山东钢铁股份有限公司莱芜分公司型钢厂 山东省 济南市 钢城区 271126
摘要：加热炉作为提高轧制工件温度、满足轧机初轧温度的重要设备，广泛应用于钢铁行业。根据轧制工件外形尺寸，可大致分为线材炉、棒材炉和板坯炉等。近年来，随着国家及地方政府节能减排政策相继落地，钢铁行业炼铁、炼钢和轧钢等板块均展开降低能耗的系统改造工程，以满足政策中相关能耗及排放指标。以轧钢加热炉为例，能耗指标:吨钢能耗320×4.18kJ (不含电、水等折算标煤量) 左右;排放标准:颗粒物 20mg/m3、二氧化硫 150 mg/m3、氮氧化物300 mg/m3。以某钢铁企业轧钢加热炉调研为基础，根据生产实测数据，剖析加热炉“能耗高、排放高”的原因，并与国内加热炉先进生产数据对比，给予企业提供节能降耗的驻足点，实现“产、学、研”的有机结合。
关键词：加热炉; 节能减排; 余热回收; 经济效益;
1加热炉概况
该钢铁厂年产量337万t，共四条生产线，分别为1号棒材、2号棒材、3号棒材和1号高线 (后称一棒、二棒、三棒和一高) 。每条轧线配套一座步进梁式加热炉，基本信息见表1。
表1 轧线配套加热炉概况
由表1可知，设备投入运行时间基本在2006年以后，最长服役寿命在10年以上，主要产品为不同规格螺纹钢。四座加热炉均采用步进梁式炉底机械运动方式，水冷方式均为汽化冷却。从加热炉煤气来源看，除一棒 (全焦炉煤气) 外，均为高焦转炉混合煤气;从全厂轧线布局看，一棒、二棒和三棒铸造机与轧线距离近，通过车间内辊道运输热坯到加热炉装料辊道前，一高铸造机与轧线距离远，通过汽车运输较高温方坯到加热炉前装料台架上。
轧钢配套四座加热炉，不同轧线生产不同规格、不同材质的螺纹钢，产量“因线而异”。因前期施工质量和后期维护管控质量的不同，造成加热炉年工作小时、燃料耗量的不同。综上所述，其生产技术参数见表2。
加热炉燃料种类各异，除一棒外均为高焦转炉混合煤气。通过燃料比例及热值可以分别计算出四座加热炉单耗，见表3。厂区内标定高炉煤气热值3690kJ/m3，焦炉煤气热值16800kJ/m3，转炉煤气热值6660kJ/m3。
2节能降耗途径
2.1 新型耐火材料
四座加热炉内耐火材料基本已经达到设计寿命。2006年后钢铁企业行情的起伏，直接决定轧钢加热炉的开炉、停炉状态。众所周知，耐火材料热震性差，轧钢加热炉频繁的高温、常温状态切换，会降低耐火材料的性能，进而降低其热阻能力，表现为加热炉外表面温度较高。调研发现，加热炉炉顶温度、侧墙外表面温度、炉底温度均超过国标GB/T 15319规定中各部位的设定温度。所以，在未来的加热炉大修工程中，应及时改善砌体状态，提高加热炉腔体内保温效果，降低外表面散热，达到规模以上企业节能降耗标准。
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表2 四座加热炉生产技术参数
表3 四座加热炉煤气消耗量及单耗表
2.2 增设残氧分析仪
吨钢单耗是加热炉运行的节能指标，合理控制空燃比 (即控制排烟组分中残氧值) 是加热炉经济运行的重点。一般企业将加热炉残氧值控制在1%～3%，既可以满足煤气的完全燃烧，又可以满足钢坯的加热需求。行业相关标准中规定，残氧检测位置与排烟检测位置统一在烟道同一截面上。
氧化锆残氧分析仪是目前轧钢加热炉常用的残氧检测设备，因其精度高得到广泛认可，但一次费用高、维护成本高、煤气洁净程度高和寿命短等使其未得到广泛应用。安装检测方便、煤气适应范围广、寿命长的残氧检测设备是未来的研究方向。
2.3 增设热值仪
