武 斌，姜希偉，秦鳳華

（中冶南方（武漢）熱工有限公司，湖北 武漢 430223）

無氧化段（NOF）一般用于硅鋼常化退火、中間退火以及再結(jié)晶脫碳退火爐中，其主要目的是對帶鋼快速加熱，實(shí)現(xiàn)退火溫度曲線的要求。

無氧化爐（NOF）一般采用明火燒嘴，對帶鋼直接加熱，主要通過控制爐溫和空氣過剩系數(shù)，使?fàn)t內(nèi)呈現(xiàn)還原性氣氛。同時(shí)，由于采用明火直接加熱，其相對于輻射管加熱有更高的加熱效率，一般能達(dá)到55%。此外，無氧化爐（NOF）還具有投資與運(yùn)營成本低、作業(yè)率高、表面質(zhì)量及板型良好、NOx排放相對輻射管間接加熱要少等優(yōu)勢。為此，無氧化爐（NOF）在硅鋼熱處理領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

但長期以來，無氧化爐（NOF）的設(shè)計(jì)過多地依賴于工程類比，相對缺乏理論計(jì)算，致使無氧化爐（NOF）在實(shí)際設(shè)計(jì)選型時(shí)，加熱能力或不足，或遠(yuǎn)高于工程所需，前者不能達(dá)成技術(shù)指標(biāo)，后者則帶來項(xiàng)目投資成本增加，尤其是能源浪費(fèi)，不經(jīng)濟(jì)、不環(huán)保，不符合國家節(jié)能減排政策要求。

本文重點(diǎn)闡述無氧化爐（NOF）加熱能力的計(jì)算，旨在為今后無氧化爐（NOF）設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)化作參考。

1 無氧化爐（NOF）工藝組成

一般由爐本體、燒嘴及其控制系統(tǒng)、助燃風(fēng)系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、排煙系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)等組成。

帶鋼從爐外進(jìn)入預(yù)熱段（PH），由無氧化爐（NOF）段生成煙氣的物理熱及無氧化爐（NOF）未燃盡氣體進(jìn)行預(yù)熱；再經(jīng)無氧化段被快速加熱到工藝溫度。期間帶鋼傳送由傳動(dòng)系統(tǒng)傳送，爐膛燒嘴由助燃風(fēng)系統(tǒng)和燃?xì)庀到y(tǒng)供氣并燃燒，燃燒生成的高溫?zé)煔饨?jīng)熱交換器后降溫，最終由排廢風(fēng)機(jī)排出至煙囪，如圖1所示。

圖1 無氧化爐（NOF）組成系統(tǒng)示意圖

2 加熱能力計(jì)算

2.1 確定爐溫

無氧化爐（NOF）中由存在水分造成的氧化氣氛和爐溫存在著密切的關(guān)系（見圖2）[1]，即爐溫提高時(shí)可使?fàn)t內(nèi)的氧化氣氛明顯減弱。

圖2 無氧化爐（NOF）燃燒氣氛平衡曲線圖

無氧化爐（NOF）為避免硅鋼氧化，在板溫250℃以后要盡可能控制氣氛為還原性氣氛。為此，一般調(diào)節(jié)空氣過剩系數(shù)λ<1，此時(shí)燃燒廢氣中主要成分有CO2、H2O、CO、H2、CH4、N2等。盡管成分大多是還原性氣體，但廢氣中的水分含量往往是高的，其露點(diǎn)一般要達(dá)+20℃以上。按燃?xì)馊紵?jì)算，在λ=1時(shí)，天然氣燃燒生成廢氣中水分為18.2%，焦?fàn)t煤氣燃燒生成廢氣中的水分為24%，所以帶鋼在這種氣氛中加熱，實(shí)際上也發(fā)生輕微的氧化。

只有把空氣過剩系數(shù)λ控制在0.5以內(nèi)，才能獲得真正的還原氣氛，見表1。

表1 每100 m3焦?fàn)t煤氣（λ=0.5）燃燒后氣氛組成

但將λ控制在0.5以內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致燃燒困難且太費(fèi)燃料。實(shí)際上，考慮無氧化爐（NOF）盡可能為還原氣氛時(shí)，同時(shí)要兼顧節(jié)約燃料、設(shè)備壽命等因素。一般控制λ=0.90~0.95，無氧化爐（NOF）的爐溫一般在1 200～1 250℃。此時(shí)，無氧化爐（NOF）是微氧化氣氛，帶鋼在此氣氛中加熱生成極薄的氧化膜，完全可以在其后的還原性氣氛的爐段中被充分還原，這種做法對機(jī)組的高產(chǎn)、低耗有利。

