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1、目录1. 文献综述31.1概要31.2国内外发展趋势41.3步进梁式加热炉步进的原理661.4步进式加热炉工艺介绍781.5现代步进梁式加热炉特点8101.6加热炉的节能途径111.6.1汽化冷却111.6.2余热回收利用121.6.3改进工业炉的炉体结构10141.6.4改进步进式加热炉的控制11161.7天然气的特性171.7.1天然气加热炉的优势171.7.2天然气特征和性质181.7.3天然气的燃烧特性181.7.4天然气加热炉应用实例191.8本章总结192 设计方案202.1 设计原始数据202.2 设计方案212.2.1 炉型的选择212.2.2 装出料方式212.2.3 供热方
2、式212.2.4 烧嘴的布置与选型212.2.5排烟方式222.2.6 换热器结构222.2.7炉子主要部位砌筑材料和厚度222.2.8 步进机械232.2.9 炉体的钢结构232.2.10水梁绝热232.2.11热风管道的绝热包扎233热工计算253.1 原始技术数据253.1.1 天然气干成分253.1.2 空气预热温度 t空=4502532 热工计算253.2.1 燃料燃烧计算253.2.2 炉膛热交换计算273.2.3 炉长及加热时间的确定303.2.4 炉膛热平衡与燃料消耗计算333.2.5 天然气烧嘴的选用423.2.6 空气换热器设计计算433.2.7 空气管路阻力损失计算及鼓风
3、机选择503.2.8 天然气管路阻力损失计算553.2.9 烟道阻力损失及烟囱计算55结论60致谢61参考资料62翻译及原文63汉语翻译63步进式加热炉前置控制63英语原文691. 文献综述1.1概要加热炉是工业窑的一大类别，是指被加热的物料在炉内基本不发生物态变化和化学反应的炉子。对于冶金行业来说，加热炉是指金属压力加工前的加热和金属制品及半成品的热处理等用炉。加热炉是一个复杂的热工设备，它由以下几个基本部分构成：炉膛、燃料系统、供风系统、排烟系统、冷却系统、余热利用系统、装出料设备、检测及调节装置、电子计算机控制系统等。1 广义的连续式加热炉包括所有的连续运料的加热炉，如推钢式炉、步进式炉
4、、输送带式炉（链式炉）、辊底式炉、分室式快速加热炉、转底式（环行）炉等。但一般习惯上通常称呼的连续式加热炉，则多指由推钢机运料的推钢式连续加热炉以及后来发展的由步进梁或步进底运料的步进式连续加热炉。步进式炉大体可以分为两类：一类是单面加热的步进炉，称“步进底式炉”（WH炉）；另一类是由水冷的步进梁和固定梁组成的双面加热步进式炉，称“步进梁式炉”（WH炉）。前者主要用来加热质量要求高的特殊钢、普通钢的中小型坯以及不便于推钢的料坯，后者主要用于小时产量大的大板坯和方坯的加热。加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设备。它在轧钢生产中占有十分重要的地位，它的生产任务是按轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要
5、求的温度水平和加热质量，并且在优质高产的前提下，尽可能地降低燃料的消耗，减少氧化烧损2。为满足加热炉高产、优质、低消耗和少污染的要求，“三高一低”理论应运而生：高炉温:就是提高炉子的温度水平,这可以用增加供热负荷来实现。如果不能奏效时,可以从提高燃料的发热值,提高助燃剂的含氧量和提高助燃剂和燃料的预热温度着手,从而提高燃烧温度和炉温,增加传给被加热物的热量,由此可以提高炉子的产量,并为高温慢加热创造条件。高烟温:就是提高烟气的出炉温度,这也可以用增加供热负荷来实现。特别是对连续式加热炉,可以在预热段内多布置供热点来加强供热,甚至在预热段内都供热,取消整个预热段,实施低温快加热的原则。由此提高整
6、个炉子的温度水平,保证提高炉子的产量。高余热回收:就是充分利用烟气的余热来预热助燃用空气和煤气时,提高燃烧用空气和煤气的预热温度,进一步降低烟气的排放温度,将烟气余热的热量返回至炉内,从而提高余热回收率,又提高炉子的热效率,节约燃料消耗。低炉子惰性:就是要降低炉衬的蓄热量,使炉子升温快降温也快,保证炉子在高炉温情况下的加热质量和适应工况变化的能力,有助于生产过程的自动化和计算机控制,保证提高加热质量。并且还可以降低炉衬的蓄热和散热热损失,进一步提高炉子的热效率和降低燃料消耗,使炉子具有更高的科技水平。“三高一低”加热理论突破了传统加热工艺的局限性, 它必将为提高我国加热炉生产水平发挥更大作用。
