江 華

(北京京誠鳳凰工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司,北京 100176)

1 前 言

步進(jìn)梁式板坯加熱爐的水梁是鋼坯在爐內(nèi)運行的核心支撐設(shè)備,水梁的壽命直接決定了加熱爐的設(shè)備壽命。當(dāng)前,國內(nèi)的新建加熱爐基本已經(jīng)開始采用汽化冷卻方式實現(xiàn)水梁的冷卻[1]。水梁的材質(zhì)一般為20G或16Mn,汽化冷卻水汽混合物的溫度一般為～200 ℃,水梁管材的內(nèi)壁溫度一般按230 ℃設(shè)計[2]。為了保證在爐溫高達(dá)1 280～1 300 ℃時,水梁仍有足夠的支撐強度,除了汽化冷卻系統(tǒng)可靠運行外,水梁的絕熱包扎至關(guān)重要。當(dāng)前,國內(nèi)步進(jìn)梁式加熱爐水梁的包扎常用結(jié)構(gòu)是20 mm耐火纖維毯+60 mm水梁專用澆注料,澆注料采用不銹鋼錨固鉤進(jìn)行固定,如果爐內(nèi)坯料運行穩(wěn)定,一般都在2～3年開始局部脫落和開裂[3]。爐內(nèi)坯料運行不穩(wěn)定或施工不好的,壽命可能更短,有的投產(chǎn)不久就會出現(xiàn)水梁耐材的大面積脫落,水梁壽命大幅縮短且水梁熱損失及耗水量加大[4-5]。

另外,這種水梁澆注料結(jié)構(gòu)的絕熱技術(shù),由于受結(jié)構(gòu)的限制,無法采用更厚的絕熱方式,在爐溫較高時,只能通過汽化冷卻增加產(chǎn)汽量來保證水梁的溫度,這就直接導(dǎo)致爐膛熱損失的增加,能耗加大。一般水梁的熱損失能耗在5%～9%,但目前一些舊爐存在水梁熱損失超過供熱量的10%,有的甚至達(dá)到14%,這對于加熱爐正常生產(chǎn)造成很大影響[6-7]。如果能采取措施降低此處熱損失,對加熱爐節(jié)能降耗以及保證爐溫正常生產(chǎn)的貢獻(xiàn)將是非?？捎^的。

近年來,隨著納米隔熱材料技術(shù)的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)宏觀傳熱學(xué)理論受到?jīng)_擊,微觀納米尺度傳熱機理的研究,為新型絕熱材料和節(jié)能降耗技術(shù)開辟了新的途徑。由于物質(zhì)達(dá)到了納米尺度,納米材料從根本上改變了材料的結(jié)構(gòu),在性能上出現(xiàn)了宏觀物質(zhì)所不具備的新性能。眾多的實驗和理論一致表明,當(dāng)氣孔的直徑小于 50 nm 時,氣孔內(nèi)將不再有可以自由運動的空氣分子,而是被吸附在氣孔壁上,這樣的氣孔實際上相當(dāng)于真空狀態(tài)。由于所有的微孔都小于 50 nm,這樣就可以使耐火材料內(nèi)部有非常多的反射界面,當(dāng)氣孔尺寸變得更小時,這種界面的數(shù)量趨于無窮多,從而使輻射熱傳導(dǎo)的效率也趨于 0,因此,以理論上說存在著導(dǎo)熱系數(shù)趨近于 0 的超級絕熱材料,并且這種絕熱材料隨著溫度的上升其導(dǎo)熱系數(shù)并不增大。超級隔熱材料[8]的概念是1992年由美國學(xué)者A.J.Hunt在國際材料工程大會上提出的,其典型特征為熱導(dǎo)率低于同溫度下靜止空氣的熱導(dǎo)率。由于隔熱材料內(nèi)部固體骨架的體積分?jǐn)?shù)較低,球狀顆粒堆積具有弱接觸的特點,因此固體導(dǎo)熱對材料表觀熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)極低。典型孔隙尺寸僅為2～50 nm,顯著小于室溫下空氣分子的平均自由程70 nm,因此納米孔隙中的氣體分子發(fā)生碰撞傳遞能量受到極大限制,氣體導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)也被限定在一個相對較低的水平,同時通過添加輻射抑制劑等手段,可實現(xiàn)對輻射傳熱的抑制。由于納米隔熱材料對熱量傳遞的3種途徑均具有良好的抑制效果,因此,在常壓和低真空度條件下 表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能,如圖1所示。文獻(xiàn)報道,常溫常壓下納米隔熱材料熱導(dǎo)率最低值僅為0.013 W/(m·K),遠(yuǎn)低于靜止空氣。

