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国内外加热炉和热处理炉的现状和节能技术

发布时间：2012-09-26 浏览次数：681

作者：戎宗义
（北京钢铁设计研究总院工业炉室）

　　0　摘要
　　综述了热轧步进梁式炉、薄板坯连铸与连轧之间的加热设备、辊底式炉、连续作业线中的热处理炉和强对流全氢罩式退火炉的现状和节能技术；介绍了蓄热式烧嘴和计算机在轧钢加热炉上的应用。
　　自第1次石油冲击以来，轧钢加热炉和热处理炉的炉型改变、设备改造，是围绕着提高产品质量、节能、环保、自动化操作进行的。80年代前期，高温无缺陷连铸坯的生产技术和管理系统开发成功，连铸坯热态装炉的热装轧制(HCR)已成为现实。以后直接热装轧制(DHCR)和直接轧制(DR或CC2HDR)先后实现了大幅度节能。例如，冷坯方式加热炉的单耗为1170kJ/kg，HCR方式300～400℃装炉时为960kJ/kg，800～900℃装炉时为335kJ/kg。随着连铸2轧钢工艺的发展，推进了加热炉的进步。80年代后期，薄板坯连铸连轧工艺的产生，也出现了一些新炉型或新结构。
　　热处理炉方面，其技术内容集中在3E热处理(Efficiency，Environment，Energy)，即追求高效率、保护环境、低能耗的热处理设备。
　　1　热轧步进梁式炉的现状和节能技术
　　1967年第1座步进梁式加热炉投产。步进梁式炉比推钢炉具有许多优点，因而成为新建轧钢厂的首选炉型。热轧宽带钢厂的规模正向大型化发展，步进梁式炉的特点之一是炉长不受推钢长度限制，因而能适应轧机的小时产量增长的形势。北京钢铁设计研究总院近20年设计投产的40余座步进炉，已遍及热连轧、型钢、棒线材、带钢、无缝管、开坯、锻压等钢厂以及钢带厂，1994年相继投产的太钢、梅山热连轧厂的步进梁式炉，额定产量分别为180t/h和280t/h，重庆钢铁设计研究院为攀钢1450热连轧厂设计的步进梁式炉，额定产量为150t/h，也在1992年投产。步进梁式炉在提高坯料加热质量、减少温度差方面的措施有：(1)下加热由初期的侧面供热改成端部供热；(2)均热段和加热段纵向支承梁在炉宽方向错开一段距离以减少水管黑印；(3)增大纵向支承梁上垫块(或骑卡件)高度以减少水管对坯料的遮蔽作用，减少垫块宽度以减少水管对坯料的冷却作用，从而减少水管黑印。金属陶瓷垫块已开始应用；(4)步进梁对坯料实现轻抬轻放；(5)细长的方坯侧出料时，配置带4～5挑杆的托出机，在激光装置监视下将方坯托到悬臂辊上。
　　节能设备上的主要措施：(1)钢坯热装及直接轧制。(2)提高换热器的温度效率，同时保持换热器前烟气热量和空气煤气预热后的显热。例如：和歌山热轧厂新1、2号步进梁式炉空气预热到630℃，温度效率达78%；日本钢管福山第二热轧厂空气预热到630℃，温度效率达87%；神户制钢加古川厚板厂空气换热器温度效率达90%，同时预热煤气。(3)加强炉膛的严密性。例如：炉体向装料辊道方向延长，步进梁全在炉内，炉门和炉门框间有倾斜的金属接触面，密闭性大为提高。又如步进梁立柱穿过炉底处的开孔内侧设置遮热盖板，以减少辐射热损失与改善炉压控制，日本钢管福山第二大型厂在设置前后的辐射热损失由67.49kJ/kg降到45.1kJ/kg。(4)除炉底、直接受喷出火焰影响的烧嘴前立柱管外其余各段的炉顶、侧墙、炉底管以及炉顶烧嘴通道都采用陶瓷纤维制品。(5)适当延长预热段长度或在炉尾设置以陶瓷纤维为内衬的热回收段(梅山的步进炉)，利用烟气热量预热入炉坯料。(6)提高辐射和对流传热能力:炉衬内表面涂辐射率大的涂料，低温段采用喷流加热或设传热转换体。(7)热工控制合理分段，各段由微机控制以保证坯料加热质量、节能和操作的灵活性。(8)采用汽化冷却代替水冷却。