2.2 確定爐斷面尺寸

考慮機(jī)組的跑偏和調(diào)試，一般爐凈空寬度較帶鋼最大寬度大400～500 mm。

當(dāng)爐溫高于700℃時(shí)，爐內(nèi)傳熱主要通過輻射方式。所以，對于爐凈高除考慮必要的維護(hù)操作空間外，主要是考慮輻射空間對系統(tǒng)輻射系統(tǒng)的影響，也就是說增加爐內(nèi)壁面積與帶鋼面積的比值，系統(tǒng)輻射系數(shù)（爐氣經(jīng)過爐襯的影響后傳輸給帶鋼的熱量系數(shù)，與爐襯和帶鋼的黑度及角系數(shù)有關(guān)）就會(huì)增加，尤其是在爐氣發(fā)射率較小時(shí)（<0.4）效果更為明顯。但是不適當(dāng)?shù)卦龃鬆t內(nèi)壁面積會(huì)帶來另一方面的問題，即由于爐膛高度的增加使?fàn)t氣上浮，造成高溫氣體脫離帶鋼表面，同時(shí)由于爐容積的增加使燃燒溫度下降，散熱損失的增加。

綜上，一般無氧化爐（NOF）的爐膛凈高相對于其他爐段要高，目的是在高爐溫下，充分提高系統(tǒng)輻射系數(shù)，爐凈寬一般在帶鋼最大寬度基礎(chǔ)上再增加400~500 mm，爐凈高一般在1 400~1 800 mm之間，此時(shí)爐氣發(fā)射率為0.3。

2.3 計(jì)算爐長

無氧化爐（NOF）設(shè)計(jì)選型的核心是爐長的確定，只有確定了爐長，才能按照所要求的爐溫及加熱能力確定燒嘴的數(shù)量和分布。

2.3.1 模型抽象

假設(shè)整個(gè)爐膛內(nèi)充滿溫度和壓力均勻的燃燒煙氣，假設(shè)煙氣為灰體，不考慮氣體的散射：煙氣吸收率和煙氣透射率之和為1。

將爐襯和帶鋼表面看成是兩灰體表面組成的封閉系統(tǒng)，各自的溫度均勻一致。

爐膛熱交換的結(jié)果總是帶鋼F2表面獲得熱量，是由爐墻F1表面對帶鋼F2表面的換熱和爐氣（Tg、εg）對帶鋼F2表面換熱兩部分組成，如圖3所示。

圖3 無氧化爐（NOF）內(nèi)輻射換熱簡化模型圖

2.3.2 輻射網(wǎng)路計(jì)算

一般爐襯面F1為輻射絕熱面，其有效輻射等于自身輻射，此時(shí)，簡化的網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 當(dāng)F1為輻射絕熱面的輻射網(wǎng)絡(luò)示意圖

最終形成的計(jì)算方程如下：

式中：J1、J2—爐襯和帶鋼的有效輻射，W/m2

Eb1、Eb2、Ebg—爐襯、帶鋼、爐氣溫度下的黑體輻射力，W/m2

F1、F2—爐襯和帶鋼的有效輻射面積，m2

Φ1，2—爐襯對帶鋼的輻射角系數(shù)

ε1、ε2、εg—爐襯、帶鋼、爐氣的黑度

Ag—煙氣的吸收率，在輻射換熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，Ag=εg

因帶鋼表面F2為非自見面，則Φ2，2=0，Φ1，2=F2/F1=1/ω；得到爐氣與帶鋼之間的導(dǎo)來輻射系數(shù)（W/（m2·K4））：

式中，Co—斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，取5.67×10-8W/（m2·K4）。

帶鋼從爐氣得到的凈輻射熱量（W）：

式中，Tg、T2分別是爐氣、帶鋼的平均絕對溫度，K。

根據(jù)上述方程迭代計(jì)算，最終確定帶鋼的凈輻射換熱量q2。按照溫升需求Δt（℃）和單位時(shí)間過鋼質(zhì)量m（kg/s）以及帶鋼的比熱Cp（kJ/（kg·℃）），確定加熱時(shí)間：

加熱所需的爐長為帶鋼速度與加熱時(shí)間的乘積。

2.3.3 計(jì)算案例

以某工程為例，應(yīng)用上述方程進(jìn)行計(jì)算：

由爐子本體、空煤氣燃燒系統(tǒng)、排煙管道系統(tǒng)等組成。爐子本體為碳鋼氣密焊的箱體結(jié)構(gòu)，由爐殼和耐火材料組成?？彰簹庀到y(tǒng)包括助燃風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火風(fēng)機(jī)、空煤氣管道、燒嘴、閥門以及檢測元件等，以保證燒嘴穩(wěn)定燃燒。排煙系統(tǒng)包括煙道、擋板（煙道隔離擋板、換熱器保護(hù)擋板、排煙風(fēng)機(jī)保護(hù)擋板）、換熱器、排煙風(fēng)機(jī)、煙囪等，排煙系統(tǒng)將無氧化爐（NOF）燃燒廢氣和爐內(nèi)回流的煙氣經(jīng)PH和換熱器排往煙囪。另外，為進(jìn)一步保護(hù)換熱器，在換熱器前還設(shè)置了摻冷風(fēng)機(jī)。煙囪為碳鋼焊接結(jié)構(gòu)，換熱器前煙道為碳鋼焊接結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯耐火材料，換熱器后煙道為碳鋼管，外包隔熱材料。燒嘴安裝在爐子的側(cè)墻上，在帶鋼上下交錯(cuò)布置。

