任立言

（中國鋼研科技集團有限公司 工程事業(yè)部，北京100081）

帶鋼立式連續(xù)熱處理爐是連續(xù)熱鍍鋅生產線上的核心設備，其技術的好壞決定了鍍鋅產品的機械性能與表面質量。連續(xù)熱處理的原料一般為冷軋帶鋼，產品主要用于汽車外板和家電板[1]。根據不同的熱處理工藝，通?？梢詫⑼嘶馉t劃分為加熱段、均熱段、快冷段和均衡段。按照鋼帶的退火熱處理曲線，鋼帶在爐內經加熱、保溫、冷卻后，達到入鋅鍋前鍍鋅要求的溫度460～480℃[2]。同時，退火爐又是連續(xù)熱鍍鋅生產線的重要耗能設備，其能耗占整個工序能耗的35%左右，因此退火爐的節(jié)能顯得非常重要，是企業(yè)節(jié)約能源、降低成本、增加經濟效益的重要途經。

1 項目概況

1.1 前言

國內某廠年產25萬t連續(xù)鍍鋅機組，2007年始建，工藝速度160 m/min，鍍鋅鋼帶規(guī)格為厚度0.2～1.2 mm，寬度800～1 250 mm，該還原退火爐采用電加熱立式退火爐型，由入口密封、加熱及均熱段、噴射冷卻段、均衡段和轉向輥段組成（見圖1）。

圖1 原電加熱立式退火爐結構示意圖

退火爐采用的電加熱裝置由288根直管式電輻射管組成，每根功率為27 kW，共計27×288=7 776 kW。

根據工藝要求，此生產線還需要蒸汽用于工藝生產中,一是用于加熱脫脂段的堿液、電解液和水，二是用于加熱脫脂后和水淬后的熱風。目前這些蒸汽需全部外購，保守估算每年的費用大概為150萬元。

1.2 存在的問題

該退火爐采用電加熱方式,成本較高，為了適應市場的需要，降低能耗，降低生產成本，提高產品質量，此公司經研究決定，對現有的鍍鋅退火爐進行升級改造，還原退火爐的加熱方式由電加熱改造為燃氣加熱。

2 傳熱數學模型

目前廣泛用的退火爐換熱數學模型主要有全爐帶鋼溫度分布和帶鋼單元溫度跟蹤兩大類模型[3-4]。

2.1 全爐帶鋼溫度分布模型

把退火爐按爐長的方向展開，以鋼帶長度為x坐標，鋼帶寬度為y坐標，鋼帶厚度為z坐標，鋼帶任何時間、任何一點的溫度表示為T（x，y，z，τ）。爐溫可以表示為T（f，z，τ）。

將爐內傳熱過程復雜的物理過程簡易化，經過數學公式推導[5]，爐內鋼帶加熱過程的三維非穩(wěn)態(tài)控制方程可以表述為

式中：x，y，z，τ—鋼帶長度方向、寬度方向、厚度方向的空間坐標以及時間坐標，x，y，z的取值范圍分別限于長鋼寬度L，寬度W，厚度D

ρ—帶鋼的密度，kg/m3

C—帶鋼的比熱容，kJ/（kg·K）

λ—帶鋼的熱導率，W/（m·K）

v，τ—帶鋼在爐內的速度，m/s

這是爐內鋼帶的非穩(wěn)態(tài)加熱控制方程，需要確定邊界條件和初始條件，才能求解該方程。對于爐內溫度分布模型需要計算帶鋼左右兩表面、上下兩側表面的熱流密度。綜合考慮對流、接觸、輻射傳熱，以左表面為例，熱流密度可表示為

式中：q（z，τ）—表面熱流密度，W/m2

hc（z，τ）—每爐段的對流換熱系數，W/（m·K）

ε（z）—每爐段的綜合輻射換熱系數；當η=1時，δ（η）=1，此時鋼帶處于爐輥處；當η=0時，δ（η）=0，此時鋼帶不處于爐輥處

λR—鋼帶與爐輥接觸傳熱的換熱系數，W/（m2·K）

TR—爐輥表面溫度，K

σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數，5.67×10-8W/（m2·K4）

將式（2）作以改變，即可得到系統的綜合傳熱系數h（z，τ）的表達式：

因此，可以得到熱流密度的簡化表達式：

綜上，帶鋼上表面的邊界條件就可表示為：

即：

同樣可以得到右表面的熱流邊界方程。

通常該模型的初始條件一般認為：當τ=0時，爐溫分布和鋼帶溫度是已知的，即

2.2 帶鋼單元溫度跟蹤模型

如果鋼帶的相對運動速度為零，也就是將計算坐標選在鋼帶上，此時將某一點的鋼帶單元做為研究對象，假設鋼帶沿爐長方向上沒有熱量傳遞，只考慮鋼帶在寬度和厚度方向上的熱傳導問題，這樣，建立起來的數學模型稱為帶鋼溫度跟蹤模型，其控制方程為：

式中：T（x，y，τ）—鋼帶單元內任意一點的溫度，K

2.3 輻射換熱的邊界條件

由于連續(xù)鍍鋅退火爐主要采用輻射加熱，且輻射管具有形狀復雜的特點，計算換熱邊界條件比較常用的方法是假想面等效黑度法[6]。假想面等效黑度法如圖2所示。

圖2 假想面等效黑度法示意圖

假想面f'位置與輻射管表面相切，其寬度與輻射管f的有效長度相當。假設假想面f'與輻射管表面溫度Tf相同。假想面f'為漫射灰表面，其等效黑度為εf'，假想面f'的輻射為Qf'，與輻射管表面投向假想面的輻射Qf相同：