钢铁厂煤气来源主要包括高炉、焦炉和转炉。一般情况下，煤气热值从高到低依次为焦炉、转炉、高炉，焦炉煤气热值一般为高炉煤气热值的两倍或三倍以上。一棒加热炉煤气为纯焦炉煤气，煤气热值的波动对加热炉燃烧控制及燃烧模型影响较大。增设煤气热值分析仪，入炉钢坯过烧等情况得到改善。煤气分析仪与一级控制中空燃比的连锁，也会降低钢坯在炉内的氧化烧损，提高成材率。
2.4 整改调节阀
该厂加热炉烧钢稳定主要是依靠操作工程师经验，基本不依靠控制仪表。因为仪表测量数据存在明显错误，而且调节阀门在操作画面上的显示数据也偏离实际值。当操作画面流量调节阀开度分别为20%、100%，流量相差无几。在烟气残氧极低的情况下，换热器后烟气温度高于换热器前。依靠肉眼观察和经验来实现轧钢加热炉的稳定运行误差较大。温度误差在30℃以上，残氧误差会超过加热炉设置值 (3%) ，无法实现加热炉节能降耗运行。所以，建议钢铁企业及时更换调节阀及各类检测设备，定期维护，在保证企业达产运行的同时环保能源也能达标。
2.5 优化燃烧模型及二级控制
加热炉引入燃烧模型和二级过程自动化控制，在设备本身自动化水平较高的情况下，加热炉会自动检测、自动调节、自动控制和自动学习。从板坯称重到轧机轧制前，自动化控制系统会跟踪板坯，给控制系统提供板坯各类信息，并根据加热曲线自动调节各系统 (空气系统、煤气系统、水系统) 满足加热过程。
2.6 提高热装比
钢铁企业铸造与轧制的有机结合，会极大地降低吨钢能耗。钢坯进入加热炉内温度在400℃时，燃料消耗量节约15%，在此基础上每提高100℃，燃料消耗节约量提高10%，钢坯入炉温度在900℃时，可节约53%。所以，合理布置连铸、轧制车间空间位置，可以满足加热炉送红坯的功能，进而降低加热炉能耗及吨钢单耗。同时，优化转炉、铸造机、轧机的匹配能力，既可以实现加热炉送红坯功能，也可以满足单条轧线产品小规格的变化，进而减少轧机辊径调节次数，提高轧线生产能力，实现加热炉与轧机的共赢。
2.7 增加余热回收设备
在常规加热炉系统中，通过增加空煤气换热器或余热锅炉等方法回收烟气热量，将热量转化为空煤气物理热带入炉膛或者转化为蒸汽。一般情况下，煤气预热温度在300℃左右，空气预热温度在450～500℃，或者余热锅炉产生中低压蒸汽进行发电。采用低温排烟，可节约吨钢单耗约5%，对厂区能源平衡及加热炉节能达标有积极影响。
3经济技术分析
通过更换加热炉耐火材料，增加热值仪、残氧仪、燃烧模型及二级控制系统，提高热装比、增加余热回收设备，可以将四座加热炉运行参数控制在标准的数值范围内，达到国内加热炉运行平均水平。
3.1 投资
通过以上途径 (不更换耐火材料) ，可以明显改善加热炉的运行工况，吨钢单耗优化到合理水平。经过费控统计，单座加热炉投资费用在400万元以内，包含余热锅炉、二级控制及画面、热值仪、空煤气管道自动调节阀和建安费等。
3.2 收益
加热炉节能产生的经济效益主要包含两部分:降低氧化烧损，提高成材率;降低煤气消耗量。另外，加热炉通过燃烧模型和二级自动控制，可极大降低人力成本，对目前钢铁企业四班三倒、每班三人的制度进行优化，合理分配人员。通过残氧及热值分析技术，可稳定炉内燃烧状况，避免产生空气系数大或燃烧不完全等问题，提高企业环保水平。
参考文献
[1]王秉铨.工业炉设计手册 (第3版) [M].北京:机械工业出版社，2012.
[2]肖海东.轧钢蓄热式加热炉炉型及关键设备的设计选择[J].工业加热，2011，(5) :4-7.
论文作者:孙鹏鹏
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/8/30
标签：加热炉论文; 煤气论文; 热值论文; 焦炉论文; 转炉论文; 温度论文; 余热论文; 《防护工程》2019年12期论文;