提高棒材轧机加热炉加热铸坯效率

Reheat Furnace Efficiency at Laverton Rod Mill

提高棒材轧机加热炉加热铸坯效率

天然气价格的大幅上涨和澳大利亚钢铁生产需求的增加，人们更加关注加热炉能源利用效率。由于轧钢加热炉生产中常常超出其设计能力，因此研究的重点是确定轧机生产率与加热炉的能源效率之间的关系，提出了一种能量平衡方法，用以预测生产率提高时对加热炉效率的影响。该研究包括在一系列生产条件下对烟气成分测定、炉内温度分布和烟气流量进行测量的工厂试验。这些研究发现的结果可用于加热炉升级改造之用。

钢铁制造是一个高耗能的过程，仅2015 年，钢铁业就占全球能源消费总量的5.1% 。[1] 为了达到轧制的要求，铸坯温度需要加热到1000~1200 ℃之间。[2] 在钢厂生产中，加热炉占钢厂总能耗比例较大，因此，从环境、财务收益和生产率的角度来看，寻找方法来提高炉子的能源效率是非常有益的。[3] 在本研究中，效率定义为加热炉炉总热能输入Q in (MW) 与传至铸坯的可用热量Q(MW) 之比。

澳大利亚的InfraBuild’sLaverton 钢厂系电弧炉冶炼，生产的铸坯向棒线材轧机提供原料，年产能为78 万吨建筑用钢。本研究的线材轧机由28 个悬臂式机架组成，年产55 万吨盘圆和螺纹盘圆，成品规格从φ5.5mm 的盘圆到φ16mm 的螺纹盘圆。该轧机加热炉系达涅利(Danieli) 设计制造的步进式加热炉，炉内尺寸为18.6 m x 13 m x 1.6 m ( 长x 宽x 高) ，它由三个由35 个“Bloom 2180” 烧嘴的加热段和一个无烧嘴的均热段组成，最初建造于1996 年，设计加热能力为每小时80 吨(tph) ，通过措施使得该加热炉能够加热冷铸坯达到每小时93 吨产能。而轧机的能力为105 吨/ 小时，这意味着加热炉是整个流程的瓶颈。澳大利亚天然气价格在过去3 年里上涨了150% ，导致炉子燃料成本大幅上涨，操作成本的增加和要求增加产能是提高加热炉效率的驱动力。

在分析运行中的加热炉的能量输入和输出问题时，以往的研究已经能够成功地计算加热炉的热能平衡，从而确定其热效率。[3,5,6] 一种方法是使用过程加热调研工具(PHAST) 来评估加热炉在85 吨/ 小时产量、65 吨/ 小时产量和轧机空转状态下的运行情况，研究表明，烟气是造成加热炉热损失的最大因素，降低生产速度对热效率有负面影响。通过数学建模进一步强化了能源消耗率、铸坯加热时间与能耗之间的关系，[6] 他们发现，虽然轧机生产量降低需要较低能耗，但铸坯在炉内时间长，这样比满负荷或更高产能生产情况下要消耗更多的能源。

烟气损失约占钢加热炉总热量输入的30% ，[5] 因此，尽可能回收烟气热量是有利可图的。以往的研究表明，使用换热器可回收高达47% 的烟气热量。研究还表明，除换热器外，利用烟气将钢坯预热到315 ℃，可进一步降低高达23.6% 的能耗。[5]

方法

为了准确地模拟炉子当前的运行状态，收集了50 吨/ 小时、70 吨/ 小时、86 吨/ 小时和0 吨/ 小时产量下的所有的能量输入和输出数据，现有仪器记录的数据在7 小时内取平均值，而烟气中氧浓度和铸坯表面温度数据是在每种操作条件下分别进行3 次测量，然后取平均值。

数据收集

现有仪器已将数据记录到ibaAnalyser 软件中，然后将数据导出分析。为了测量加热炉炉墙外壳温度，使用了Flir E60 红外热成像相机，利用接触法确定炉表面辐射率。[12] 这个过程在每面炉墙和炉顶进行，辐射率确定在0.85 到0.95 之间( 由于通道有限，炉膛排除在外) 。为了计算的一致性，所有炉墙外表面最初估计的发射率为0.95 。

在测量温度时，每个表面被划分成不同的区域，进行标准化标记，如图1 所示。然后利用红外相机的平均温度特性得到平均温度。对于每种铸坯小时加热速率，都要测量三次( 大约间隔2 小时) 炉体的表面温度。