目前歐美、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將此種材料應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)如鋼包、魚雷罐、熱風(fēng)管道等,主要目的在于減少各種高溫裝備熱損失、減薄隔熱層厚度、降低隔熱層蓄熱量以及改善操作環(huán)境[9]。本文在研究傳統(tǒng)步進(jìn)梁水梁隔熱包扎基礎(chǔ)上提出納米隔熱新型結(jié)構(gòu),開展相應(yīng)數(shù)值模擬分析及實驗測試,并成功推廣到板坯加熱爐工程應(yīng)用,實現(xiàn)較好的節(jié)能節(jié)水效果及經(jīng)濟效益。

2 仿真分析

為驗證水梁納米隔熱材料包扎技術(shù)方案的可行性,我們首先采用CFD仿真方法針對板坯爐步進(jìn)梁進(jìn)行內(nèi)部流動及傳熱模擬,只考慮水梁內(nèi)流動及包扎材料傳熱,忽略爐內(nèi)燃燒過程,給定水梁外部邊界溫度,水梁內(nèi)部給定汽水混合物流速及溫度,出口給定壓力出口。

對于爐內(nèi)水梁內(nèi)部三維湍流流動,可以把連續(xù)性方程、動量方程、能量方程等基本方程用一個通用控制方程來表示[10-11]:

(1)

式中:φ為通用變量,在質(zhì)量方程中φ=1,在動量方程中分別代表u、v、w,在k-ε湍流方程中代表k和ε,在能量方程中代表T;Γφ為廣義擴散系數(shù),Sφ為廣義源項,對于質(zhì)量方程,Γφ=0,Sφ=0。

水梁包扎材料導(dǎo)熱方程,可以用下式表示:

(2)

式中:T為熱力學(xué)溫度,K;t為時間,s;k為材料的導(dǎo)熱系數(shù),W / (m·K);ρ為材料密度,kg/m3;cP為材料比定壓熱容,J/(kg·K);q為內(nèi)熱源的熱流密度,W/m2。

仿真分析得到水梁熱流損失分布,圖2為水梁局部熱流分布圖,從圖2中可見錨固鉤與水梁焊接處熱流密度絕對值最大,雖然此處面積較小,但由于熱流密度大絕對值高,因此占水梁整體熱損失不可忽視。主要熱損失則是水梁包扎處,管壁20 mm+纖維20 mm+澆注料60 mm時計算得到管壁熱流-7 182 W/m2,管壁20 mm+納米板5 mm+纖維20 mm+澆注料60 mm計算得到管壁熱流-5 459 W/m2,由于其面積較大,因此占據(jù)水梁整體熱損失比例最高。通過仿真得到的單位面積熱流對比,采用納米包扎后,能夠節(jié)約汽化冷卻部分帶走的熱量約24%,具有較好的節(jié)能節(jié)水效果。

圖2 水梁熱流損失分布圖

圖3為仿真得到的金屬錨固鉤溫度分布,由圖3可見,在高溫加熱爐內(nèi),錨固鉤對耐火澆注料進(jìn)行固定,由于耐火澆注料作為工作層,雖然具有較高的耐火度,但其導(dǎo)熱系數(shù)較高,難以起到隔熱作用,故錨固鉤頂部溫度較高,接近1 000 ℃左右,而焊接到水梁管道上的錨固鉤根部溫度則較低,因此錨固鉤材料需要考慮長期耐高溫和抗氧化特性。為降低錨固鉤工作溫度,延長錨固鉤壽命并減少錨固鉤散熱損失,特考慮在傳統(tǒng)纖維+澆注料包扎基礎(chǔ)上,對錨固鉤另外包扎耐火纖維隔熱套,按照1 200 ℃爐溫,采用汽化冷卻,影響對比如表1所示。仿真計算結(jié)果如表2所示,表明錨固鉤在局部增加隔熱套后,能夠較大幅度降低錨固鉤最高溫度,減少錨固鉤熱短路散熱,同時延長錨固鉤及水梁包扎長期使用壽命。