　　连铸坯热装轧制(HCR)时加热炉上需要考虑：(1)有可能加热冷坯。步进炉可以根据生产需要控制坯料在炉内的间距、可以出空炉底上的坯料，为了使热坯和冷坯在炉内以不同速度运行，把步进炉底或步进梁沿炉长分成2～3段：既可分别动作，又可同时动作。周期时间在30s和45s间切换。(2)加热炉的装料节奏和轧制节奏不匹配时要求加热炉仍能正常操作，为此炉子上要有一段炉长作缓冲用(例如某炉有7m长的缓冲区，放7块板坯)同时配置行程长、平移速度快的装料机(例如行程3420mm，速度750mm/s)，托出机要求的速度更高。(3)热坯表面较软，运送中不能出现缺陷。(4)供热能力的调节范围扩大，但要求火焰长度变化不大。例如燃料流量降到额定流量的10%时仍可稳定燃烧。(5)采用低惰性的陶瓷纤维制品作炉衬，以期加快升温降温速度并能及时调整各段温度。武钢从1985年正式实现HDR工艺以来热送量、热装率、热装温度逐年提高，宝钢1995年已取得平均热装温度550℃的好成绩。
　　直接热装轧制(DHCR)时连铸坯生产的序列和装入加热炉的序列相同，经济效益更好，炉子燃料用量和烟气量只有冷坯的三分之一左右。此外，产品组成将由原先的少品种大批量转向多品种小批量生产。
　　直接轧制(CC2HDR)是指连铸坯在中心温度～1150℃的条件下不经过加热炉，在输送过程中通过边部加热保证坯料有足够高的温度进行直接轧制。新日铁土界厂的直接轧制称“近距离CC2HDR”、连铸机端部到立式除鳞机VBS的距离是130m，用辊道输送热坯；新日铁八幡厂1987年投产的则称“远距离CC2HDR”，距离是580m，采用高速保温车输送热坯(长15.7m×宽6.5m×高3.8m，重128t，Z大速度275m/min)。日本钢管福山厂的铸坯加热设备的主要规格：长32m，生产能力250t/h，坯料规格220mm×700～1650mm×5900～14500mm，燃料是焦炉煤气，配136个烧嘴，每个能力233kW。输送速度0.4～60m/min(一般2.6m/min)。这类加热设备实际上就是辊底式炉。
　　2　薄板坯连铸与连轧之间的加热设备
　　连铸与连轧之间采用的加热设备，除了将连铸坯升温和均温到轧制温度外，另一作用是待轧时或事故时储存3～4块连铸坯，确保连铸机连续运行。
　　为了适应两台连铸机两流板坯向同一轧机输送的要求，粗轧机前与两流连铸机对应的两座辊底炉之间要设置过渡段，目前有水平横移式和旋转摆动式。过渡段的结构与常规炉子不同：既需要在电动机驱动下运动，运动完毕后要求定位准确，还需要锁定。运动前后要保持密封，各种能源介质管道和排烟管的连接不能受影响。粗轧和精轧之间CSP线设辊底炉或保温罩，ISP线设置有5个带卷位置的卷取和储存用炉。
　　3　热处理炉的发展与节能
　　国外热处理炉的发展趋势：(1)以电能为热源的炉子增多，油和煤气为热源的热处理炉比例逐渐减少。(2)对产品表面质量的要求更为严格，可控气氛热处理炉仍占重要地位。(3)炉衬趋向使用轻质材料，在电阻炉上应用非金属炉用耐热构件和发热元件的比例逐渐增加。(4)微机和可编程序控制器的发展加速了热处理自动化，并有与其它工序组成全自动热处理线的趋势。