图1 加热炉各区标识及尺寸

在测定炉内空气过剩量时，使用了萃取式烟气分析仪(Testo 327-1) ，测量了炉内气体中氧的体积百分比( 湿式) 。提取的测量地是在无烧嘴的均热区，因为这个地点最能代表炉内各种燃料/ 空气比情况，烟气进入这个区域之前燃气已经与空气混合燃烧。分析仪的工作原理是提取加热炉气体试样，然后通过内部的电化学传感器进行过滤和反馈，将氧浓度与大气空气作为参考(21%) 进行比较，精度为0.1% O 2 。

能量平衡

本研究的加热炉建模为稳态系统，控制烟气体积量，将换热器和加热炉作为单一系统看待，如图2 所示。能量平衡是利用Hayes 和Algie. [13] 所描述的原理进行的，如式1 所示，稳态系统中燃烧提供的热量被定义为从加热炉产出物到进入加热炉的反应物的焓变。由于产品在出炉前没有冷凝，假设水分处于蒸汽状态，因此计算天然气的较低热值为33 MJ/Nm 3 。

图2 控制气体体积的能量平衡

（公式1）

这里

=天然气燃烧释放的热量(MW),

Nr = 反应物的摩尔数(mol) ，

Np = 生成物的摩尔数(mol) ，

=生成焓(kJ/kmol)，

=焓(kJ/kmol)

=标准参考状态下的焓(25℃和一个大气压)。

铸坯和水密封以额外的能量形式进入系统，加入炉内的铸坯和水密封和泄露损失了系统的能量( 燃烧高温气体通过气隙和开口进入到大气中) ，还有烟气带走的热量和加热炉表面散热( 通过辐射和自然对流的形式带走热量) 。

泄漏

目前还没有对换热器和烟囱的烟气流量进行连续在线测量，因此，还没有准确的方法来计算加热炉烟气逸散量( 加热炉处于微正压操作) 。为了估算出烟气的逸出量，通过每年对燃气和空气的测量与烟道烟气量进行对比，然后，假定这些流量之间的差异是由加热炉开口和密封泄漏造成的的，该方法发现泄漏风量占进入炉内总容积的6% ，这个数据用于所有后续的能量平衡计算中。

开口散热

加热炉有10 个主要开口：一个炉尾侧进料炉门口，一个炉头侧出料炉门口，炉尾和炉头两侧各有2 个固定的炉门。铸坯进料炉门口位于炉尾炉膛较冷的一侧( 约1000 ℃) ，而加热好的铸坯出料口位于炉膛均热段一侧( 约1200 ℃) 。为了估计由于炉门打开所造成的热量损失，每一个开口都被视为仅仅由于该区辐射传热造成的能量损失，铸坯的进入和离开加热炉时候打开炉门开口，以百分比方式给定时间段内开启的时间，并乘以各自的区域温度，如式2 所示：

（公式2）

这里：

=通过开口损失的热量(MW)，

σ= 斯蒂芬- 玻尔兹曼常数(5.67 x 10 8 Wm 2 K 4) ，

T= 炉区温度(°K) ，

T 环境= 炉体建筑环境温度(°K) ，

A fixed = 固定开口面积(m2) 和

A moving = 移动开口面积(m2) 。

为了保证能量的守恒，没有考虑到的加热炉散热认为是“ 其它损失” 。

铸坯温送

为了确定加热炉对燃料消耗的影响，计算了小时70 吨产能工况下与温送铸坯热效率(GJ/t) 和热传递负荷的比例，将负载所需的理论热量(GJ/t) 除以加热效率(%) ，得到不同铸坯温度红送条件下吨钢加热所需要热能量，如式(3) 所示：

（公式3）

这里

C p,steel = 钢材比热(GJ/kg. ℃) ，

T discharge = 铸坯出加热炉电温度，

T warm charge = 铸坯红送温度

ηheating = 当前加热效率。

这种方法没有考虑钢在加热过程中传热性能的变化情况，然而，它被用来决定是否在要花更多的时间来研究超过300 ℃铸坯温送情况进行系列实验研究。

结果

表1 显示了每种测量的操作条件(0 吨/ 小时轧机空转状态、50 吨/ 小时、70 吨/ 小时和86 吨/ 小时产能) 下炉内外的计算能量平衡。可以看出，轧机空转时使用的燃料最少(4.46 MW) ，而以70 吨/ 小时速率出炉轧制时需要的能源最多，为23.6 MW 。在70 吨/ 小时产能下的排放烟气损失最大(4.42 MW) ，泄漏损失(0.69 MW) ，炉体表面损失(1.71 MW) 和未知其它损失(3.39 MW) 。也可以看出，加热出坯速率对开孔造成的热能损耗没有显著影响，在50 吨/ 小时到86 吨/ 小时之间只有0.03 MW 的变化。