7、1.2国内外发展趋势当今世界能源危机在不断加剧。从1973年世界上生第一次石油危机以来，促使人类向开发新能源和节方面展开了大量研究。冶金行业的能耗约占整个行业能耗的10%，而轧钢生产能耗约占钢铁联合企业生产总耗的十分之一,其中75%80%消耗于各种加热炉.3合理的炉型结构，对加热炉的产量、质量和能量消耗都具有积极的影响。随着轧机设备的大型化和自动化，加热炉的发展是很快的。现代炉子的特点是优质、高产、低耗、长寿和操作简便。最近几年来，用于冶金轧钢的加热炉工艺上不断得到改进，绝大多数的加热炉都是应用平顶式三段连续加热炉，如图1.1所示。随着国际钢铁需求量的增加，轧机向着高效率和大能力方向发展，相应
8、地要求板坯加热炉提高其炉床负荷，在有限的空间增加加热能力。因此，连续式加热炉由一段式向多段式发展，进而出现了步进式。这也是最近应用最为广泛的加热炉，它与以前经常使用的推送式加热炉相比有如下一些优点：（1）用以加热各种形状的钢坯，并且特别适合加热推送式连续加热炉不便加热的大型板坯和异型板坯；（2）生产能力大，炉底强度可以达到8001000kg/(m2h)，与推送式连续加热炉相比，加热等量的钢坯，步进式加热炉的炉长可以缩短1015%；（3）炉子长度不受推钢比的限制，不会产生拱料、粘连等现象；（4）炉子的灵活性很大，在加热炉炉长不变的情况下，通过改变钢坯之间的距离就可以调整炉内钢坯的数量，因而可以适
9、应不同产量的要求，同时由于步进周期是可调的，故可以根据不同钢坯的不同加热要求，调整钢坯在炉内的加热时间，因而步进式加热炉的适应性很强，可以适应不同产量和不同加热速度的要求；（5）当轧机出现故障而停车时，步进式加热炉可以保持踏步或者将钢坯从炉内退出，以免钢坯长期在炉内造成氧化烧损和脱碳；（6）由于步进速度可以调整并可测量，因此可以准确计算和控制钢坯的加热时间，便于实现钢坯加热过程的自动化控制。此外，步进式炉不需要像辊底式炉、链式炉和分室快速加热炉那样须解决辊子或链子的材质问题，可节约昂贵的耐热钢，这对某些钢材的热处理是合适的。因此，尽管步进式加热炉步进机构比较复杂、一次性投资高，但是自1968年
10、步进式加热炉在日本问世、投入使用以来，步进式加热炉得到了飞速的发展。尤其是近十多年，随着轧钢技术向着大型化、连续化、自动化、多品种和高精度的方向发展，步进式加热炉为适应工艺的要求，也朝着大型化、多功能、优质、高产、低消耗、无公害和操作自动化的方向迈进，由步进式加热炉代替推钢式加热炉已是大势所趋。据不完全统计，到90年代中期，世界上有大型步进梁式加热炉约300座，其中日本中外炉(CHUGAI ROCO.LTD.)和法国斯太因霍特(STEINHEURTEY)炉子公司分别设计制造了百余座大型步进梁式加热炉，意大利皮昂特(ITALIMPIANTI)工程公司设计制造了50余座，日本新日铁(NIPPON
11、Steel CORP.)设计制造30余座。4当前，日本“中外炉”公司及法国“斯太因”公司，这两家炉子公司所设计的步进梁式炉均属世界第一流的。这两家炉子公司，技术成熟，先进可靠，经验丰富。无论是炉型结构、设备的装备水平、控制水平，还是产品的加热质量和能耗指标，均属世界上最先进的水平。1990年国外报道的由意大利IT公司为加拿大道菲斯克公司设计的二座步进梁式炉，加热冷坯时产量为400th，加热热装坯时产量为550t/h，该炉内长47396mm、炉内宽12000mm，装有快速装出料机，能使每座炉子产量达1000t/h，步进周期为30s，该炉采用了很多先进技术，如热滑道水管汽化冷却、分离的二段式步进梁
12、、二级计算机控制、高效换热器、火焰长度可调烧嘴、换热器后安装余热锅炉， 炉子热效率为70.6%，考虑余热锅炉后炉子系统热效率可达75.5%，炉子单耗为327 4.18kJ/Kg钢。笔者认为，该炉是目前世界上装备水平最高， 最先进的步进炉，如图1.2。5图1.2 400t/h步进梁式加热炉炉型曲线我国步进式加热炉起步相对较晚。随着改革开放政策的实施，70年代，我国武钢从日本引进的3座1700mm热轧带钢步进梁式加热炉于1978年投产，引起国内钢铁企业及机械制造行业的高度重视，在新厂及老厂技术改造中广为应用。80年代宝钢2050热轧带钢厂从“斯太因”公司引进了3座现代化的步进炉于1989年投产。我
