提升加熱爐熱效率
——降低噸鋼煤氣單耗措施淺析

(武漢鋼鐵有限公司,湖北 武漢 430083)

目前煤、天然氣等不可再生能源日趨緊張，鐵礦石價(jià)格持續(xù)上漲，環(huán)境保護(hù)迫在眉睫，另外在全球金融危機(jī)的影響下，鋼鐵行業(yè)持續(xù)低迷，鋼鐵公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)形勢(shì)日益困難，對(duì)于許多鋼鐵企業(yè)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染，正成為提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主要措施。

加熱爐是軋鋼生產(chǎn)中的主要能耗設(shè)備[1]，軋鋼加熱爐煤氣消耗占到整個(gè)工序能耗的80%左右，因此。因此，降低加熱爐噸鋼煤氣單耗是降低軋鋼工序能耗和生產(chǎn)成本的工作重點(diǎn)。

1 理論分析

1.1 加熱爐熱效率

加熱爐熱效率=出爐鋼坯加熱時(shí)吸收的有效熱量/供入爐內(nèi)的熱量之比[2]。衡量軋鋼加熱爐工作好壞的重要指標(biāo)之一是噸鋼煤氣單耗，噸鋼煤氣單耗高低主要取決于加熱爐的熱效率。加熱爐的熱效率越高表明爐子的有效利用熱量占燃料燃燒放出熱量的比重越大，熱量損失越小，加熱單位重量金屬消耗的燃料也越少。熱軋三分廠加熱爐熱效率水平僅55%左右。

1.2 加熱爐熱量收支平衡介紹

生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際測(cè)定或理論計(jì)算結(jié)果表明，一般軋鋼加熱爐爐內(nèi)熱量收支平衡如表1所示：

表1 加熱爐熱量收支平衡表 %

由表1可以看出：通過(guò)改造加熱爐節(jié)能設(shè)備，優(yōu)化加熱爐燒鋼工藝，提升加熱爐節(jié)能管理制度，細(xì)化加熱操作制度，進(jìn)一步提高板坯裝爐溫度、提高空、煤氣預(yù)熱溫度、減少燃?xì)獠煌耆紵?，降低冷卻水帶走熱量，減少爐體散熱損失，可有效提高加熱爐熱效率，降低爐子燃?xì)庀摹?/p>

2 現(xiàn)狀說(shuō)明

2.1 設(shè)備節(jié)能方面

2.1.1 水量立柱保溫絕熱耐火材料結(jié)構(gòu)組成和厚度尺寸設(shè)計(jì)不合理

三分廠1-4號(hào)加熱爐水梁立柱全部為單層低水泥高鋁澆注料澆注包扎，保溫絕熱耐火材料結(jié)構(gòu)組成和厚度尺寸設(shè)計(jì)不合理，耐材保溫工作層導(dǎo)熱系數(shù)較大，致使水梁立柱在相對(duì)高溫的狀態(tài)下運(yùn)行，導(dǎo)致梁內(nèi)冷卻水帶走熱量增多。

2.1.2 硅鋼爐爐體散熱損失大

根據(jù)公司總體生產(chǎn)規(guī)劃安排，2018年熱軋三分廠不生產(chǎn)高溫硅鋼，與常規(guī)1、4號(hào)加熱爐相比，2、3號(hào)高溫硅鋼爐爐膛空間較大，且南北兩側(cè)共設(shè)計(jì)預(yù)留有10個(gè)流渣渣口。在不生產(chǎn)高溫硅鋼的前提下，繼續(xù)保留該爐型設(shè)計(jì)將會(huì)造成硅鋼爐爐體散熱損失更大。

2.1.3 換熱器熱效率偏低

空氣預(yù)熱溫度只有420 ℃左右，換熱器后廢氣溫度平均為450 ℃左右，換熱效率不足60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)先進(jìn)鋼鐵企業(yè)水平。