式中：Ff'，Ff—假想面、輻射管的面積，m2

φf-f'—輻射管表面對假想面的輻射角系數，具體求算可見文獻[7]

通過式（10）、式（11）計算，將輻射管f與帶鋼s之間的輻射熱交換，轉化成了具有溫度Tf、表面黑度為εf的假想面與鋼帶之間的熱交換，這樣，復雜的幾何形狀變換成了容易計算的平板形狀，更加利于傳熱計算。

3 改造方案

主要的改造方案如下：

（1）加熱段由原電輻射管加熱改為燃氣輻射管加熱；

（2）加熱系統、溫控系統全部更換；

（3）余熱利用回收，并且用于全線清洗段和烘干加熱。

改造后的退火爐結構如圖3所示。

圖3 改造后的電加熱立式退火爐結構示意圖

改造后，退火爐的加熱裝置由W形燃氣輻射管配合燃氣輻射管燒嘴組成，共計97套，采用天然氣燃料，每套功率為130 kW。

帶鋼控制溫度見表1。

表1 退火爐帶鋼控制溫度

爐溫控制見表2。

表2 退火爐爐溫控制

3.1 燃燒系統介紹

燃燒系統由燒嘴、輻射管換熱器、助燃風機、排煙風機、空氣管道、燃氣管道、排煙管道及煙囪等組成。燃燒方式為抽鼓式。燃燒系統采用分區(qū)控制，各燃氣區(qū)管設有手動球閥、穩(wěn)壓閥、電磁切斷閥、渦輪流量計及電動調節(jié)閥；空氣區(qū)管設有手動蝶閥、流量孔板及電動調節(jié)閥。嘴前燃氣管路設有開關球閥、電磁切斷閥及調節(jié)球閥，嘴前空氣管路設有電磁切斷閥及手動蝶閥。為降低燃氣消耗，每只輻射管內均設有高效雙級換熱器，利用輻射管的高溫廢氣預熱助燃空氣，空氣預熱溫度550～600℃。

燃燒控制方式采用脈沖+雙交叉比例限幅雙溫控，閥門開度低于30%時使用脈沖控制方式，閥門開度高于30%使用雙交叉比例限幅控制方式。使燒嘴始終處于最佳的燃燒狀態(tài)，從而降低能耗，同時提高輻射管的使用壽命。

3.2 余熱利用介紹

（1）功能

輻射管加熱段燃氣燃燒產生的煙氣經輻射管換熱器換熱后仍具有較高的溫度，帶走大量熱量。通過回收煙氣余熱，可免去或有效減少全線用于清洗和干燥加熱的蒸汽，節(jié)約能源，降低生產成本。

（2）過程描述

在排煙總管上設有煙氣-空氣-水換熱器，一級氣-氣換熱，預熱空氣用于帶鋼的熱風干燥；一級氣-水換熱，通過加熱循環(huán)水間接加熱脫脂段的脫脂液、電解液及清洗水（見圖4）。

圖4 燃氣退火爐煙道及余熱利用示意圖

4 應用效果

改造前該電加熱立式還原退火爐，加熱均熱段共288根電輻射管，單只功率27 kW，共7 776 kW。根據生產實際統計，噸鋼電耗為170 kW·h，以0.8元/（kW·h）計算，噸鋼加熱能耗成本為170×0.8=136元。

采取我司開發(fā)的新型雙級換熱器、雙溫控、新式燃燒系統，可以有效降低噸鋼耗氣量，以CQ級按標準723℃加熱鋼板為基準，噸鋼天然氣能耗小于20 m3。以3.7元/m3計算，噸鋼成本為20×3.7=74元。此時節(jié)省成本：

（1）直接能耗節(jié)省每噸：136-74=62元。以年產量80%能力計，即年產20萬t，共可節(jié)省62×20=1 240（萬元）

（2）節(jié)省變壓器座機費用每年200萬元。

（3）天然氣燃燒的煙氣廢熱利用可以把原生產線上的3個熱風吹干點和所有的前處理（堿液、清洗水、電解液）的加熱能源取代。保守計算每年可節(jié)約150萬元。

（4）增加的助燃風機、排煙風機、換熱風機共185 kW。按全功率運行300 d算在100萬元電費。

綜上所述，每年可節(jié)約成本：1 240+200+150-100=1 490（萬元）

5 結論

（1）相比電加熱立式退火爐，燃氣加熱的立式退火爐的運行成本相比電加熱要低很多，以此改造為例，每年大概可節(jié)約成本1 490萬元。但燃氣加熱退火爐的一次性投資比較大，在綜合考慮工廠綜合實力，長遠效益的考量下，優(yōu)先選用燃氣加熱。

（2）燃燒廢氣通過煙道換熱器，將余熱進一步加熱清洗段的溶液和干燥用的熱風，通過回收煙氣余熱，可免去或有效減少全線用于清洗和干燥加熱的蒸汽，節(jié)約能源，降低生產成本，進一步提高了能源使用率。

（3）此文所述的改造方案運行成本低、運行可靠，為國內很多鋼廠的改造提供了依據，具有很好的實用推廣價值。