13、国1984年有24个企业建有步进式加热炉40座，到1995年5月全国已有63个企业建有91座步进式加热炉，其中底式炉53座，梁式炉32座，梁底组合式炉6座，比1984年增加一倍多。原来步进式加热炉只是中小产量，现在小时的产量已达100300t/h。而且从过去单一的步进式加热炉发展到包括步进底式、步进梁式、梁底组合式和分段步进梁等多种形式，基本能够满足薄板、中板、厚板、热连轧、线材、棒材、中小型材、钢管等的生产要求。我国步进式加热炉的发展过程，可分三个阶段。第一阶段：整套引进武钢“一米七”工程中整套引进三台日本的步进式加热炉，用于1700mm热连轧板材的板坯加热用，于1978年投产。第二阶段：合
14、作制造即引进国外软件和关键硬件，其余由国内制造，技术由国外负责。1979年开始，国内有关设计、制造单位在宝钢工程中和日本中外炉公司、前联邦德国的尔芬(OUF)公司、法国的斯坦因霍特(SH)公司就步进式加热炉进行技术交流，寻找合作伙伴。1984年，国内首次和尔芬公司合作，制造了宝钢D140mm无缝钢管厂中的步进式再加热炉、心棒淬火炉、回火炉。1985年，国内和意大利皮扬特(IT)公司合作制造了马钢高速线材厂的步进式加热炉。1987年，国内和法国斯坦因霍特公司合作制造了宝钢热轧厂三台板坯步进式加热炉。1990年，国内和斯坦因霍特公司再次合作制造了武钢热轧厂四号步进式加热炉。第三阶段:移植开发在合作
15、制造阶段中，设计研究院和制造厂着手研究，并消化国外先进技术，移植开发国内迫切需要的步进式加热炉。1987年，国内首次自行设计、制造了酒钢线材厂的步进式加热炉，以后又陆续地设计、制造了攀钢热轧厂、韶钢热轧厂、涟源钢厂等厂的步进式加热炉。我国在步进梁加热炉的设计开发方面，经过近十年探索和实践，除最佳化控制技术外，其余技术均已掌握，并已应用于实际工程中。现在我国已能独立设计和制造大型步进梁式加热炉。1.3步进梁式加热炉步进的原理6步进式加热炉的步进机构由驱动系统、步进框架和控制系统组成。步进系统一般可分为电动式和液压式两种，行进部分的驱动一般靠液压系统实现，升降部分有的采用电动偏心轮式，也有的采用液
16、压曲柄杆式或液压斜轨式。三类传动系统的相比较，由于液压传动具有明显优点以及液压技术的的日益进步和完善，因而越来越广泛采用。包钢两个高线厂，以及国内其它多家高线选用液压斜轨式。图1.3 运动机构1.炉壳 2.钢坯 3.固定梁 4.活动梁 5.驱动机构在步进式加热炉里，钢坯的移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的。步进梁的运动轨迹（如图1.4a）为矩形，由升降机构的垂直运动和平移机构的水平运动组合而成，步进梁相对于固定梁上升、前进、下降、后退4个动作，其动作顺序根据起始点位置的不同而不同，一般将起始点位置设在步进梁下降和后退的位置上，则步进梁的动作起动后由上升开始，经前进、下降和后退到原来的起始
17、位置，完成一个周期的步进动作。这四个动作组成的一个运动周期，每完成这样一个周期，钢坯就从装料端向出料端前进一个行程。钢坯在炉内经过几十步的步进梁运动后，达到轧制所需要的温度，然后由出炉辊道将其送往连轧机进行轧制。步进系统的动作根据工艺的需要可以手动、半自动和全自动控制。步进可以正向操作，还可以反向操作，可作上升、下降的踏步动作，必要时在手动强制方式下以爬行(点动)速度运行。步进梁的平移运动是由平移机构来完成的，水平运动时升降机构不动作。液压缸活塞杆伸出步进梁前进，液压缸活塞杆缩回，步进梁后退。每动作一次，液压缸活塞都经过加速、匀速、减速3个阶段。步进梁的垂直运动是由升降机构来完成的，垂直运动时
18、平移机构不动作。液压缸活塞杆缩回步进梁上升，液压缸活塞杆伸出步进梁下降。垂直运动的速度曲线比水平运动的速度曲线复杂，多了一次中间减速运动，其目的是当步进梁接近固定梁时降低速度，使步进梁在取放钢坯时平稳运行。为了消除步进动作时的冲击，在每个步进的动作其运行速度是用比例阀严格控制的，每个动作有缓慢的加速过程，结束时又有减速过程。一般步进梁上升下降高度为200m，(以固定梁顶面标高为基准)100mm。行进步距的大小是由装料制度确定的，在装料制度变化时可在行进液压缸的行程范围内进行调整，步距一般为料宽的1.51.6倍。步进梁的运动速度方块图如图1.4b所示。图1.4 步进梁要使步进梁做匀加速或匀减速的
