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日本鋼鐵生產(chǎn)中的加熱和冷卻技術(shù)(一)
作者:張銀環(huán)   來源:技術(shù)中心 發(fā)布時間:2010年04月19日 點擊數(shù):

從冶金學(xué)或加工的必要性來看,在鋼鐵生產(chǎn)工藝中,從鐵礦石的還原和熔融到加工成最終產(chǎn)品的過程是一個反復(fù)加熱和冷卻的過程。為解決提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定操作、設(shè)備的緊湊化和節(jié)能等各種課題,日本各鋼鐵公司開發(fā)了適應(yīng)各生產(chǎn)工序的最佳加熱和冷卻技術(shù)??梢哉f,日本鋼鐵工業(yè)的能源單耗和產(chǎn)品質(zhì)量能夠居世界領(lǐng)先水平,如果沒有鋼鐵生產(chǎn)工藝中的最佳加熱和冷卻技術(shù),就不可能實現(xiàn)。近年來,為進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量,日本對提高加熱和冷卻能力及對目標(biāo)溫度的高精度控制提出了要求,同時還對考慮到環(huán)保節(jié)能的加熱和冷卻技術(shù)提出了要求。

一、加熱和冷卻的基本形式
  熱傳輸?shù)男问娇煞譃闊醾鲗?dǎo)、對流傳熱和熱輻射等3種。熱傳導(dǎo)是物質(zhì)內(nèi)部的熱傳輸,是構(gòu)成物質(zhì)的原子或分子的振動傳播使能量傳輸?shù)默F(xiàn)象。對流傳熱是物質(zhì)表面和周圍氣體、液體或固體的宏觀流形成流動和混合,產(chǎn)生熱傳輸?shù)默F(xiàn)象。熱輻射是物體內(nèi)部所具有的能量以電磁波的形式從其表面放射出,并向周圍傳遞的現(xiàn)象。p u3i O D
  關(guān)于物質(zhì)的加熱或冷卻過程,只要給出物質(zhì)表面的對流傳熱及熱輻射的臨界值,通過數(shù)值解析,就能準(zhǔn)確求出。也就是說,要想準(zhǔn)確預(yù)測出加熱和冷卻過程,就必須給出準(zhǔn)確的臨界值。但是,由于決定各傳熱形式的熱物性值、流體模型和相變等熱傳輸量的因素很多,而且在實際的加熱和冷卻過程中,這些傳熱形式很少是單獨存在的,幾乎是一種相互關(guān)聯(lián)、非常復(fù)雜的現(xiàn)象。因此,在對作為對象工序的加熱和冷卻進(jìn)行大量的傳熱實驗后,對熱傳輸量進(jìn)行了定量,并給出了計算式,同時根據(jù)現(xiàn)場積累的操作數(shù)據(jù),開發(fā)了適合各生產(chǎn)工序的最佳加熱和冷卻技術(shù)。
二、加熱技術(shù)n D R
  在鋼鐵生產(chǎn)工藝中應(yīng)用了許多適合各工序的加熱技術(shù),但從能量消耗量的大小或嚴(yán)格控制溫度的必要性來看,熱軋工序和連續(xù)退火及浸鍍工序的加熱技術(shù)的發(fā)展值得一提。
  在熱軋工序中,板坯在加熱爐中的放射加熱、薄板坯連接用的感應(yīng)加熱或激光加熱已應(yīng)用于實際。在冷軋鋼板的連續(xù)退火和浸鍍工序中,應(yīng)用了許多加熱技術(shù),如采用輻射管的放射加熱或使用還原性火焰的對流加熱、利用從廢氣中回收的高溫氣體進(jìn)行對流加熱和在爐內(nèi)及爐外對鋼板進(jìn)行感應(yīng)加熱等。加熱能力的大小取決于表面對流或放射產(chǎn)生的熱流束的大小。
雖然感應(yīng)加熱或激光加熱是一種局部加熱,但它們能在非常大的熱流束 (106~107W/m2)下進(jìn)行加熱。板坯加熱爐的噴嘴火焰產(chǎn)生的放射加熱熱流束可達(dá)1~4×105W/m2,連續(xù)退火爐的還原火焰產(chǎn)生的放射及對流加熱熱流束可達(dá)1~3×105W/m2,連續(xù)退火爐的輻射管產(chǎn)生的放射加熱熱流束可達(dá)1~5×104W/m2,氣體射流產(chǎn)生的對流加熱熱流束可達(dá)1~2× 104W/m2。
  在鋼鐵生產(chǎn)工序中,雖然熱流束的覆蓋范圍廣,但應(yīng)從冶金學(xué)上所要求的加熱速度的大小、溫度的均勻性、加熱氣氛條件(氧化及還原)、設(shè)備及燃料的經(jīng)濟性和設(shè)備的維護(hù)性等各方面綜合考慮后再選擇適宜的加熱方法。以下就鋼鐵生產(chǎn)工藝中的加熱技術(shù),尤其是近年來引人關(guān)注的加熱技術(shù)進(jìn)行介紹。
1、節(jié)能加熱技術(shù) C p)y ~ P n6` _
