雷 勇 段 毅 夏維松 包向軍

(1.濰坊科技學院，2.安徽工業(yè)大學能源與環(huán)境學院，3.蕪湖市富鑫鋼鐵有限公司)

鋼鐵工業(yè)為建筑、機械等諸多工業(yè)提供原材料和半成品，是非常重要的支柱產(chǎn)業(yè)[1-2]，其能源消耗約占全球能源總消耗的5%[3-4]，具有很大的節(jié)能潛力[5]，因此節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)過程的能效水平已成為研究的熱點。加熱爐是鋼鐵企業(yè)的主要耗能設(shè)備之一[6]，其能耗占鋼鐵流程總能耗的15%～20%，占軋制工序的70%[7]。

1 研究現(xiàn)狀及問題

針對加熱爐設(shè)備熱效率提升、熱回收利用及節(jié)能降耗等方面，諸多學者進行了大量研究。Jaya Krishna Myalapalli[8]從空氣系數(shù)、熱量分布和溫度需求等12個方面對加熱爐性能進行了評價，并利用收集的數(shù)據(jù)，通過試驗改進提升了加熱爐的整體熱效率；薛念福[9]等在實際生產(chǎn)狀態(tài)下測量獲得了鋼坯的溫度分布，利用工業(yè)試驗確定了加熱爐經(jīng)濟負荷的運行區(qū)域，建立了推鋼式加熱爐鋼坯加熱過程的一維穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，提出了合理的熱工制度，工業(yè)實際應用表明煤氣單耗降低5.3%，鋼坯長度方向上的溫差減小10 ℃，出爐鋼坯的平均端面溫差為38 ℃；曹萍[10]等建立了步進式加熱爐的數(shù)學模型，通過不同方案的比較，研究了待軋階段5種不同爐溫制度下的鋼坯溫度曲線，采用了加熱曲線法進行待軋的決策，并模擬了待軋階段和待軋后的全爐鋼坯溫度場，更好地控制了鋼溫穩(wěn)定；彭其春[11-13]等討論了多種關(guān)于連鑄—熱軋過程的銜接方式并論述了過程中板坯庫存的計算方法，基于面向負荷的相關(guān)控制理論和方法，引入連鑄—熱軋的活套容量指數(shù)，計算得到了不同銜接方式下坯庫的合理庫存，為生產(chǎn)調(diào)度和降低鋼鐵企業(yè)中間存儲器容量提供了理論依據(jù)。

以上研究大多數(shù)是針對加熱爐爐體結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)操作參數(shù)以及生產(chǎn)調(diào)度等幾個方面的優(yōu)化，雖然有一定的節(jié)能降耗效果，但這些技術(shù)較為復雜，可能需要大量的改造工作。而鋼坯入爐前熱量散失直接且明顯，加設(shè)入爐保溫裝置減少熱量散失，不僅能實現(xiàn)節(jié)能降耗，且實施方便。

2 測試方法

2.1 基本概況

某公司裝備的2座推鋼式加熱爐，分別為Ф550型和Ф650型，具體參數(shù)見表1。

表1 加熱爐基本參數(shù)

2.2 溫度測量

采用型號為Fluke TiX650的高溫高精度熱成像儀及配置的Smart view軟件獲得鋼坯的溫度分布情況。利用鋼坯的表面溫度和芯部溫度計算對應位置的平均溫度，用該平均溫度表征鋼坯各位置處的溫度水平；出爐鋼坯溫度測量的內(nèi)容包括表面溫度和端面溫度，鋼坯出爐過程中取4塊試驗鋼坯，分別編號為1～4號，在每塊鋼坯長度方向的中間段上表面均勻選取5個測點，另外選取3塊試驗鋼坯編號為5～7號，每塊鋼坯的2個測點分別設(shè)置在其端面上部邊緣中點處和端面中心點處，測點布置如圖1所示。出鋼過程中記錄試驗鋼坯各測點的溫度值，整理后得到鋼坯上表面和端面的溫度分布情況。

圖1 出爐鋼坯測點布置

3 結(jié)果及分析

3.1 保溫對鋼坯入爐溫度的影響

加設(shè)保溫前后，鋼坯在位置1(出連鑄機位置)、位置2(來料等待位置)、位置3(推鋼機位置)和位置4(進加熱爐位置)的溫度變化見表2，表中平均溫度為表面溫度和芯部溫度二者的平均值。改造前的鋼坯表面溫度在位置1、2、3、4處分別為850、530、270和453 ℃，由于沒有保溫，從位置1到3的運送過程中鋼坯散熱量較大，溫度不斷下降。在位置3處，最低為270 ℃；之后不斷靠近加熱爐，逸出的高溫爐氣對鋼坯有一定的加熱作用，鋼坯表面溫度回升。

表2 保溫前后不同位置鋼坯溫度變化 ℃

加設(shè)保溫后，鋼坯在位置1～4的表面溫度分別為850、660、650和620 ℃，除位置1外，位置2、3、4處的鋼坯表面溫度相較于加設(shè)保溫前分別提高130、380和167 ℃，溫度顯著升高。加設(shè)保溫后，鋼坯散失的熱量在保溫裝置內(nèi)被重新收集，避免了進一步向周圍環(huán)境逸散，由于鋼坯表面溫度一直高于環(huán)境溫度，所以鋼坯表面溫度不斷下降。