19、变速运动，就必须控制驱动步进梁运动的液压缸的运动速度，也就是进入或流出液压缸的液体流量，这就是速度控制的问题。在液压传动系统中，主要的控制方式是阀控和泵控。阀控调速回路指的是节流调速回路。泵控就是体积式调速回路，主要采用改变泵的有效工作体积进行调速。目前,电液比例变量泵以其较好的动态特性和较高的稳态精度以及较低的成本逐步发展成新一代变量泵，并广泛用于体积调速系统。比例变量泵由液压泵、比例阀、比例放大器和传感器组成一个闭环控制系统，其工作原理如图1.5所示。当给出的控制信号输入到比例放大器时，比例放大器根据设定要求对此电流信号做相应的处理，然后相应产生一个01.8A的电流去驱动比例阀电磁铁，电磁
20、力推动阀芯，改变阀芯的位置，从而改变通过比例阀的流量。比例阀通过此流量去控制液压泵的斜盘活塞，改变斜盘倾角，从而控制液压泵的输出流量。传感器根据液压泵斜盘的倾角将泵的输出状态反馈给比例放大器，与输入信号进行比较两者有误差，则比例放大器根据比较结果对泵的输出进行调整，直到误差在允许范围内为止。这样，比例变量泵对输出流量就达到了比较精确的控制。图1.5 比例变量泵工作原理采用泵控系统调速，可以避免节流能量损失，提高系统的效率。这种系统结构简单、流量控制直接方便，减少了故障点，便于维护。另外此种控制方式从根本上解决了平稳起动、制动问题，实现了无冲击、无振动、快速短周期平稳运动，确保了钢坯不错动、不跑
21、偏，使出钢顺畅。1.4步进式加热炉工艺介绍7加热炉是一个复杂的热工设备，目前在板材、棒材或线材的热轧生产中，广泛采用步进式加热炉对钢坯进行炉内步进式运送并加热。加热炉是钢铁企业热轧生产过程的关键设备之一，其性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量、坯成材率、轧机设备寿命以及整个主轧线的有效作业率。根据工艺要求，要将钢坯循序渐进地、均匀地加热到所有要求的温度，才能到轧钢工序去轧制。目前国内钢铁企业大多采用步进式加热炉，因此下面结合国内某钢铁厂的步进式加热炉来简要介绍一下步进式加热炉的工艺。该厂新建了一条棒材热连轧生产线，其中配有一台步进式加热炉，用来加热合金钢，使其达到热连轧所需要的温度分布
22、。该步进式加热炉采用的是端进侧出的装钢方式，其有效炉长为29348mm，炉膛内部宽5800mm，有效炉底面积为161.5m2，炉子的额定产量为70t/h，炉底的单位过钢量为503Kg/(m2h)，加热炉步进梁的步距为230/320mm，步进周期34s。加热的钢种主要有轴承钢、不锈钢、合金钢、碳结构钢、弹簧钢等。加热的钢种主要有：轴承钢、不锈钢、合金钢、碳结构钢、弹簧钢等。加热钢坯的规格主要有：240mm240mm3500mm、200mm200mm5000mm、150mm150mm5000mm、120mm120mm5000mm。该步进梁加热炉的结构简图如图1.6所示。该加热炉沿着炉长方向分为预热
23、段、加热段、加热段和均热段，其中预热段的长度比较长，主要是为了充分利用烟气的热量来预热钢坯，以提高燃料的利用率。为了将钢坯加热到规定的目标温度，加热炉以冷发生炉煤气为燃料，通过加热段、加热段和均热段对钢坯进行加热。在进行炉温控制的时候，预热段内没有设置烧嘴不参与控制，加热段、加热段和均热段各段的上下区域都设有烧嘴，因此可将加热炉分为六个控制区域进行控制。图1.6 步进梁加热炉结构示意图钢坯的加热过程介绍如下：首先，用电磁式吊车将钢坯成排的吊运并放到装钢台架上，由装钢台架的链式运输机将钢坯逐根送到第一组装钢辊道旁的拨钢机槽内，再由拨钢机的拨钢杠将其拨到第一组辊道上。在由第一组辊道运送到第二组辊道
24、的过程中检测钢坯的长度，不合格的钢坯将由设置在第二组辊道上的剔除装置剔除，并收集到辊道旁边的集料架上，而合格的钢坯将在第二组辊道上进行称重，然后被运到第三组辊道上准备装炉。在加热炉准备要钢时，再把钢坯从第三组辊道送至第四组辊道，并根据钢坯的长度将钢坯准确的固定在第四组辊道上。此时，加热炉的步进梁伸到钢坯底部的辊道之间将钢坯托起、前进、下降，将钢坯放到固定梁上，步进梁接着下降脱离钢坯，然后退到下一块钢坯的底部，再依次重复上述的托起、前进、下降、脱离、后退等步骤，将下一块钢坯装进炉内，如此反复的运动，使得钢坯在炉内能够步进式的前进，从预热段经加热段、加热段和均热段的加热，最终送到出钢端的出钢悬臂辊