2.2 工藝節(jié)能方面

通過(guò)到寶鋼交流學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)，三分廠普鋼出爐溫度達(dá)到1 220～1 230 ℃，板坯出爐帶走物理熱偏高，整個(gè)工序能耗中煤氣與電耗之比為82∶16，而寶鋼普鋼加熱溫度只有1 180 ℃左右，工序能耗中煤氣與電耗之比達(dá)到了60∶35的水平，在低溫軋制技術(shù)方面，與國(guó)內(nèi)先進(jìn)鋼廠水平還存在較大差距。

2.3 管理節(jié)能方面

2.3.1 再熱坯24 h入爐物理熱利用率低

由于軋線質(zhì)量異常停機(jī)、設(shè)備隱患以及廢鋼等現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，再熱坯較多，由于目前無(wú)完善流程支撐，再熱坯不能及時(shí)入爐，再熱板坯物理熱不能及時(shí)利用，反復(fù)加熱能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

2.3.2 熱裝比例和板坯入爐溫度還具備繼續(xù)深挖潛力

結(jié)合三分廠所有軋制品種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，除部分板坯由于工藝要求需扒皮造成傳擱時(shí)間較長(zhǎng)不能熱裝以外，85%以上板坯均具備熱裝條件，三分廠2017年全年300 ℃以上板坯熱裝率為52%左右。因此，提高板坯熱裝比例和熱裝入爐溫度在降低噸鋼煤氣單耗上具有較大潛力可以發(fā)揮。

2.4 操作節(jié)能方面

(1)軋線故障/停機(jī)期間故障升降溫頻繁。軋線故障時(shí)間預(yù)估控制不合理，無(wú)詳細(xì)易操作的故障升降溫制度指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作，造成故障后降溫不及時(shí)或頻繁升降溫。

(2)空燃比控制不合理，煤氣不完全燃燒損失大。

3 采取的改進(jìn)攻關(guān)措施

3.1 改造加熱爐節(jié)能設(shè)備

3.1.1 立柱雙層絕熱包扎，減少冷卻水帶走熱量

水梁立柱冷卻水帶走的熱損失通常指在加熱爐正常生產(chǎn)的工作狀態(tài)下，爐內(nèi)的熱量透過(guò)水梁立柱的耐火材料包扎層以及水梁立柱的管壁，傳遞到水梁立柱內(nèi)部的冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)不停的循環(huán)將爐內(nèi)熱量帶走形成的熱損失。正常合理的水梁立柱耐材包扎結(jié)構(gòu)應(yīng)為20 mm厚的纖維制品+50 mm厚的低水泥澆注料，此種結(jié)構(gòu)既能確保水梁立柱的安全穩(wěn)定運(yùn)行，又能降低其導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而減少水梁立柱帶走的熱量損失，理論計(jì)算節(jié)能3%左右。

三分廠原始的水梁立柱包扎結(jié)構(gòu)為70 mm厚的低水泥澆注料，由于低水泥澆注料導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于纖維制品的導(dǎo)熱系數(shù)[2]，造成水梁立柱內(nèi)循環(huán)水與爐內(nèi)熱量交換大，帶走熱損失較大，因此：通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)水梁立柱耐材包扎結(jié)構(gòu)，將原始的水梁立柱包扎結(jié)構(gòu)由70 mm厚的低水泥澆注料改為20 mm厚的纖維制品+50 mm厚的低水泥澆注料結(jié)構(gòu)，可有效降低水梁立柱內(nèi)冷卻水和爐內(nèi)熱量的熱交換系數(shù)，減少冷卻水帶走的熱量損失，見(jiàn)圖1。

圖1 水梁立柱雙層絕熱包扎改造前后示意圖

3.1.2 優(yōu)化改造2、3號(hào)硅鋼加熱爐爐底，降低爐膛空間高度

三分廠2、3號(hào)硅鋼加熱爐爐底為斜坡?tīng)顮t底，且爐底距爐頂距離較高，與常規(guī)1、4號(hào)加熱爐相比，2、3號(hào)高溫硅鋼爐爐膛空間較大，爐膛散熱損失更大。因此：基于三分廠基本無(wú)高溫硅鋼生產(chǎn)計(jì)劃的前提下，利用爐子檢修契機(jī)，組織對(duì)三分廠2、3號(hào)高溫硅鋼爐爐底進(jìn)行抬高填平改造，降低硅鋼加熱爐爐膛空間，減少爐膛散熱損失。改造前后爐底示意圖如圖2所示。