  作為鋼鐵生產(chǎn)工藝中的加熱源,主要使用高爐、焦?fàn)t等產(chǎn)生的副產(chǎn)氣體。為實現(xiàn)節(jié)能,重要的是要減少廢氣損失,即盡可能地回收廢氣的熱能,循環(huán)利用于生產(chǎn)工序中。為此,開發(fā)了蓄熱式燒嘴系統(tǒng),應(yīng)用于板坯加熱爐或冷軋鋼板的連續(xù)退火爐等許多設(shè)備。板坯加熱爐的蓄熱式燒嘴系統(tǒng)由一對交叉燃燒式燒嘴構(gòu)成,每個燒嘴中裝有由陶瓷球或陶瓷蜂窩構(gòu)成的蓄熱體,利用切換閥使空氣和燃燒氣體交叉流入蓄熱體中,由此可通過空氣回收儲存于蓄熱體中的燃燒氣體的顯熱,作為高溫預(yù)熱空氣進(jìn)行燃燒。,h¬k d,c ~S g ]0y
  閥的切換時間以大約30秒為間隔進(jìn)行循環(huán),對于1300℃的爐溫,平均循環(huán)一次就能將空氣預(yù)熱到1100℃。另一方面,廢氣溫度的下降僅大約250℃,可將廢氣熱損失降到最低。大型連續(xù)式板坯加熱爐或連續(xù)退火爐的輻射管燒嘴應(yīng)用蓄熱式燒嘴系統(tǒng)后取得了大幅度節(jié)能的效果,節(jié)能效果比以往普通燒嘴提高20%~25%。納米科技世界論壇, Nanoscience and
2、低污染加熱技術(shù)、*od-j0w$C Li
  為提高爐子的加熱能力,有效的辦法是提高火焰溫度,但提高火焰溫度會出現(xiàn)NOx增大的問題。尤其是采用蓄熱式燒嘴時,空氣被預(yù)熱到非常高的溫度后會出現(xiàn)高溫燃燒,NOx呈指數(shù)形式增大成為一個課題。為解決這一課題,研究了采用高溫低氧濃度燃燒技術(shù)來提高熱效率和減少NOx發(fā)生量的技術(shù)。
  根據(jù)以往的燃燒概念可知,當(dāng)空氣中的氧濃度下降時,火焰的穩(wěn)定性會下降,難以維持穩(wěn)定的燃燒,而且未燃排放物呈增加的趨勢。但是,如果空氣溫度超過1000℃,即使空氣中的氧濃度低于5%,也能穩(wěn)定維持燃燒。采用碳?xì)浠衔锶剂蠒r,如果氧濃度降低到2%左右,火焰會呈現(xiàn)無法觀測到的無焰氧化反應(yīng)狀態(tài),雖然火焰又長又大,但能持續(xù)穩(wěn)定燃燒。采用普通氧濃度的空氣進(jìn)行燃燒時,當(dāng)空氣預(yù)熱溫度升高時,NOx發(fā)生量會呈指數(shù)形式增大,但采用高溫低氧濃度燃燒時,NOx的增加比例與溫度的關(guān)系小,即使空氣溫度達(dá)到1150℃,當(dāng)氧濃度下降到5%時, NOx濃度也非常低(大約100ppm),此時,CO和UHC的排放也幾乎可以忽略不計。
3、冷軋鋼板的快速無氧化加熱技術(shù)
  在冷軋鋼板的連續(xù)退火工序中,有采用輻射管的放射加熱方式(下稱輻射管加熱)和采用還原火焰燒嘴的火焰噴流進(jìn)行對流加熱的方式(下稱直焰加熱)。采用輻射管加熱時,鋼帶的放射率小,另外從金屬管的耐熱使用壽命來看,使用溫度存在極限,因此存在著不能形成大的熱流束的問題。而采用直焰加熱時,它幾乎不受放射率的影響,由于火焰是高速沖撞到鋼板,由此能獲得大的熱流束。納米科技世界論壇, Nanoscience and
根據(jù)輻射管加熱和直焰加熱的加熱速度比較可知,直焰加熱的加熱速度是輻射管加熱速度的大約 4倍。直焰加熱可以使火焰具有還原性,用途很廣,為此開發(fā)了將燃料和空氣分別供給進(jìn)行燃燒的擴散燃燒式燒嘴和預(yù)先將空氣和燃料進(jìn)行充分混合后供給的預(yù)混合燃燒式燒嘴。為使火焰具有高的還原性能,從原理上來看,可以說預(yù)混合燃燒式燒嘴具有優(yōu)越性。但是,預(yù)混合燃燒存在著回火的問題,因此空氣預(yù)熱溫度難以提高,難以應(yīng)用于高溫爐。為解決這些問題,開發(fā)了高溫預(yù)熱空氣還原燒嘴。考慮到高溫預(yù)混合氣體的燃燒速度,對氣體流速進(jìn)行了設(shè)計,并對噴嘴的隔熱和冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計,以便即使在低負(fù)荷燃燒時(負(fù)荷25%),噴嘴內(nèi)也不會發(fā)生回火。由此可使預(yù)混合式的直焰加熱技術(shù)得以應(yīng)用于實際,其預(yù)熱空氣溫度可達(dá)到 400℃,爐溫可達(dá)到1350℃。當(dāng)空氣溫度在400℃時,爐效率為大約59%,與沒有空氣預(yù)熱相比,可節(jié)能大約20%,同時可大幅度縮短爐子的長度。

                     ——摘自《試驗測試信息網(wǎng)》