加設(shè)保溫前后位置1～4的鋼坯芯部溫度均呈下降趨勢，分別為1 250、1 000、860、770和1 250、1 180、1 150、1 100 ℃。除位置1外，加設(shè)保溫后位置2、3、4處的鋼坯芯部溫度相較于加設(shè)保溫前均有所提高，且越靠近加熱爐，溫度提升效果越明顯。其中，位置2和3的溫升分別為180和290 ℃，而位置4的鋼坯芯部溫度提高了330 ℃，表明保溫對鋼坯芯部溫度的提升效果隨著推鋼過程的進行有所增強。鋼坯散熱過程包含三種方式：(1)鋼坯芯部的熱量以熱傳導的方式傳至鋼坯表面；(2)鋼坯表面與環(huán)境以對流傳熱的方式進行熱交換；(3)鋼坯表面與環(huán)境以熱輻射的方式進行熱交換。由于鋼坯芯部向鋼坯表面?zhèn)鳠嶂挥袩醾鲗Х绞剑l(fā)生在鋼坯內(nèi)部，根據(jù)傅里葉定律，需要鋼坯表面和芯部存在一定的溫差，所以整體散熱相對較慢，而鋼坯表面向環(huán)境的熱傳遞有對流傳熱和熱輻射兩種方式，且換熱面積較大，散熱較快，導致鋼坯表面溫度明顯低于芯部溫度。

對比保溫前后各位置鋼坯溫度，可以看出，除保溫無法應用的位置1外，保溫后對應的各位置溫度均高于保溫前對應溫度。其中在進加熱爐位置，鋼坯的平均溫度提高了240 ℃左右，相較于保溫前的612 ℃提升了約39%。

3.2 保溫對噸鋼熱損失的影響

為了衡量和評價相應位置鋼坯熱量水平，定義了噸鋼熱量占比(即相應位置處的噸鋼熱量值與出連鑄機位置的噸鋼熱量值之比)作為評價指標，保溫前后噸鋼熱量占比及噸鋼熱損失見表3。加設(shè)保溫裝置后，過程熱損失由331 080 kJ/t降至219 000 kJ/t，減少約33.9%。其中，從位置1到位置3的過程中，鋼坯溫降最快，相應的熱量損失也最多；加設(shè)保溫后，位置3噸鋼熱量占比由48.42%提升至73.47%，噸鋼熱損失由379 050 kJ/t降低至195 000 kJ/t，減少約48.56%，大幅降低了噸鋼熱損失；位置4噸鋼熱量占比由54.96%提升至70.2%，噸鋼熱量由403 920 kJ/t升高至516 000 kJ/t，提升27.7%。加設(shè)保溫可有效提高鋼坯入爐前的熱裝溫度，有利于后續(xù)加熱爐的節(jié)能降耗。

表3 保溫前后不同位置的噸鋼熱量占比及噸鋼熱損失

3.3 保溫對加熱質(zhì)量的影響

選取出爐鋼坯上表面溫度標準差和端面溫差來衡量鋼坯溫度均勻性，進而考察加熱質(zhì)量。分別對加熱前后的鋼坯出口上表面溫度和端面溫度進行了測定，整理得到出爐鋼坯上表面溫度標準差和出爐鋼坯端面溫差，見表4。

表4 出爐鋼坯上表面溫度標準差和端面溫差 ℃

出口鋼坯的上表面溫度均存在一定的波動，其中1號和2號鋼坯上表面溫度的標準差分別為22.7和56.8 ℃，而3、4號鋼坯上表面溫度的標準差分別僅為6.3和10.3 ℃，明顯低于增加保溫前的鋼坯上表面溫度標準差。表明保溫前出爐鋼坯的加熱均勻性較差，加設(shè)保溫可提高鋼坯表面溫度均勻性。

其中5、6號鋼坯端面溫差分別為208、177 ℃，而7號鋼坯端面溫差只有110 ℃。加設(shè)保溫前的鋼坯端面溫差較大，保溫后端面溫差降低，端面溫度均勻性提高。

加設(shè)保溫后鋼坯的入爐熱裝溫度提高，鋼坯在加熱爐內(nèi)的溫度升高和加熱爐加熱負荷都相應減小，加熱時間縮短，氧化鐵皮生成和溫度不均等加熱質(zhì)量問題得到一定緩解。加設(shè)保溫可有效提高加熱均勻性，減小鋼坯表面溫度波動和鋼坯端面溫差，有利于提高鋼坯的加熱質(zhì)量，避免后續(xù)熱軋等操作中由于鋼坯加熱不均引起的問題。

4 結(jié)論

(1)通過在連鑄機和加熱爐的輸送軌道上增加保溫裝置來降低散熱量，熱量損失嚴重的進推鋼機前區(qū)域的噸鋼熱損失由379 050 kJ/t降低至195 000 kJ/t，減少約48.56%；總的噸鋼熱損失由331 080 kJ/t降至219 000 kJ/t，減少約33.9%。鋼坯入爐平均溫度升高240 ℃左右，溫度水平較之前提升39%。驗證了保溫方案的可行性和有效性，可有效提高鋼坯熱裝溫度，降低加熱爐加熱鋼坯單耗，具有較大節(jié)能潛力。

(2)增加保溫后鋼坯的入爐熱裝溫度得到提升，減小了鋼坯在加熱爐內(nèi)所需的溫升及加熱爐的加熱負荷，縮短了鋼坯在爐加熱時間，提高了生產(chǎn)節(jié)奏。另外，增加保溫有效降低了出爐鋼坯的上表面溫度標準差和端面溫差，改善了加熱不均、端面溫差大等問題，鋼坯整體加熱質(zhì)量得到提升。