　　1986年9月冶金部特钢热处理协调组对15个重点特钢厂的热处理炉进行过调查：台车式炉214台，罩式炉405台，井式炉53台，辊底式炉23台，连续式炉49台，其它炉型43台，可控气氛热处理炉占的比例不多。近10多年来由于从国外引进了许多可控气氛热处理炉，如：带钢连续式光亮退火生产线、气垫式铝材退火生产线、多用炉联合机组、连续渗碳炉、辊底式炉、网带式炉、罩式炉等等。
　　3.1辊底式热处理炉
　　轧钢厂中辊底式热处理炉的用途很广，既可用于棒线材、管材，也可用于板材。国内多数是明火加热，现代化轧钢厂生产的成品在热处理过程中不允许氧化和脱碳，必须在可控气氛下进行，采用辐射管间接加热或电加热。1986年以后北京钢铁设计研究总院设计投产的辊底式炉有15台，80年代后期大连钢厂引进的总长约98m的电热辊底式炉，内宽2000mm，用于高速钢和轴承钢棒材的退火，用净化氮作可控气氛，露点≤-40℃，Z高温度950℃，产量2000kg/h。国外有1台组成相同的盘卷均匀化及光亮退火辊底式炉，炉子总长95m，炉膛截面1.7m×2.2m，2t重的盘卷放在托盘上通过炉子，出炉卸料后，这些托盘又回到入口处。炉顶装有17个再循环风机。垂直安装的辐射管以通2断控制，加热段分14个控制区，Z高退火温度850℃。在冷却段，可控气氛被抽出，送入外冷却器，然后喷吹到盘卷上。
　　这类炉子的特点：(1)真空锁气室。炉料进入后，抽真空到50～100Pa，再引入可控气氛，将压力提高到约100kPa，将出口门打开，炉料送到加热段。减少了炉气和热能的消耗，缩短了净化时间。(2)托盘返回的连续式炉，将托盘的导轨设计成上下两层，上层作为加热，下层作为返回。
　　3.2冷轧宽带钢连续退火作业线
　　1972年10月新日铁君津厂的连续退火精整加工线（CAPL）投产，可处理的Z大钢卷重45t，生产品种为CQ板、DQ板、DDQ板，带厚0.4～2mm,带宽750～1240mm。
　　带钢通过炉子的Z高线速度为250m/min，入口与出口段的Z高线速度330m/min，炉子的Z大加热能力128t/h，用含2%H2的N2基可控气氛喷吹冷却。炉子长度137m,作业线全长294m。这是世界上条连续退火作业线。1971年和1976年日本钢管在福山厂投产了两条连续退火作业线，称为CAL法。川崎制铁千叶厂1980年建成多功能KM2CAL作业线。处理的Z大钢卷重21t，生产品种除前面所提到的外，还有硬镀锡原板和软镀锡原板、电工钢板、双相钢板等。连续退火作业线，1990年世界上已投产32套，每年处理带钢超过2000万t；到1995年底世界上已建和正在建设的连续退火作业线约54条，每年处理的带钢已超过3300万t，其中80年代末以后建设的连续退火作业线，年产量90万t以上的有10余条。上海宝钢引进了新日铁的CAPL技术，于1988年投产了一条连续退火作业线，可处理的Z大钢卷重45t，生产品种为CQ板（带厚0.5～2.0mm），DQ板、DDQ板（带厚0.5～1.6mm），带宽900～1550mm。带钢通过炉子的Z高线速度为250m/min，入口与出口段的Z高线速度320m/min，炉子的Z大加热能力120t/h，平均89t/h，用含5%H2的N2基可控气氛喷吹冷却。
　　3.3连续热镀锌作业线
　　70年代武钢冷轧厂引进的连续热镀锌作业线，原料是冷轧低碳钢带，机组头尾Z大速度180m/min，炉子段Z大速度150m/min，带钢厚度0.25～2.5mm，宽度700～1530mm，入口带卷Z大为45t，出口卷重15t。