爐體尺寸：爐膛凈寬1 704 mm；爐膛凈空高上部755 mm，下部673 mm；爐長23 500 mm。帶鋼的典型規(guī)格是0.5 mm×1 280 mm×150 m/min，爐氣溫度1 200℃。帶鋼黑度選用0.25，爐氣的黑度經(jīng)計(jì)算，選用0.3。

輸入?yún)?shù)見表2。

表2 輸入?yún)?shù)

輸出參數(shù)見表3。

表3 輸出參數(shù)

此工程項(xiàng)目無氧化爐（NOF）實(shí)際爐長為23.5 m，理論結(jié)果與實(shí)際很好地相符。同時(shí)，值得注意的是：帶鋼的黑度取值對計(jì)算結(jié)果影響較大。

有設(shè)計(jì)手冊中明確帶鋼溫度在28~927℃時(shí)，酸洗過的熱軋帶鋼為0.45~0.49；表面光亮的冷軋帶鋼為0.23~0.31；對光亮帶鋼提供的黑度在200℃/400℃/600℃/800℃/1 000℃/1 100℃對應(yīng)的黑度依次是0.25/0.31/0.37/0.42/0.48/0.51。

另外，也有文獻(xiàn)將帶鋼當(dāng)作一般的商業(yè)鋼卷表面口，或參考標(biāo)準(zhǔn)的潔凈不銹鋼，當(dāng)溫度為300~1 000 K時(shí)，黑度ε2為0.22~0.35。用數(shù)據(jù)模擬得到計(jì)算公式：

ε2=0.000 535 7T4-0.001 292T3+0.013 96T2-0.059 33T+0.302 9

此外利用該方程進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)有些工程項(xiàng)目無氧化爐（NOF）富余量太大，按配置能力可將帶鋼加熱至750℃，但實(shí)際工藝所需僅是550℃，造成了配置能力的超富余。

2.4 加熱能力配置

在確定了爐長后，就可以按照能量平衡，計(jì)算無氧化爐（NOF）加熱能力，最終確定燒嘴功率分布。能量平衡見表4。

表4 無氧化爐（NOF）熱平衡

能量平衡方程：熱量輸入項(xiàng)之和=熱量輸出項(xiàng)之和

假設(shè)燃?xì)獾氖褂昧繛镚（m3/h），那么則有：

式中：Q低—燃?xì)獾牡桶l(fā)熱值，kJ/m3

Ln—燃燒空氣系數(shù)

C空、C環(huán)—燃燒空氣在工況溫度和環(huán)境溫度下的比熱，kJ/（m3·℃）

t空、t環(huán)—燃燒空氣的工況溫度和環(huán)境溫度，℃

P—單位時(shí)間的帶鋼產(chǎn)量，kg/h

h出、h進(jìn)—帶鋼在進(jìn)出口處溫度下的熱焓，kJ/kg

Vn—燃燒生成煙氣系數(shù)

C″g、C′g—煙氣在燃燒溫度下和環(huán)境溫度下的比熱，kJ/（m3·℃）

tg—煙氣溫度，℃

Q水—水冷輥冷卻水帶走的熱量，kJ/h（已知量）

Q散—爐本體和管道向外界環(huán)境的散熱量，kJ/h（已知量）

無氧化爐（NOF）的爐溫一般是1 200~1 250℃，按工藝所需將帶鋼從150~200℃快速加熱至650℃。一般選用精脫硫焦?fàn)t煤氣或天然氣，應(yīng)用高速隧道燒嘴明火加熱，燒嘴的功率一般是300~450 kW。

傳輸帶鋼的爐輥選用水冷輥，水冷輥相互間距一般是2 000~2 300 mm，每支水冷輥的流量為5~7 m3/h，采用有壓回水，進(jìn)水與回水壓力的壓差一般在在0.2 MPa，進(jìn)水溫度35℃，回水溫度45℃。

爐體的表面溫度一般在80℃以下，管道經(jīng)隔熱后表面溫度一般在60℃以下。利用大空間下自然對流換熱和輻射換熱公式計(jì)算爐殼外壁和管道外表面的對外散熱量。

