可持续发展的必然选择。工业炉是工业加热的关键设备,广泛应用于国民经济的高温工业。工业炉又是耗能大户,其能耗占全国总能耗的25%,占工业总能耗约60%。在工业窑炉的节能过程中,除了热源改造、烧结工艺改造、燃烧工艺改造和窑炉结构改造外,窑炉用耐火材料和窑具耐火材料性能的好坏对工业窑炉的节能效果有着决定性影响。工业窑炉中热量消耗基本上可以分解为产品吸收的热量、窑具吸收的热量、烟气带走的热量、窑壁和窑车吸收的热量、窑体散热损失的热量等几个部分,其中仅仅用于产品吸收的热量是有效能量。我国的能源利用率较低,工业炉的热效率平均为30%,其中锻造炉为5%~20%,热处理炉为8%~25%,连续加热炉和隧道窑的热效率稍高一些,也只有30%~55%,与国际上工业炉的热效率平均为50%以上相比有较大的差距。为应对能源形势的严峻挑战,工业炉节能降耗是发展的必然趋势。工业炉节能与窑衬耐火材料的技术进步、窑炉技术设计和施工密切相关。窑衬耐火材料在工业窑炉中的节能作用是通过多种窑衬耐火材料与隔热保温材料组合,采用耐火绝热一体化轻质耐火材料作为窑体结构材料,使窑体减少散热损失和蓄热损失达到节能目的。窑衬耐火材料与隔热保温材料组合有多种途径,本研究从传热角度出发,计算分析采用几种不同热导率窑衬耐火材料结构组合,对其进行包括热流密度和外表面温度的变化等传热分析,为优化工业炉窑衬耐火材料组合和研究耐火节能一体化结构以及发展新型节能型耐火材料提供技术依据。1炉壁材料热性能分析轧钢生产能耗约占钢铁联合企业生产总能耗的十分之一,其中75%~80%消耗于各种加热炉,轧钢加热炉的热效率对钢铁厂轧制工序的能耗起着至关重要的作用。通过传热计算分析采用轻质保温材料对炉壁散热的影响。轧钢炉为连续加热炉炉型,因此计算时不考虑炉衬材料的蓄热,只分析工作状态下通过炉墙的散热。1.1炉墙热损失的计算热量通过炉衬材料由炉墙内壁向外壁传递方式为导热传热,炉墙外壁对周围环境的传热方式是对流和辐射同时存在,由于炉墙外表面温度较低(一般<100℃),对流为主要传热方式,其总传热量为辐射传热和对流传热量之和,即为便于对复杂的传热现象进行综合计算,一般将公式统一为以下形式:式中,Q-传热量(W);h-炉墙外侧对流换热的表面传热系数,W/(m2·K);A-炉墙面积(m2);tb-炉墙外壁温度(℃);tf-炉墙外侧空气温度,即环境温度(℃);C0-绝对黑体的辐射系数,5.68W/(m2·K4);ε-炉墙外壁的黑度;φ-辐射角系数;α-对流辐射综合传热系数,W/(m2·K)。以上公式适合已知炉墙外壁温度时热损失计算。在无法测得该数据时,可根据炉膛内壁温度计算炉墙的温度场分布。加热炉炉墙传热为第三类边界条件的稳态多层平壁传热模型,炉壳钢板较薄(仅为几毫米),其热导率λ为54W/(m·K),远远高于耐火材料的热导率,因此钢板的传热热阻可忽略不计。单位时间内通过单位面积传递的热量称为热流密度q,q=∫-λ∂x∂tdx(W/m)。热流密度是向量,由高温到低温的方向为正,与温度梯度相反。炉墙单位面积的热损失,即炉膛内壁通过炉衬传给加热炉周围环境的热流密度数值为式中,t1-炉墙内壁温度(℃);tf-炉墙外侧空气温度,即环境温度(℃);δi-第i层炉衬材料的厚度(m);λi-第i层炉衬材料的热导率,W/(m·K)。炉墙的综合传热系数k为不同炉衬的界面温度为热导率λ是热工计算非常重要的参数,λ数值受温度影响,加热炉常用耐火材料热物性参数如表1[3~5]所示。1.2热传热系数计算热导率计算公式典型的轧钢加热炉炉衬厚度为400~500mm,以炉墙内表面温度为1250℃和炉衬厚度为450mm为例计算,炉衬结构分别为:炉衬结构Ⅰ为全重质耐火浇注料;炉衬结构Ⅱ为50mm纤维板+400mm浇注料的复合炉衬;炉衬结构Ⅲ为100mm纤维板+115mm轻质粘土保温砖+235mm浇注料的复合炉衬;炉衬Ⅳ为105mm纤维板+230mmJM23绝热保温砖+115mm轻质莫来石耐火砖。