25、道上，然后由该辊道将加热好的钢坯运送出炉，经过飞剪和高压水除鳞后送到粗轧机组进行轧制。加热炉的热工制度主要包括温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。为了保证燃烧的正常进行，该加热炉采用了双交叉限幅燃烧控制系统与带动态补偿的炉压控制系统，同时对煤气的温度、压力与助燃空气的温度、压力以及热风放散温度分别进行控制。在热连轧生产线上，加热炉应该在保证向粗轧机提供符合轧制工艺要求的温度分布的钢坯的同时，尽可能的降低加热炉的能耗和钢坯的损耗，因此，目前普遍采用低温出钢的方法对钢坯进行加热。通过这种方式不仅可以降低加热炉的加热能耗，而且对于延长加热炉的使用寿命、减少炉体的渣量和清渣操作都是很有利的。由于钢坯的
26、成本较高，因此应在加热过程尽量减少钢坯的烧损和氧化铁皮以及防止脱碳等情况的发生就显得尤为重要。减少钢坯烧损和脱碳的方法主要有：（1）在能够满足粗轧机轧制工艺要求的前提下，尽可能的降低钢坯的出炉温度，尽可能以粗轧机要求的最低温度出钢；（2）尽量缩短钢坯在高温段的停留时间，根据钢坯脱碳随钢坯温度变化的规律，要求在500600之间要缓慢加热，使得钢坯能够均匀加热，在600以上要实现快速加热，尽量缩短钢坯在高温区域的停留时间，以减少钢坯脱碳和降低加热炉能耗。1.5现代步进梁式加热炉特点8步进梁式加热炉经过几代的发展和创新，已日臻完善。为了不断提高坯料加热质量和进一步节约能耗，一批先进技术应运而生。归纳
27、起来有如下特点:采用全炉顶平焰烧嘴 经在加热炉上采用平焰烧嘴的实践证明，它有以下主要特点:低压燃烧；节约燃气；炉膛内温度均匀，升温速度快，缩短了加热时间，氧化和脱碳少，温度易于控制，消除了局部过热等加热缺陷；燃烧空间小平焰烧嘴无喷射式烧嘴前冲火焰，因此锻件可以比较接近烧嘴，既降低了炉膛高度，又提高了热效率；操作时，由于炉压易于控制，因此炉前的作业环境得到了改善，有利于改善作业环境。下加热安装端烧嘴炉膛隔墙新设计的步进梁式加热炉，在上加热平焰烧嘴供热部位或下加热侧烧嘴供热部位，均设置炉顶吊挂式隔墙或炉底隔墙，形成扼流，并防止相邻炉段高温辐射，以保证各供热段区域温度的准确控制。交错步进梁老式步进梁
28、炉步进梁是一直线，钢坯和步进梁接触位置不变，使“黑印”增大。现将步进梁进入均热段后在横向(炉宽方向)偏离一个距离，使进入均热段的钢坯与步进梁接触点的位置改变。从而减少了“黑印”温差。从过去4050的温差减少到1520的温差。两段步进梁老式步进梁式，步进梁为一段，一套传动装置。现可将步进梁分成前后两段，两套传动装置，两条步进梁可单独运动，也可同步运动。采用两段步进梁式步进炉，一是用于解决弹簧钢加热的脱碳问题，钢坯在出料端步进梁上，大步距快速通过高炉温段，大大减少了高温脱碳。一是用于连铸坯直接轧制或热送热装工艺铸坯的加热和缓冲。正常生产时，铸坯以大步距快速通过装料端步进梁，送到下段步进梁上加热和均
29、温。当轧机换辊或故障时，铸坯以小坯距装在此段，进行缓冲。最佳化控制过去，步进梁式炉只有基础自动化级控制。近十年来，国外炉子公司都相继开发了理想加热曲线，并建立了钢坯加热数学模型。采用计算机和数学模型按照理想加热曲线对钢坯加热进行最佳化控制，以获得最好的加热质量和最低的能耗。1.6加热炉的节能途径加热炉的节能途径离不开以下几方面：(l)通过对工业加热炉的热工测定，编制热平衡表，这样能全面地了解工业加热炉的热工过程，从而找出节约能源的有效途径和方向。(2)尽量选用节能新型炉型，采用新燃烧装置以及新型节能材料等。节能新型炉型主要包括:快速加热炉、无氧化加热炉、步进式加热炉、快速模锻加热炉和热滑道加热
30、炉等；新型燃烧装置有蓄热式烧嘴、平焰烧嘴、高速烧嘴、自身预热烧嘴、低NOx烧嘴、调焰烧嘴和超声波雾化油烧嘴等；新型节能材料包括高温高辐射涂料、耐火纤维、岩棉以及超轻质砖等。(3)采用先进的自动控制技术以成为工业加热炉节能的一项普遍而至关重要的措施，特别是采用微机控制系统，己经成为工业加热炉自动控制的发展方向。(4)从组织、生产、操作三方面着手，加强能源管理工作。为了降低步进式加热炉的能耗，在加热炉的设计上、加热工艺上和现场操作上，人们做了大量的研究和尝试，现将比较常用的几种节能措施予以介绍。1.6.1汽化冷却在步进式加热炉内，过去固定梁、活动梁大都采用水冷却。但近十几年来，国外步进式加热炉的汽