表1 加热炉热损失汇总

小时产量不同，加热炉热效率不一样，产量为70 吨/ 小时时候的热效率为52.8% ；产量为86 吨/ 小时为67.3% 。从图3 可以看出，铸坯进入加热炉加热量与热效率之间不存在线性关系。然而，可以推断，在50 吨/ 小时产量至86 吨/ 小时产量之间，热效率确实随着加热炉小时产量的增加而上升，之前的研究也得到了类似的结果，发现炉热效率随铸坯装入量的增加而增加。[5,6] 结果表明，在50 ~ 70/ 小时产能时，热效率由56.1% 降至52.8% ，当加热速率为86 吨/ 小时时，热效率显著提高至67.3% 。然而，必须指出的是，在测量86 吨/ 小时产能的生产过程中，铸坯进入炉内的温度为85 ℃。结果表明，与50 吨/ 小时和70 吨/ 小时速率生产的环境温度下的铸坯相比，大大提高了炉子的热效率。

图3 铸坯在不同的加热产能下的加热效率

图4 将本研究70 吨/ 小时产能时候的能量平衡结果与 献中类似加热炉的结果进行比较( 称为研究A16 和研究B6) ，结果表明，本研究中向铸坯传递热的效率(52.8%) 略低于A 研究(57.5%) 和B 研究(59.3%) 。研究发现烟气损失(18.5%) 高于相同的那两项研究，分别为12.3% 和15.7%( 包括换热器回收的热能) ，这可以是换热器性能不同所致，以及它们可能比Laverton 钢厂有更长的预热段，铸坯预热温度更高。

图4 产能为70吨/小时的能量平衡结果与类似研究的比较。烟气损失是指换热器后的热量损失

所有操作条件中最值得注意的是未知损失( 其它损失) 的存在，这是输入加热炉的热量和计算出离开加热炉的热量( 通过表面散热、开口泄露、高温烟气带走热量等) 之间的差异。轧机空转期间的未知损耗最为严重，占总损耗的58.8% (2.6 MW) 。在86 吨/ 小时产能试验中，未知因素的估计值最低，仅占全部损失的0.5%(0.11 MW) 。图5 所示为其它损失占比与加热炉小时加热铸坯产量之间的关系，说明小时产量与相关的未知损耗之间存在联系。

图5 加热炉小时产量与其它损失热量之间的关系

未知损失如此巨大的一个原因可能是由于检测技术手段问题和假设问题，由于缺乏测量烟道内烟气的流量计，估计从加热炉泄露的气体占进入炉内占其总流量的6%( 根据每年一次测量烟道气流量来进行推断) 。这个假设是在加热炉在120mm H 2 O 正压下工作时做出的。然而，如图6 所示，炉膛压力在一天的生产过程中以及在不同的进料和出坯率之间变化，这可能导致了比测量和计算更大的热量损失。类似的研究没有使用热成像技术来测量炉体表面的温度，而是使用了一系列附着在炉外表墙体的热电偶，然后取其平均温度值。由于在使用手持热像仪时易产生人为误差，所以布置在加热炉墙体外壁的热电阻的方法会达到更准确的结果。这些研究也没有量化“ 未知的热损” ，而是假设输入和测量输出之间的任何热量差异是通过炉顶和炉膛损失的热量。此外，如图7-12 所示，由于炉子的特点和对炉子的损坏情况不一致，加热炉表面温度有相当大的差异。如果未来的研究集中在加热炉上，加热炉损坏的部分就应该进行修复，并采用一种再现性更好的测量方法来减少或消除人为的误差。

图6 试验检测0吨/小时，50吨/小时、70吨/小时和86吨/小时产能时候炉膛压力

图7 加热炉加热段可见燃烧气体通过炉顶裂缝泄露

图8 燃烧空气管道的严重损坏，产生明显的热损失

图9 加热炉耐火材料温度变化：（1）钢板温度，（2）正常稳定的耐材温度，（3）耐材裂缝处温度

图10 加热炉壁温度变化；(1)检查窗口，(2)耐材钢锚钉，(3)炉墙。

图11 耐材的损坏，炉顶燃烧室变红，热像仪测得温度超过了653℃量程范围。

图12 用普通相机拍摄的炉顶冒火孔的图像，如图11所示的位置。

图13 显示了每次测量的空气- 燃料比以及对应小时加热铸坯产能下的设定空气- 燃料比，设定空气- 燃料比是根据每个7 小时测试期间的平均燃料和空气流量计算出来的，墨尔本天然气的化学计量空气- 燃料比约为10.63:1( 体积计算) 。