表1 纖維隔熱套對錨固鉤溫度影響對比

表2 不同爐溫下仿真計算水梁各部位溫度分布 ℃

圖3 錨固鉤溫度分布圖

由于納米隔熱材料耐火度不如耐火澆注料或者高標(biāo)號耐火纖維,當(dāng)超過其長期使用溫度時收縮率會增加,帶來安全隱患,因此實際應(yīng)用需要計算納米隔熱層設(shè)計溫度,確保其不超過最高使用溫度。表2仿真計算結(jié)果表明:當(dāng)爐溫1 150～1 300 ℃時,納米材料熱面溫度不超過935 ℃,而納米材料的長期使用溫度1 000 ℃,這表明采用該方案納米材料能長期安全使用。

3 試驗研究

通過數(shù)值分析表明納米隔熱水梁具有較好的節(jié)能節(jié)水特性,但在工程實際應(yīng)用中推廣仍然需要實驗數(shù)據(jù)以為設(shè)計提供參考,為對比常規(guī)水梁與新型納米隔熱水梁水冷散熱實際差異,在燃?xì)鈱嶒灎t內(nèi)進(jìn)行散熱實驗研究。水梁水冷試驗系統(tǒng)包括水箱、水泵、調(diào)節(jié)蝶閥、渦輪流量計、實驗水梁、溫度計等設(shè)備。實驗用水來自車間市政自來水管道用水,最后排放到車間排水井,水冷管道系統(tǒng)見圖4。圖5為澆筑完畢的實驗水梁,為防止水梁澆注料中水分因升溫過快而爆裂,特設(shè)定了烘烤曲線,待烘烤完畢后再進(jìn)入試驗流程。根據(jù)烘烤和實驗溫度曲線,爐膛溫度逐漸升到1 200 ℃,在特定的溫度設(shè)定點保持爐溫約1 h,以保證熱流穩(wěn)定,然后對爐溫、空煤氣流量、冷卻水流量、進(jìn)出水溫度進(jìn)行記錄。

圖4 水梁散熱試驗系統(tǒng)圖

圖5 澆筑完成的實驗水梁

表3為常規(guī)包扎水梁試驗測試數(shù)據(jù)記錄表,為防止長期試驗水垢對試驗結(jié)果的影響,通過調(diào)節(jié)水流量來控制最高出水溫度不超過40 ℃。隨著爐溫的上升,可見常規(guī)水梁包扎方案下,水梁散熱量快速增加,高溫約1 200 ℃時的散熱量是低溫約500 ℃時散熱量的3倍左右。

表3 常規(guī)包扎水梁試驗測試數(shù)據(jù)記錄

表4為納米水梁包扎方案試驗數(shù)據(jù)記錄表,可見新型納米隔熱水梁包扎測試得到的水梁散熱量隨著爐溫升高緩慢上升,高溫約1 200 ℃時的散熱量是低溫約500 ℃時散熱量的2倍左右,這表明在1 200 ℃左右的高溫軋鋼加熱爐內(nèi),納米隔熱材料對于水梁散熱有較好的節(jié)能節(jié)水效果,同時有利于爐溫的穩(wěn)定。

表4 納米包扎水梁試驗測試數(shù)據(jù)記錄

圖6為常規(guī)水梁包扎與納米水梁包扎水冷散熱熱流隨爐溫的變化趨勢對比,通過實驗數(shù)據(jù)擬合回歸曲線,式(3)、式(4)分別為普通纖維材料、納米材料熱流值隨爐溫變化的回歸公式。

圖6 納米材料與普通纖維材料熱流值隨爐溫變化趨勢對比圖

(3)

(4)

從兩種方案熱流回歸曲線對比分析,在爐溫較低時,常規(guī)纖維隔熱材料和納米隔熱材料由于在低溫下導(dǎo)熱系數(shù)差別不大,因而均能起到較好的隔熱效果。而隨著爐溫逐步升高,纖維隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)快速增加,由此常規(guī)纖維隔熱水梁散熱快速增加,而納米隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加較小,故此納米隔熱水梁的散熱增加較為緩慢。故此兩種方案散熱量的差距隨著爐溫升高越來越大,特別是在爐溫超過1 000 ℃后。

如圖7所示納米隔熱水梁節(jié)能效果良好,且納米材料在高溫段節(jié)能效果更為明顯,爐溫達(dá)到1 050 ℃以后,水梁單管節(jié)能比例達(dá)到了30%,隨著爐溫的繼續(xù)升高,納米包扎水梁相對常規(guī)包扎水梁的節(jié)能比例還在升高。故此,可以認(rèn)為納米材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的穩(wěn)定性是其在高溫下節(jié)能效果較好的根本因素,而常規(guī)纖維材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而快速上升則是其在高溫下隔熱效果相對納米材料而言較差的原因。