31、化冷却技术有了很大的发展，汽化冷却的节能效果也逐渐被人们所认识。采用汽化冷却来冷却固定梁和活动梁已成为发展趋势。汽化冷却与水冷却的目的都是从被冷构件中带走热量，从而使被冷构件在金属材料允许的温度下正常工作。水冷却最大的缺点在于水的允许温升受到限制。若水温太高，易形成水垢附着在管内壁，从而造成局部过热，影响冷却构件的使用寿命。汽化冷却是用接近饱和温度的水通过被冷却构件吸热使部分汽化成为汽水混合物。这是一个由单相流动变成两相流动的一个相变过程。其结果是强化了热交换，对流换热系数比单相换热提高了几十倍。这不仅大大节省了用水量，而且汽化冷却系统所产生的蒸汽又是工业生产中必不可少的能源介质之一。从能源的
32、利用与回收方面来看，步进式加热炉在消耗一次能源的同时部分地将其转换成二次能源（蒸汽），并加以回收利用，从而大大地节约了能源、减少了对环境的污染。水循环汽化冷却循环系统见图1.7。图1.7步进梁式加热炉汽化冷却系统步进式加热炉汽化冷却装置一般由以下几部分组成：软水处理系统、给水泵、汽包、循环泵、及柔性组件。经过处理的合格软水，由软水箱经给水泵进入汽包，以补充汽包内由于外供蒸汽而形成液位下降所需水量，循环泵将汽包内的冷却水经下降管、下连箱、柔性组件进入固定梁、步进活动梁，吸收热量后，由水变为汽水混合物，经柔性组件、下连箱，再经上升管回到汽包，如此组成一个循环系统。循环水进入每组固定梁、活动梁，都需
33、进行水量调节，使水量根据每组热负荷的大小得到合理分配。汽水混合物回到汽包后，进行汽水分离，蒸汽储存于汽包上部，并可按外供所需参数将蒸汽送到用户，水则储存于汽包下部，与补充水一起参加再循环。与热水及冷水冷却方式相比较汽化冷却维修次数要多些，一次投资要高些，其次是设计复杂，对水质要求也高，若采用汽化冷却就必须有水处理装置，仅此就要增加投资近10%。但是在步进式加热炉上采用汽化冷却技术进行节能，国外的几家公司已取得了明显的经济效益。德国Oschatz公司是世界上最大的一家设计、制造步进式加热炉汽化冷却系统的公司。据介绍经Oschatz公司设计、制造的步进式加热炉汽化冷却系统已有80多座在世界各大钢厂
34、投入生产。由此可见步进式加热炉汽化冷却系统已作为一项比较成熟的技术正逐步取代传统水冷却方式。我国从1995年开始，有几家钢铁厂已陆续上了汽化冷却装置，如上钢二厂、包头友谊轧钢厂、本溪钢铁厂等，也取得了很好的经济效益。以上钢二厂为例，由于汽化冷却装置的运行，直接节约的生产费用为77.34万元/a，间接避免停产损失费133万元/a，直接增加效益71.28万元/a，常年效益为287.62万元/a。1.6.2余热回收利用步进式加热炉烟气带走的热损失占相当大的比重,对其进行余热回收,是提高加热炉的热效率、节约能源的重要途径。加热炉余热利用的主要形式有：余热锅炉、空气-煤气双预热、空气预热器后再安装余热锅
35、炉或热交换器等。余热锅炉主要利用加热炉的余热产生蒸汽，供生产和生活使用。空气-煤气双预热，是利用高温烟气预热助燃空气，空气预热到350450之后，通过空气预热器的烟温仍在450500，这部分热量如果排放掉是一种浪费，空气预热温度再提高一定温度要比把煤气预热到相当温度困难，且不经济，因此利用中低温烟气，使煤气预热到150250，就能大大降低排烟温度，充分利用烟气余热，提高加热炉热效率。对燃油加热炉来说，空气预热到一定温度后，可以在预热器后安装余热锅炉或过热器，产生过热蒸汽或热水，用于预热液体燃料或供生产、生活用汽，达到节约能源的目的。该技术在加热炉上的运用已比较普遍。在国内如鞍钢，鞍钢厚板厂步进
36、梁式加热炉的烟道内装有预热助燃空气的换热器和加热重油雾化蒸汽的加热器。其换热器采用四行程碳钢渗铝高效波纹管插件式换热器,设计空气预热温度550,实际空气预热温度为400500,节能15%左右。为了进一步回收烟气余热,在空气换热器后安装了重油雾化蒸汽加热器,将160的饱和蒸汽加热到300,强化重油雾化,节能约10%。目前国外用来回收烟气热量的高效换热器品种很多，较有发展前途的有波纹管插入件换热器、喷流辐射换热器、网状面辐射换热器、高效蓄热式换热器，以及最近市面的空间传输对流换热器等。它们共同的特点是综合传热系数高，单位体积的传热量大和性能价格比高。上世纪90年代，西方发达国家研究出了高温蓄热式燃