炉衬材料的计算热导率按各自平均工作温度下的热导率取值。炉墙外壁的对流辐射综合传热系数,取15~20W/(m2·K),炉墙外壁空气温度即车间温度取值25℃,计算结果如表2所示。由表2可知采用复合炉衬Ⅳ的炉墙散热为采用全重质浇注料炉衬结构Ⅰ的8%左右。与炉衬结构Ⅰ相比,相同厚度的炉墙,炉衬结构Ⅱ在400mm厚的低水泥浇注料加贴50mm耐火纤维后,热流密度大幅度下降,仅为450mm全浇注料炉衬的50%。国内许多加热炉的节能改造方式为在原有炉衬加贴耐火纤维,即收到了较好的节能效果。图1为1250℃轧钢加热炉炉墙的一维温度场。可以看出轧钢炉4种炉衬的炉墙外表面温度分别为357,123,79和51℃。炉衬结构Ⅰ和炉衬结构Ⅱ的外表面炉墙温度太高显然不符合GB/T3486-93标准规定。目前轧钢加热炉的炉衬结构一般是复合炉衬Ⅲ即纤维、轻质砖和重质低水泥浇注料的复合炉衬结构。考虑到初始投资、使用寿命和节能的综合效益,轧钢加热炉的炉衬结构105mm纤维板+230mmJM23绝热保温砖+115mm轻质莫来石耐火砖将具有更好的节能效果。2炉衬结构设计隧道窑是陶瓷、耐火材料、电瓷等企业关键的热工设备,也是耗能较大的设备。在这些工业的通用工艺流程中,能耗主要体现在原料的加工、成形、干燥与烧成四大步骤,其中干燥和烧成工序的能耗约占总能耗80%。有报道陶瓷工业能耗中约60%用于烧成工序。高性能耐火保温绝热材料在隧道窑炉上的应用,不仅可以减薄窑壁的厚度,更重要的是大大减少窑墙的蓄热和散热达到节能。以炉墙内壁温度为1600℃隧道窑为例,炉衬厚度500mm,炉衬耐火材料分别为氧化镁砖、氧化铝空心球砖、轻质粘土保温砖、JM23绝热保温砖、轻质莫来石耐火砖、耐火纤维板。设计的1600℃隧道窑炉衬结构如下:炉衬结构Ⅰ为40mm纤维板+230mm轻质粘土保温砖+230mm氧化镁砖的复合炉衬;炉衬结构Ⅱ为40mm纤维板+230mm轻质粘土保温砖+230mm氧化铝空心球砖的复合炉衬;炉衬结构Ⅲ为40mm纤维板+115mmJM23绝热保温砖+115mm轻质莫来石耐火砖+230mm氧化铝空心球砖的复合炉衬;炉衬Ⅳ为采用110mm纤维板+115mmJM23绝热保温砖+115mm轻质莫来石耐火砖+160mmAl3O2空心球砖的窑衬结构。炉墙外壁的对流辐射综合传热系数和计算环境温度数值同上(见表3)。由表3可知,4种炉衬结构的最外层都加入了纤维板,其热流密度在1500~500W/m2之间。炉衬结构Ⅰ和炉衬结构Ⅱ相比,炉衬内壁厚度为230mm的炉衬材料不同,材质分别为氧化镁砖和氧化铝空心球砖,可以看出,后者的外壁温度和热流密度均小于前者。炉衬结构Ⅳ和炉衬结构Ⅲ相比,外层纤维板厚度增加了70mm,而内层氧化铝空心球砖厚度减少了70mm,总厚度相同,炉衬Ⅳ的热流密度为炉衬Ⅲ的70%。图2为隧道窑炉墙的一维温度场,可以看出4种复合炉衬的炉墙外表面温度分别为122,108,79和63℃。考虑到初始投资、使用寿命和节能的综合效益,炉衬Ⅳ110mm纤维板+115mmJM23绝热保温砖+115mm轻质莫来石耐火砖+160mmAl3O2空心球砖具有最好的节能效果。3炉墙热流密度以1250℃轧钢加热炉和1600℃隧道窑2种典型的连续热工窑炉为实例,分别设计了4种炉衬耐火材料结构。通过对不同炉衬耐火材料结构组合的综合传热系数、热流密度和炉墙温度场的传热学计算,给出了相应窑衬结构的热导率改变对热流密度和炉墙外表面温度的影响,说明采用轻质绝热耐火材料和耐火纤维的复合窑衬结构其炉