圖7 納米材料節(jié)能比例隨爐溫變化趨勢圖

4 工程應(yīng)用及經(jīng)濟性

4.1 工程應(yīng)用節(jié)能效果

本文所述新型納米水梁包扎結(jié)構(gòu)目前已成功應(yīng)用于某工程,以下分析中涉及的計算初始值均來自該工程相關(guān)數(shù)據(jù)(見表5)。該工程實際投產(chǎn)后,單位面積汽化冷卻產(chǎn)汽量明顯降低,與設(shè)計值基本一致,約為常規(guī)設(shè)計值的3/4,即節(jié)約了25%的產(chǎn)汽量。按照汽化冷卻占總能耗7%～9%統(tǒng)計,則僅僅采用此納米絕熱結(jié)構(gòu)就節(jié)省了能耗約7 kcal/kg單耗,效果還是非?？捎^的。同時,水梁熱損失的降低,也可大大降低汽化冷卻設(shè)備的配置,循環(huán)泵的功率、汽包的容量、旋轉(zhuǎn)接頭的數(shù)量均有減少。

表5 工程應(yīng)用對比

4.2 經(jīng)濟性分析

納米隔熱材料由于價格相對傳統(tǒng)耐火纖維材料更加昂貴,因此雖然其節(jié)能效果較好,但規(guī)?；茝V應(yīng)用還需考慮投資成本,下面以柳鋼五棒加熱爐工程為例,簡要分析納米隔熱材料應(yīng)用的經(jīng)濟效益及回收周期,以為相關(guān)工程應(yīng)用提供計算依據(jù)(見表6)。

表6 經(jīng)濟效益分析

若僅考慮節(jié)能效益,則項目投資回收期4.6個月,若考慮蒸汽量減少后,汽化冷卻設(shè)備減型的節(jié)約成本,則僅需1.5個月的時間就可以收回全部投資,因此納米隔熱材料在水梁包扎上的應(yīng)用投資見效快,回收期短,長期累計效益可觀。可以預(yù)見,隨著我國雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的確定,納米隔熱材料在鋼鐵行業(yè)高溫場合的應(yīng)用會越來越普及。

5 結(jié) 論

本文針對新型納米絕熱保溫材料在高溫板坯加熱爐的應(yīng)用,開展了傳統(tǒng)水梁包扎方式與新型納米隔熱包扎方式的對比研究,通過數(shù)值仿真分析對不同方案隔熱效果及溫度分布進(jìn)行了預(yù)測,并搭建水冷實驗系統(tǒng)對采用不同包扎方式的水梁的冷卻水量和進(jìn)出水溫度進(jìn)行測試分析,在此基礎(chǔ)上開展了工程應(yīng)用,應(yīng)用效果與數(shù)值仿真及實驗研究數(shù)據(jù)吻合良好。綜合比較常規(guī)絕熱方式和納米材料絕熱方式的絕熱效果,得出如下研究結(jié)論:

(1)步進(jìn)梁式板坯加熱爐水梁散熱損失受水梁包扎結(jié)構(gòu)、耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)、金屬錨固鉤等影響較大,從減少水梁散熱損失及節(jié)約水資源角度考慮,需要綜合采用合理包扎結(jié)構(gòu)、低導(dǎo)熱率耐火材料以及減少金屬錨固鉤的熱短路效應(yīng)以獲得較好隔熱效果;

(2)數(shù)值仿真及試驗研究結(jié)果表明,采用納米隔熱材料的新型水梁包扎結(jié)構(gòu)相對傳統(tǒng)水梁包扎結(jié)構(gòu)具有較好的節(jié)能節(jié)水效果,特別是在較高爐溫下,傳統(tǒng)包扎結(jié)構(gòu)隨爐溫升高散熱快速上升,而新型納米隔熱水梁隨爐溫升高散熱增加較少。因此在板坯加熱爐加熱段、均熱段等高溫區(qū)域可采用新型納米隔熱水梁,而在煙氣預(yù)熱段等低溫區(qū)域仍可沿用傳統(tǒng)水梁包扎方式;

(3)工程應(yīng)用對比結(jié)果表明,納米隔熱水梁相對傳統(tǒng)水梁包扎方案可實現(xiàn)水梁區(qū)域能耗降低約25%,只考慮能耗降低投資回收期約4.6個月,若考慮汽化冷卻設(shè)備選型的小型化則回收期約1.5個月,具有較好的經(jīng)濟和生態(tài)效益。