杜奎林

（河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067000）

1 項目概況

“多晶莫來石纖維與輻射原件組合式節(jié)能技術(shù)”是將保溫與強化輻射相結(jié)合的技術(shù)，本次節(jié)能技術(shù)改造將單獨強化輻射弊端進(jìn)行的完善。在原由的基礎(chǔ)上提高節(jié)能率3%。1780生產(chǎn)線3號加熱爐燃耗較高，出坯距離至軋機較遠(yuǎn)，爐溫控制高等特點。由于加熱爐燃?xì)庀挠绊懸蛩刂T多，為了避免各種因素影響，根據(jù)1780生產(chǎn)線兩用一備的特點，采用對比法進(jìn)行節(jié)能率的認(rèn)定。

1.1 加熱爐的傳熱過程

鋼坯的加熱溫度包括表面溫度、沿橫斷面上的溫度差及沿鋼坯長度方向上的溫度差。鋼坯在爐內(nèi)的最終加熱溫度是考慮了軋制工藝、軋機及加熱爐的結(jié)構(gòu)特點等實際情況后制定的。加熱到規(guī)定溫度所需時間，取決于鋼坯的尺寸、鋼種、加熱制度及一些其它條件。

鋼坯在爐內(nèi)以對流方式和輻射方式得到熱量，前者是爐氣對流沖刷鋼坯表面；后者是爐氣和熾熱的爐襯輻射熱。加熱爐沿長度方向上分三段控制：即預(yù)加熱段、加熱段和均熱段。鋼坯進(jìn)入預(yù)熱段，熱流逐漸增大，鋼坯到二加熱段，熱流基本保持不變，鋼坯到均熱段，熱流逐漸減小。鋼坯在均熱段內(nèi)，鋼坯表面溫度基本保持不變，而斷面溫差逐步縮小，鋼坯表面得到的熱量以熱傳導(dǎo)的方式向內(nèi)部擴散。傳給鋼坯表面的熱流越小、受熱面積越大、鋼坯的斷面尺寸越小、鋼的導(dǎo)熱率越大，斷面溫差就越小。

1.2 輻射傳熱原理

物體間的輻射換熱與物體表面的幾何形狀、大小及相對位置有關(guān)（見圖1），角系數(shù)是反映這些幾何因素對輻射換熱影響的重要參數(shù)。

輻射換熱時，一個表面發(fā)射的能量中能直接到達(dá)另一表面的份額。表面1對表面2的角系數(shù)是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1輻射能量的百分比。

圖1 輻射傳熱

Q1-＞2表面1直接投射到表面2上的能量；

Q1表面1輻射的總能量；

按角系數(shù)的基本定義通過求解多重積分而獲得角系數(shù)。

角系數(shù)計算：

對圖示的兩個有限大小的面積F1、F2，有：

對于空腔內(nèi)的物體與空腔內(nèi)壁之間的輻射換熱（見圖2），由于空腔內(nèi)物體的全部熱輻射都投射到空腔內(nèi)壁上，其角系數(shù)為1，因此，空腔內(nèi)的物體與空腔內(nèi)壁之間的輻射換熱可以用下面的公式表示。

F1——物體1的外表面面積；

F2——物體2的空腔內(nèi)表面積；

ε1, ε2——物體1和物體2的黑度。

圖2 空腔內(nèi)的物體輻射傳熱

1.3 加熱爐輻射傳熱分析

分析加熱爐內(nèi)壁中央部位小面積爐壁到工件的輻射換熱時，也可以近似地認(rèn)為該小面積爐壁對工件的角系數(shù)為1，如圖3所示。

圖3 加熱爐內(nèi)壁輻射傳熱

因此，該小面積爐墻與工件之間的換熱為：

由上式可以看出，爐墻與工件之間的換熱量與爐墻的黑度系數(shù)、面積成正比。

1.4 強化均衡輻射傳熱節(jié)能技術(shù)的工程實現(xiàn)

1.4.1 高效熱輻射體

強化均衡輻射傳熱節(jié)能技術(shù)是利用在爐內(nèi)壁上加裝一系列的高效熱輻射體來實現(xiàn)的，其形狀如圖4所示：

圖4 高效熱輻射體

由于輻射體的外表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其安裝底座遮擋的爐壁面積，因此，安裝輻射體后，爐墻和其形成更大的熱輻射面，并且，大部分熱輻射可以到達(dá)工件。使得爐墻整體的熱輻射得以強化。

同時，高效熱輻射體選用特制的高黑度系數(shù)材料，其表面的熱輻射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于爐墻內(nèi)壁，因此，加裝高效熱輻射體后的爐內(nèi)壁在輻射面積和熱輻射率上均大幅度提升。