3.1.3 改造封堵2、3號(hào)硅鋼爐渣口，減少渣口散熱損失

圖2 爐底改造前后示意圖

三分廠2、3號(hào)高溫硅鋼爐在生產(chǎn)高溫硅鋼期間，高溫狀態(tài)下鋼坯融化形成的鋼水較多，因此：在原始設(shè)計(jì)時(shí)即在南北兩側(cè)各預(yù)留設(shè)計(jì)了5個(gè)流渣口，便于爐底鋼水從渣口排除，至2017年8月開(kāi)始，三分廠基本上已不再生產(chǎn)高溫硅鋼，預(yù)留的流渣口僅僅用纖維制品進(jìn)行封堵，封堵不嚴(yán)實(shí)，流渣口熱量損失嚴(yán)重，鑒于三分廠基本無(wú)高溫硅鋼生產(chǎn)計(jì)劃的前提下，三分廠利用爐子檢修契機(jī)，組織對(duì)三分廠硅鋼爐渣口進(jìn)行改造封堵，降低渣口散熱損失。改造前后渣口示意圖如圖3所示。

圖3 渣口封堵改造前后示意圖

3.1.4 制定換熱器更換周期，停爐檢修期間對(duì)對(duì)換熱器進(jìn)行清灰、更換

制定換熱器更換周期，更換周期為兩年，并在每次停爐出渣檢修時(shí)對(duì)換熱器進(jìn)行清灰處理，如圖4所示，或更換主換熱器，提高熱風(fēng)溫度，提高換熱器換熱效率，使煙氣余熱回收達(dá)到最大效果。

圖4 換熱器表面清灰

3.2 優(yōu)化加熱爐燒鋼工藝

推進(jìn)開(kāi)展低溫軋制工作，優(yōu)化板坯出爐溫度工藝，降低板坯出爐溫度：

(1)與公司制作部及下工序緊密協(xié)調(diào)，積極組織推進(jìn)低溫軋制工作，優(yōu)化板坯出爐溫度，制定并完善普鋼(SPHC、P3A2等)全品種，成品規(guī)格>1.8 mm的鍍錫板，成品規(guī)格≥3.5 mm的汽車板低溫軋制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)根據(jù)低溫軋制情況重新優(yōu)化各品種低溫軋制時(shí)加熱爐各段熱負(fù)荷分配，優(yōu)化各段燒嘴匹配，進(jìn)一步降低高溫段爐溫，提高板坯出爐低溫軋制率。

(3)自主開(kāi)發(fā)完善低溫軋制率統(tǒng)計(jì)報(bào)表，細(xì)化到每個(gè)單位的低溫軋制情況，并每天監(jiān)控完成情況，分析原因。

3.3 提升加熱爐節(jié)能管理制度

3.3.1 編制再熱坯24 h入爐管理規(guī)定流程

編制設(shè)計(jì)優(yōu)化再熱坯24 h入爐管理規(guī)定流程(見(jiàn)圖5)， 實(shí)現(xiàn)再熱坯24 h排程入爐，有效利用再熱板坯物理熱(見(jiàn)圖6)。

圖5 再熱流程

圖6 24 h內(nèi)再熱坯處置流程

3.3.2 編制熱裝工作流程及管理制度，提高板坯熱裝溫度

結(jié)合三分廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，制定“三分廠熱裝單位優(yōu)先軋制工作流程”及“熱裝優(yōu)先軋制工作流程圖”，指導(dǎo)倒班操作人員組織熱裝工作，在具備搶熱裝單位條件時(shí)就及時(shí)抓搶熱裝盡可能地提高高板坯入爐溫度和熱裝比例。