37、烧技术，它具有高效、节能、环保三种优点。与传统燃烧技术相比，高温空气燃烧技术通过蓄热式烟气余热回收，可使空气预热温度达到烟气温度的95%，不仅大大提高了加热炉的热效率，而且由于空气预热温度很高，也大幅度地提高了炉膛温度的均匀度。高温空气燃烧技术可节能60%以上，而且大大降低了CO2的排放量。高温空气燃烧技术实现贫氧区域燃烧，使NOx的排放量也大大减少，为传统燃烧技术的1/151/20。此外，高温空气燃烧技术燃烧噪音低，减轻了噪音对环境的污染。紧接着又开发出几种高温空气燃烧器，在日本、美国、欧洲等地用于生产实际很快，目前该技术经济效益显著，其开发应用也日臻成熟，目前已成为加热炉发展的主要趋势。蓄
38、热式陶瓷燃烧系统原理及工作组成如下(图1.8)：9图1.8 蓄热式燃烧技术工作原理示意图蓄热式陶瓷燃烧系统(Regenerative Ceramic Burner，RCB)由两个烧嘴、两个蓄热室、一套换向装置和相配套的控制系统组成。如图1所示,模式A表示烧嘴A处于燃烧状态,烧嘴B处于排烟状态:燃烧所需空气经过换向阀,再通过蓄热室A,被其预热后在烧嘴A中与燃料混合,燃烧生成的火焰加热物料,高温废气通过烧嘴B进入蓄热室B,将其中的蓄热球加热,再经换向阀后排往大气。持续一定时间(如20s)后,控制系统发出换向指令,操作进入模式B所示的状态,此时烧嘴B处于燃烧状态,烧嘴A处于排烟状态:燃烧空气进入蓄热
39、室B时被预热,在烧嘴B中与燃料混合,废气经蓄热室A,将其中蓄热球加热后排往大气。持续与模式A过程相同的时间后,又转换到模式A过程,如此交替循环进行。蓄热式燃烧技术具有节约燃料、提高热利用率、降低排放量，减小设备尺寸等优点。1.6.3改进工业炉的炉体结构101) 提高炉体的保温性能,减少与外界的辐射、对流和导热热损失落后的工业炉,其炉体的保温性能不好,甚至没有炉围(炉墙和炉顶)来保温,炉子的散热损失几乎占80%以上,散热损失极大,炉子的热效率很低,其值仅为10%以下,造成燃料消耗很高。而比较先进的工业炉,力求将其炉围的散热损失下降到10%20%,炉子的热效率可大为提高。因此,必须提高炉体的保温性
40、能,减少与外界的辐射、对流和导热热损失。为此,应该做到:(1)提高炉体的密封性,保持炉膛高温,减少炉体散热损失工业炉的炉体必须用炉围来保温,并且应该非常密闭,以防高温炉气外溢,将炉体结构烧毁。同时,外溢的热气体还带出大量的热量,造成不应有的热损失。因此,加强炉子的气密性,减少炉子缝隙,以减少炉子的逸气热损失,是工业炉节能最容易实现的措施。为了更好地提高炉体的密封性能,先进的工业炉都在炉衬外侧包以钢板密封,虽然投资高了一点,但节能效果是好的,还可增加炉体的强度和美观,是值得的举措。(2)减少炉门及其开启时间,以减少通过炉门的辐射热损失为了观察炉内的情况,便于操作,工业炉必须安装一定数量的炉门和观
41、察孔。当炉门开启时,炉内的热量大量辐射至炉外,造成很大的热量损失,不仅提高了燃料消耗,而且恶化了周围的环境和操作条件。因此,必须减少炉门和观察孔的数量,及时关闭炉门和观察孔,以节约能源消耗和减少对周围环境的影响。炉门打开时,会将炉内的热量以辐射传热的方式散失至炉外。炉温越高,散失的热量越多,而且与炉温绝对温度的四次方成正比,其值增长很快。例如:炉内温度为1300,炉外温度为20时,辐射传热量近似为347000W/m2,其数值是非常惊人的,必须引起高度注意。2) 提高炉衬的轻质化和绝热性能,减少炉衬的导热和蓄热损失(1)提高炉衬的绝热性能,减少炉体导热损失有了炉围就可以保持一定的炉温,减少炉体的
42、散热损失。但是炉衬的质量直接影响到热量的散失大小,绝热性能好的炉衬才能起到良好的保温作用。因此,必需提高炉衬的绝热性能,才能减少炉衬的导热损失,这就是采用导热系数低的耐火材料砌筑炉衬,并且采用不同的导热性能和耐火性能的材料来分层地砌筑,以发挥各自的优点。所以,一般工业炉的炉衬都由几层不同材料和不同厚度的耐火材料组成。(2)加强炉体的轻质化程度,减少炉体蓄热损失在炉子开炉时,特别是周期生产的炉子开炉时,加热炉衬需要一定的热量和时间,而在炉子停止生产后,这部分热量就损失掉了。炉子蓄热损失的大小与炉衬材料的密度有直接关系。加强炉体的轻质化程度,就可以减少炉体的蓄热损失。目前,不少工业炉已采用轻质高铝