1.4.2 加熱爐溫度場分布

在強化爐壁熱輻射的同時，可以通過科學(xué)合理地布置高效熱輻射體，改善爐壁傳熱的均衡性，避免工件過熱現(xiàn)象，減少氧化燒損。為此，在設(shè)計改造方案時，首先利用計算流體力學(xué)軟件FLUENT，對加熱爐內(nèi)燃燒、傳熱和煙氣流動狀況進(jìn)行分析計算，給出初步方案，根據(jù)元件布置的初步方案，經(jīng)過多次方案的校核計算、輻射體布局調(diào)整優(yōu)化，得到其布置的最終優(yōu)化布置方案。

2 加熱爐的應(yīng)用方法

2.1 全爐內(nèi)壁貼裝多晶纖維保溫層

在均熱段、加熱二段爐頂及側(cè)墻1.5米以上部分貼裝1600多晶莫來石纖維模塊；加熱一段、預(yù)熱段爐頂及側(cè)墻下燒嘴燒嘴磚上部貼裝1400多晶莫來石纖維模塊。

多晶莫來石纖維模塊厚度均為50mm。

圖5 多晶莫來石纖維模塊

2.2 對多晶纖維保溫層進(jìn)行固裝

首先對加熱爐側(cè)墻及爐頂貼裝多晶莫來石纖維部分，進(jìn)行表面清理，以確保纖維模塊與爐襯緊密貼合，之后采用專用高溫粘結(jié)劑將纖維模塊均勻貼裝在加熱爐側(cè)墻下燒嘴以上部分和爐頂，形成完整的加熱爐保溫層。

2.3 輻射體布置方案

1780生產(chǎn)線軋鋼加熱爐采用混裝，其熱裝率在70%以上，因此加熱爐預(yù)熱段爐頂、側(cè)墻以及加熱爐加熱一段、二段、均熱段側(cè)墻1.5m以上部分，安裝高效熱輻射體。

加熱爐爐頂部分，加熱一段按照45個/m2進(jìn)行布裝；加熱二段按照50個/m2進(jìn)行布裝；均熱段按照55個/m2進(jìn)行布裝。在燃燒器周邊50公分外進(jìn)行輻射體安裝，安裝以放射狀進(jìn)行分布。

加熱爐側(cè)墻，預(yù)熱段按照45個/m2、加熱一、二及均熱段按照50個/m進(jìn)行布裝。

2.4 輻射體的固定方式

強化均衡輻射輻射體重量：120g/個；

爐墻上設(shè)置安裝小孔Ф10×80mm，用特制耐高溫螺釘進(jìn)行安裝，確保多晶纖維保溫層及高效熱輻射體與爐襯連接牢固。

2.5 高效熱輻射元件優(yōu)化布局圖

側(cè)壁（爐墻）輻射體布置，如圖6所示，其布置數(shù)量可根據(jù)加熱爐實際狀況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整（圖示元件數(shù)量為兩面?zhèn)葔υ倲?shù)）。

圖6 側(cè)壁（爐墻）輻射體布置圖

頂部布置，如圖7所示，布置數(shù)量可根據(jù)加熱爐實際爐況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖7 頂部輻射體布置圖

3 加熱爐應(yīng)用性質(zhì)

3.1 科學(xué)性

根據(jù)傳熱學(xué)輻射傳熱原理，結(jié)合流體力學(xué)、材料科學(xué)開發(fā)的高效熱輻射體及科學(xué)合理的安裝布局，開創(chuàng)了加熱爐在高溫區(qū)域節(jié)能減排的先河。

3.2 實用性

項目設(shè)計充分滿足用戶的需求，實現(xiàn)功能上實用、穩(wěn)定、可靠。

3.3 先進(jìn)性

①首次將保溫與強化輻射節(jié)能技術(shù)在軋鋼加熱爐上完美的結(jié)合與應(yīng)用。②工程設(shè)計應(yīng)用強化均衡輻射傳熱節(jié)能技術(shù)生產(chǎn)的高效熱輻射體采用先進(jìn)工藝，科學(xué)合理的布局，從而保證了整體節(jié)能系統(tǒng)的先進(jìn)性。

3.4 安全性

工程設(shè)計采用成熟、可靠、優(yōu)質(zhì)的保溫材料和高效熱輻射體和設(shè)備，能夠適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境條件和外界干擾，確保項目的安全穩(wěn)定運行。本節(jié)能改造不改變爐窯結(jié)構(gòu)，而且高效熱輻射體不是熱源，所以施工安全性強。

3.5 可靠性

可靠性是本項目設(shè)計的基本準(zhǔn)則。項目設(shè)計滿足使用環(huán)境條件的要求，能長期穩(wěn)定可靠地運行；構(gòu)成項目改造的各項資源包括材料、器件、設(shè)備等均采用國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，具有極高的安全性、可靠性。

3.6 經(jīng)濟性

項目工程在實現(xiàn)先進(jìn)性的基礎(chǔ)上，同時做到安裝布局的優(yōu)化設(shè)計、合理配置、精心安排，使有限的資源發(fā)揮最大的效用，保證改造工程在投產(chǎn)后獲得最佳的節(jié)能效果，使項目整個運行生命周期獲得最佳的節(jié)能效益。