3.4 細(xì)化加熱操作制度

3.4.1 細(xì)化加熱爐故障升降溫制度

為降低軋線故障/停機(jī)期間頻繁升降溫帶來(lái)的煤氣消耗，對(duì)加熱爐故障/停機(jī)升降溫制度做如下細(xì)化要求：當(dāng)軋制線出現(xiàn)故障/停機(jī)時(shí)(≥30 min),作業(yè)長(zhǎng)對(duì)故障/停機(jī)時(shí)間進(jìn)行預(yù)判，并第一時(shí)間通知加熱操作臺(tái)，加熱操作人員收到通知后，按如下要求進(jìn)行操作：

(1)步進(jìn)梁后退兩個(gè)周期，確保爐內(nèi)板坯停留位置距激光接通位置有兩個(gè)周期的距離；

(2)適當(dāng)?shù)奶岣郀t壓(爐壓設(shè)定值提高2 Pa)；

(3)降低高溫段空燃比控制(均熱、二加段空氣過(guò)剩系數(shù)設(shè)定下調(diào)0.05)；

(4)進(jìn)行燒嘴間拔和位置更換；

(5)各段升降溫要求如表2～表4所示：

表2 低溫HiB，中/高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼故障/停機(jī)后降溫制度

表3 低牌號(hào)無(wú)取向硅鋼、普碳鋼、汽車板、鍍錫板故障/停機(jī)后降溫制度

表4 低溫HiB，中/高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼故障/停機(jī)后升溫制度

(1)故障/停機(jī)升溫溫度達(dá)到工藝要求溫度后必須爐內(nèi)待溫10 min以上，板坯才能抽出送軋線軋制。

(2)爐門口第一塊鋼抽出后進(jìn)行再熱。

3.4.2 細(xì)化加熱爐空燃比控制工藝制度

細(xì)化空燃比控制工藝，降低空燃比控制系數(shù)，全爐爐內(nèi)空燃比系數(shù)由原來(lái)的1.3降至1.1左右(見(jiàn)表5)，實(shí)現(xiàn)煤氣完全燃燒，減少煙氣帶走廢氣熱量，理論計(jì)算節(jié)能1%左右。

通過(guò)采取上述攻關(guān)措施后，降低三分廠噸鋼煤氣單耗攻關(guān)一定的成效效。2018年1—10月噸鋼煤氣單耗累計(jì)值為1.095 1 GJ/t，在2017年全年基礎(chǔ)上降低煤氣單耗0.078 7 GJ/t，噸鋼降低噸鋼成本3.934 8元/t。趨勢(shì)圖如圖7所示：

表5 空燃比細(xì)化前后對(duì)比

圖7 2018年1—10月三分廠噸鋼煤氣趨勢(shì)圖

4 結(jié) 論

本文主要以“加熱爐熱平衡表”為理論指導(dǎo)依據(jù)。主要圍繞設(shè)備改造節(jié)能、工藝節(jié)能、管理節(jié)能以及操作節(jié)能等方面開(kāi)展工作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加熱爐使用維護(hù)中存在的問(wèn)題進(jìn)行改造優(yōu)化，總結(jié)如下：

(1)通過(guò)對(duì)立柱進(jìn)行雙層絕熱包扎，減少冷卻水帶走熱量；

(2)優(yōu)化改造2、3號(hào)硅鋼加熱爐爐底，降低爐膛空間高度，改造封堵2、3號(hào)硅鋼爐渣口，減少爐體散熱損失；

(3)制定換熱器更換周期，停爐檢修期間對(duì)換熱器進(jìn)行清灰、更換，提高換熱器換熱效率，提升空氣預(yù)熱溫度；

(4)推進(jìn)開(kāi)展低溫軋制工作，優(yōu)化板坯出爐溫度工藝，降低板坯出爐溫度；

(5)編制再熱坯24 h入爐管理規(guī)定流程及熱裝工作流程及管理制度有效提高板坯帶入物理熱；

(6)細(xì)化加熱爐故障升降溫制度，減少頻繁升降溫造成的煤氣浪費(fèi)；

(7)細(xì)化加熱爐空燃比控制工藝制度，確保煤氣充分完全燃燒。