43、砖、轻质粘土砖来减低材料的密度,取得很好的节能效果。更有不少先进的工业炉,采用耐火纤维来代替耐火砖,大大降低了材料的密度,大幅度地减少了蓄热损失,成为工业炉节能技术改造的重要措施之一。少数人认为:对连续炉来说,采用轻质材料砌筑炉衬的意义不大,这是不完全正确的。从理论上来分析,的确如此,因为只有停炉时才会有蓄热损失,既然连续生产,当然没有这种热损失。不过,实际上连续炉的炉温并非一成不变,由于某种操作(如处理生产事故),需要减少热负荷,降低炉温,这时就会产生蓄热损失。所以对连续炉来说,也是需要采用轻质材料来减少炉衬的蓄热损失,只不过其意义不如周期炉那么大。但其更重要的意义,还在于采用轻质材料后,可
44、以降低炉子的热惰性,减少滞后以提高炉子控制的灵敏度,使工业炉的生产过程更容易自动化。炉子的快速升温,可以增加作业时间来增加产量和减少燃料消耗。炉子的快速降温,又可以减少钢材的氧化烧损和过热过烧,保证钢材的加热质量和降低燃耗。所以,连续炉的炉衬也需要采用轻质材料。3) 增加炉衬内表面的黑度增加炉衬内表面的黑度,也就是增加炉衬内表面的辐射能力,可以提高炉子的生产率,也可以起到节能作用,但作用有限,一般不超过5%。增加黑度的方法有:(1)在炉衬内表面涂一层辐射能力大的涂料,如碳化硅、氧化铬、氧化锆等粉末,加粘结剂混合而成的一类胶体,可以使其表面的黑度接近黑体,达到最大的辐射能力。涂料的使用寿命,由于
45、炉内的工作条件特别恶劣,一般都不太长,很少超过36个月。(2)将炉衬内表面砌成凸凹形,增加了炉衬的表面积,也就是增加了炉子的炉围伸展度,因而可以强化炉内热交换。在其他条件不变的情况下,可将辐射传热量增加24%以上,提高了产量和减少了燃料消耗。(3)在炉衬内表面粘贴一层耐高温的耐火纤维,这种措施的节能效果较好。这是因为:一方面耐火纤维的黑度接近于1,可以增加炉内的辐射热交换量,提高炉子的产量,节约燃料消耗。另一方面耐火纤维的导热系数很低,蓄热量很小,因此可以减少炉衬的导热损失和蓄热损失,可以较大幅度地节约燃耗,还可以提高炉温而增加产量,是很有发展前途的一种节能措施。1.6.4改进步进式加热炉的控
46、制11连续加热炉的操作水平直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，所以国内外关于加热炉自动控制的研究一直受到重视，发展的比较快，也取得了较为丰硕的成果。步进式加热炉的自动控制主要是控制加热炉内燃烧工况达到最佳，即在温度及工艺条件满足要求的前提下，燃料和空气量保持最佳配比。氧气量整定控制技术即是其中之一。将氧化锆氧化量检测探头布置于加热炉炉顶，通过检测燃烧产物湿成分的氧浓度，可实现氧含量的连续检测，其中供热区氧含量的检测值用来整定烧嘴的空/燃比率，保证所需要的含氧量。依据每段助燃空气的检测，并将其值输入比率调节器，由常规的空/燃比率控制系统来实现“空气先行”的策略。再依照操作者按各种钢种选取的比
47、率自动地调节煤气流量，在最低允许的空/燃比下运行可提高能源利用效率。该技术在以油-汽为燃料的步进式加热炉上同样适用。80年代以来，由于计算机的发展与普及,加热炉开始采用数学模型以优 化炉子的操作。我国从80年代初开始进入加热炉计算机控制系统研究阶段。就国内来说，我国钢铁企业现有轧钢炉窖近千座，其中加热炉700多座。有些加热炉可达到国外90年代水平，但发展极不平衡，先进与落后差距很大。目前，国内大多数加热炉的计算机控制水平很低，虽然引进了一些先进的控制系统和设备，但绝大部分加热炉计算机控制系统仍然处在计算机过程控制的水平上，且仅局限于以燃烧控制技术为基础，绝大部分未能实现模型化控制，甚至还有少数
48、加热炉由人工操作，其加热质量和能耗相距甚远。近几年来，随着学科交叉的日益深入、计算机科学的不断发展和现代控制理论的逐渐成熟，国内对加热炉数学模型的研究越来越活跃起来，并且取得了一些进展。例如陈永、张卫军、陈海耿以能量平衡和热传导方程为基础，建立较为严密的炉子简化模型，使燃料消耗这个目标量与钢温联系起来，构成燃料消耗最低的真实目标函数，从而可以运用最优升温曲线；为充分减少加热炉工况、运行条件和环境等变化因素对加热炉描写精确化带来的不利影响，梁军引入模型在线辨识机制，推导了一个具有在线校正功能的离散化模型，并在此基础上，运用了广义最小方差控制原理设计相应的自校正控制算法；杨宗山、陆宗武以热平衡原理为理论基础，建立加热炉的机理数学模型，直接以加热炉各段燃料消耗为目标，实现加热炉各段燃料的最小化，并且根据
