环形炉分区加热技术的应用与研究

环形炉分区加热技术的应用与研究
发表时间：2020-07-14T08:49:47.115Z 来源：《防护工程》2020年8期作者：祝昌涛任青立
[导读] 加热速度由改造前的6min/cm,到改造后的5.1min/cm,各区分界明显减少了各区的相互影响。

烟台鲁宝钢管有限责任公司 264001
关键词：环形炉；分区；加热；应用与研究
一．概述
公司热轧无缝钢管生产线，所配套的管坯加热炉为D0=16M的环形加热炉，其尺寸及技术性能见下表：
D0=16M环形加热炉
环形加热炉是由可转动的炉底部分和固定环形炉墙部分以及炉顶组成，炉墙分内环墙和外环墙，每侧墙上均布有烧嘴，共有25只，炉膛沿全长分：预热段、加热段、均热段，圆管坯由外环墙装料口送入，借助炉底转动，使放置在炉底上的管坯（加热完成后），送到出料口，管坯与炉气呈逆流加热，这样加热段的炉气经预热段时，物理热被充分利用，使高温炉气有所降低，以提高燃料的使用效率，最后，管坯由出料机完成出料，再进行钢管轧制。

近几年来，随着公司扩径轧管技术改造的深入，所要加热的钢坯也由ф130×3000加大到
ф180×3000，这给环形炉的加热提出更高的要求。

因此，在实行环形炉分区加热改造前，环形炉在管坯加热上存在的问题有：①环形炉作业率偏低，表现在每班都有提温时间，停机待轧的时间较多。

②管坯的内外温差大，影响了钢管的成材率。

③在强化加热的情况下，排烟温度较高，尽管能提高生产率，但降低了环形炉的热效率，造成生产成本的提高。

鉴此，我们考虑用环形炉分区加热的方法，即将环形炉的加热段适当延长，预热段适当缩短，利用钢坯在低温下吸热能力大的特点，使环行炉加热段处于较高且相对恒定炉温（1350℃），实现快速加热，缩短加热时间，同时减少加热段向预热段的热辐射，降低出炉温度，达到同时提高炉子的热效率和生产率的目的。

二、环行炉分区加热的必要性和可行性
1.分区加热的必要性：
由于轧机生产能力的不断提高，对环行炉的生产能力提出更高的要求，环行炉为适应这种在能力上不断增加的要求，其本身必然要加大热负荷，作强化运行。

这样必然造成数量更大、温度更高的废气排出，而不可避免地给余热回收造成更大的压力，也会使余热回收的费用大大增加。

如果强化炉膛内热交换过程，不但能有效地提高环行炉的生产能力，而且能降低排烟温度，节约能源，反过来减低供热强度，烟气量也会相应减少，同时也减轻了余热回收的压力。

2.分区加热的可行性
a.强化环形炉膛内热交换：
环形炉高温火焰（炉气）经过炉膛时，被加热的钢坯表面同时接受了火焰（炉气）的对流及辐射传热（以辐射为主占85%以上），每小时得到的热量为：
可见，提高炉气平均流速可以达到提高对流换热系数的目的，当然也会增加摩擦系数值，但采用炉顶压下适当高度时，有利于炉气充满炉膛，有利于高温炉气直接冲刷钢坯，以提高对流换热量。

d.炉气（火焰）对钢坯表面传热的间接强化：
在环行炉膛热交换过程中，炉膛内壁（炉墙等）起中间传热的作用，炉内火焰以辐射和对流的方式将热量传给炉墙内壁。

其中除少量散失外，绝大部分又以辐射和对流的方式传给炉膛和被加热钢坯表面上，也就是说被加热钢坯间接的接受了火焰的热量，炉气传给炉膛的热量愈多，钢坯间接的接受的热量也愈多。

因此，采用压下炉顶分区加热的方法，可使炉膛内壁表面积的增加，是提高环行炉火焰（炉气）对内壁表面传热的最有效方法，也就间接强化了热交换，进而提高了管坯的加热速度。

总之，环形炉分区加热技术不仅是必要的，而且是可行的可以达到提高环形炉生产率并起到节能降耗的目的。

3.加热速度的确定：
由比欧准数Bi=αS/λ; 式中，
α—给热系数，Kcal/m2.h.℃
S—钢坯的计算厚度，m
λ—钢的导热系数，Kcal/m.h.℃
以计算直径Ф180mm的20#钢考虑，当加热段炉温1350℃，钢坯进入加热区开始表面温度800℃，最终表面温度1280℃，其他热物性参数查有关《工业炉设计手册》，可以确定在上述条件下，因为加热区的延长，及炉温的提高，导致平均射线长度的加长，以及炉壁对钢坯的角度系数减小，使导来辐射系数可达3.3 Kcal/m2.h.K4，因此热交换十分强烈。

利用：α终= C导[（T气/100）4—（T钢/100）4]/（t气-- t钢）
=3.3{[（1350+273）/100]4—[（1280+273）/100]4}/（1350--1280）
=528.85
α始= C导[（T气/100）4—（T钢/100）4]/（t气-- t钢）
=3.3{[（1350+273）/100]4—[（800+273）/100]4}/（1350--800）
=336.78
平均值（α始+α终）/2=432.82
导热系数平均值λ=（22.3+26.2）/2=24.25
因此比欧准数：Bi=αR/λ=432.82×0.09/24.25=1.61，因此属于厚料加热。

其中钢坯经过预热段后，在加热区基本处于恒温快速加热，在均热区减少较大的温差（使Δt≤50℃），其总的加热时间利用
τ=μMKδ3/2进行如下估算：
式中δ-钢坯的加热厚度（米），d=0.18
K-材料系数，K=12.5
M-置放系数, M=1.4
μ-尺寸系数,/δ=3/0.18=16.67，μ=1
τ=1×1.4×12.5×(0.18)3/2=1.33h (和81min)
因此，加热段的加热速度为；81/18=4.5分钟/厘米；具备快速加热的能力。

其中，利用均热度公式：aτ/R2=0.6,导温系数a=λ/Cpγ=0.02m3/h,当计算半径R=0.18/2=0.09m，均热时间τ=0.6 R2/a=0.243h=14.6min。

三、方案的设计
根据生产实际我们将加热区沿炉尾方向延长11.6m，并增设安装了7个烧嘴，其中，外环增加4个，内环增加3个。

在加热工艺上，因加热段炉气温度提高到1330~1350℃，在提高加热速度的同时，增加了钢坯内、表温差，为消除过大的温差；在操作上相应地将均热段延长了5.8 m，当加热ф180×3000钢坯时，以布料角2.41计，环炉中径以8000mm考虑，在此长度内可布料5800/2.41×0.01745×8000 = 17支，以轧制节奏2支/分钟计，钢坯在均热段多停留8.5分钟,可以起到减少钢坯温差的作用。

而要实现分区加热，有两种方式，一种是在各段交接处采用隔墙结构，另一种是在各段交接处采用炉顶局部压下结构，本次改造，我们在均热段出料口和预热段入料口采用无水冷隔墙结构，在加热段与预热段交接处采用炉顶局部压下结构。

四、使用情况
改造完成、正式投入运行后，各种技术参数调整方便，易于控制，达到工艺要求的各种技术参数，生产率明显提高，加热速度由改造前的6min/cm,到改造后的5.1min/cm,各区分界明显减少了各区的相互影响。

五、结论
1. 实施分区加热后，明显提高了环形炉的生产率。

2.炉温高，控制准确，加热速度快。

3.氧化烧损明显减少。

通过以上改造后，经过一年多运行，发现环形炉排烟流畅，热风温度稳定。