求解得到燃?xì)庥昧縂=2 116 m3/h，考慮到燃?xì)鉄嶂档炔▌?dòng)，取10%的富余量，確定燃?xì)饬髁繛? 328 m3/h。再結(jié)合單個(gè)燒嘴額定的煤氣流量（66 m3/h），且考慮燒嘴的負(fù)荷為90%，最終確定燒嘴的個(gè)數(shù)為38.8個(gè)≈39個(gè)，工程實(shí)際使用了40個(gè)燒嘴，符合良好。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)易忽視的問題

以上闡述了NOF計(jì)算的過程，但設(shè)計(jì)選型后，無氧化爐最終的排煙溫度超高是經(jīng)常出現(xiàn)的問題。

無氧化爐產(chǎn)生的廢氣溫度高達(dá)1 200℃，一般在無氧化爐前設(shè)置預(yù)熱段，實(shí)現(xiàn)對帶鋼從常溫預(yù)熱至200℃（200℃以下一般認(rèn)為帶鋼不被氧化），為將無氧化爐不完全燃燒產(chǎn)生的可燃?xì)夥粘浞秩紵M，需要在預(yù)熱段設(shè)置補(bǔ)燃空氣。

一般來說，廢氣經(jīng)預(yù)熱段后，溫度仍高達(dá)950℃，經(jīng)煙氣/空氣換熱器后由排煙風(fēng)機(jī)排出。

在設(shè)備能力計(jì)算中，容易：（1）漏掉其他爐段返回?zé)o氧化爐的可燃?xì)夥蘸蛯?yīng)生成的煙氣量；（2）過分高估煙氣管道沿程的溫降和換熱器前摻冷風(fēng)能力。致使煙氣溫度至排煙風(fēng)機(jī)時(shí)，溫度仍高達(dá)450℃，對風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行乃至整個(gè)機(jī)組的安全生產(chǎn)造成不利的影響。

3.1 案例情況

如國內(nèi)某一機(jī)組的無氧化爐：正常生產(chǎn)工況下，無氧化爐（NOF）正常燃燒所用的空氣是23 800 m3/h（另換熱器處放散有600 m3/h），天然氣流量是2 430 m3/h；返流的N2流量是1 510 m3/h；經(jīng)預(yù)熱段后廢氣溫度是980℃。此時(shí)，換熱器前摻冷風(fēng)處和排煙風(fēng)機(jī)前摻冷風(fēng)處的閥門開度全開至100%，排煙風(fēng)機(jī)前的溫度高達(dá)440℃，且排煙風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)非常大。

因煙氣管道上沒有測量元件，故只能通過上述已知條件，間接計(jì)算所得在換熱器前的煙氣流量是40 000 m3/h。按已知換熱器前后的參數(shù)，得到理論上煙氣出口溫度為545℃，煙氣在排煙風(fēng)機(jī)前再次摻冷風(fēng)，降溫至423℃最終排出，此時(shí)，摻冷風(fēng)后形成的混合煙氣的流量為52 000 m3/h。

3.2 初步分析

3.2.1 換熱器前煙氣量相對于助燃風(fēng)量較大

因換熱器前進(jìn)行摻冷風(fēng)，摻冷風(fēng)量較大，使得混合后煙氣量達(dá)40 000 m3/h，溫度是770℃，而所要預(yù)熱的助燃風(fēng)量僅是24 000 m3/h，且后者僅被預(yù)熱至440℃，兩者的能量不對等，致使煙氣與助燃風(fēng)換熱后仍有540℃。

3.2.2 煙氣管道沒有余熱回收系統(tǒng)

因換熱器后的煙氣溫度可達(dá)540℃，且流量達(dá)40 000 m3/h，這部分熱量至少可產(chǎn)生4.5 t/h的飽和蒸汽（170℃）。增設(shè)余熱回收系統(tǒng)后，煙氣的溫度可降至200℃，無需摻冷風(fēng)降溫。

3.2.3 排煙風(fēng)機(jī)前摻冷風(fēng)量較大

風(fēng)機(jī)摻冷風(fēng)量高達(dá)12 000 m3/h，增加了風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，出現(xiàn)風(fēng)機(jī)流量遠(yuǎn)大于額定流量，風(fēng)機(jī)效率下降，電機(jī)輸出總功率上升，風(fēng)機(jī)出現(xiàn)了振動(dòng)等現(xiàn)象。

4 結(jié)語

綜上，本文闡述了確定無氧化爐（NOF）加熱能力詳細(xì)過程，涵蓋爐溫、爐斷面尺寸、爐長、熱平衡結(jié)算、加熱能力計(jì)算等，為今后無氧化爐（NOF）在硅鋼熱處理應(yīng)用時(shí)的設(shè)計(jì)提供了借鑒，同時(shí)也為今后明火直接加熱的工業(yè)爐設(shè)計(jì)提供了參考。