图13 测量的空气-燃料比与设定的空气-燃料比的比较

在生产过程中可以看出，设定的平均空- 燃比为10.79 ，对应1.5% 的过剩空气。在每一种小时产能生产过程中，测量的空气- 燃料比都大于设定的空气- 燃料比，在轧机空转时最明显，测量的空- 燃比设定值为15.44 ，高出了62% 。测得的这么高空气- 燃料比可能是由于空气和燃料在到达测试口之前处于小火状态，没有得到完全混合，因此，在正常燃烧速率下，氧分析仪吸入的空气要比空气和燃气混合良好的时候要多。

同样，在50 吨/ 小时的产能下，测量的空气- 燃料比为13.43 ，而设置比为10.90 。虽然所有测量的比率都大于其设定的比率，但空气- 燃料比在50 吨/ 小时产能时更高的原因很可能是由于测量方法所致，由于氧气读数是手工提取测量的，因此这只能反映的是即刻炉内情况。设置比和测量比之间测量值的差异表明需要更精确地测试炉内氧气浓度。按照目前的情况，不能肯定地说测量是由于测量技术上的不一致而导致偏离，或者是加热炉实际上偏离其设定的参数运行。因此，建议在安装在线氧含量分析仪来进行更多的测量。

探讨了70 吨/ 小时产能中铸坯温送的情况，以确定有效的节能效果。表2 显示，在70 吨/ 小时产能条件下，铸坯以15 ℃温度入炉，需要12.64 MW 的能量才能达到加热炉出钢温度。为了确定温送的益处，铸坯入炉温度从50 ℃增加到400 ℃，并计算相应的所需的铸坯加热热量，假设仍保持53% 的热效率，结果表明，铸坯400 ℃入炉，以70 吨/ 小时产能向炉内进入铸坯，加热炉内温送的铸坯还需要8.25 MW 的热量方能达到出炉温度的要求，比环境温度铸坯加热到出钢条件减少35% 能量消耗。与类似的研究结果进行了比较，他们发现，钢坯在315°C 的温度下入炉可以减少23.6% 的燃料消耗( 减少0.29 GJ/t) ，相比之下，Laverton 钢厂的加热炉热负荷研究结果表明，铸坯在315 ℃温度下入炉，铸坯加热的燃料消耗将减少27%( 减少0.32 GJ/t) 。

表2 加热炉小时加热铸坯产量为70 吨条件下，温送铸坯加热需要的燃料

图14 为铸坯入炉温度与加热所需热量(GJ/t) 的理论关系，二者呈线性关系。然而，必须指出的是，这些结果只是基于将铸坯温度提高到出炉温度条件下所需的能量。为了更好地了解加热炉的潜力，需要对加热温送铸坯进行进一步的研究。

图14 估计70吨/小时加热产量下温送铸坯与加热燃料需求对应关系

结论

本研究的目的是获得轧钢加热炉的能量损失的位置和和损失量的大小，以及加热炉小时产能对能量损失的影响。

结果表明，随着加热铸坯小时产能的增加，铸坯加热效率也随之提高。忽略未知的热损失，除了轧机空转时候，在所有加热小时产能条件下，烟气仍然是热损失的最大贡献者，轧机空转时候加热炉炉墙表面热损失贡献最大。研究发现，虽然澳洲天然气价格高，降低氧气- 燃料消耗的对成本有利，但这样做，对于提高生产效率反而造成负面的影响。然而，如果用来增加炉子的产能，情况就不一样了。减少加热炉燃料消耗的最有效和最经济的方法是优化铸坯温送温度，如果铸坯能够达到400 ℃温度条件下入炉，而不是常温铸坯入炉，则可减少35% 的燃料需求。

本研究仅限于分析四种加热工况(0 吨/ 小时、50 吨/ 小时、70 吨/ 小时、86 吨/ 小时) 。烟气流量和水封的流量是根据以前的工作估算出来的，因为缺少测量仪器，炉墙表面温度和氧浓度是采用定点检测，在测试期间没有连续记录下来。进一步的研究将所有测量数据的在线记录，以便更好地了解加热炉生产加热过程，针对产能变化做出反应，这可能需要安装更多的仪器，如(1) 永久安装的气体分析仪和烟道烟气流量测量装置；(2) 水封的水流量和温度监测。这些升级将为未来的能源研究提供更精确的建模依据。

致谢

参考 献

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G.Brooks：professorof engineering, Swinburne University of Technology, Hawthorn, Vic., Australia gbrooks@swin.edu.au

R.Janse van Vuuren：manufacturing manager, Laverton rolling mills andwarehouse, InfraBuild Steel, Laverton, Vic., Australia

A.Fontana：Technical Superintendent Meltshops and RollingMills, InfraBuild Steel, Laverton, Vic., Australia andrea.fontana@infrabuild.com

唐杰民五一劳动节期间在黄山屯溪翻译自美国《钢铁技术》2020 年5 月期刊中的 章，水平有限，翻译不准确和不妥之处请给与指正。