　　镀层厚度150～600g/m²，还可以处理酸洗后的热轧带钢。作业线年产量15万t，其中80%产品在850℃退火，30%在920℃退火，20%在710℃退火，炉子能力分别为28.5/23/34.5t/h。用含20%～30%H2的N2基可控气氛，消耗量约300m³/h。卧式炉内宽1880mm,总长146200mm，包括无氧化预热炉（有的称MOF，即微氧化炉）长度20175mm、还原炉长度62000mm，空气冷却2电加热补偿段长度60300mm；炉子区设备宽度为8m，设备高度约9.6m，以混合煤气为燃料，总耗量10000m³/h，无氧化预热炉的作用是除去轧制乳化剂，并使带钢表面微弱氧化，同时把带钢预热到550℃，炉温为1150～1250℃。带钢在还原炉退火，将钢表面氧化层还原成纯铁层为镀锌作准备。还原炉以辐射管加热。冷却补偿段内带钢温度冷却到镀前温度460℃，配置98根风冷管；燃料单耗是1610～2200kJ/kg。
　　日本在这类卧式炉上采用了如下节能措施：
　　（1）带钢进入无氧化预热炉前先进入对流型废气预热段（ConvectiontypeWaste2gasPreheatingsec2tion）。再进入后燃段（AfterBuringsection）和辐射型废气预热段（RWP）;无氧化预热炉出来的烟气以相反方向流动并在后燃段完全燃烧，再经过1台换热器后排放，预热后的空气分别送往后燃段和预热炉助燃。（2）加强入口的密封。（3）改进炉压控制和空燃比控制。（4）尽量减少水冷辊数量。（5）炉衬轻量化。（6）采用高动量烧嘴。（7）辐射管上采用高性能烧嘴、配置换热器、单耗Z低可降到585kJ/kg。
　　新日铁君津厂3号镀锌线首次使用立式炉。立式炉的优点：（1）节省了大量空间。（2）减少了炉辊用量和消耗。（3）提高了锌层粘着力。（4）改善钢带平整度和表面质量。（5）可控气氛中H2含量可降低到原先的30%,带钢对炉气的搅拌作用使炉气成分均一，有效促进了还原反应。（6）能耗降低15%。缺点是炉内检修困难，断带处理费事。德国克虏伯•赫施钢铁公司博切姆厂1992年5月投产的热镀锌线，总长度280m，带钢厚度0.5～2.0mm，宽度800～1600mm，炉子段Z大速度200m/min，750℃时Z大能力为90t/h。该立式退火炉的特点是：加热段和冷却段之间设有带钢张力松弛段；采用喷气快速冷却系统；快速冷却段后面设立过时效段；采用精密的气刀系统和3辊式带钢运行稳定系统，能沿带钢宽度范围内生产出镀层厚度5μm的锌层；气刀后面是镀层厚度测量系统。
　　近年来，普通热镀锌线还用于锌铝合金镀层（其中约含50%铝的称为Galfan，约含55%铝的称Galvalume）和锌2铁合金。后者在热镀后立即进行在线再退火，称热镀退火工艺。
　　3.4不锈带钢连续热处理作业线
　　不锈带钢连续退火酸洗线使用辊底式牵引炉和悬索式炉；由太钢引进的悬索式炉没有炉内辊，带钢在炉内呈悬垂状态通过炉子，进料和出料门外侧各有石棉辊支托带钢，日新制钢周南厂生产SUS300、400系列的不锈带钢，厚度3～9mm，宽度510～1300mm，炉内宽1760mm，在悬索式炉上的节能措施：（1）将原先各长13m的3个炉段联成整体，增加了预热段并调整各段比例，有效炉长由39000mm增加到42750mm。（2）由4个排气口改成烟气集中在预热段末排除，增设换热器以预热助燃空气。（3）炉外辊成为炉内辊后，辊子用陶瓷纤维制作，炉辊下方设水冷挡板保护，挡板上敷设陶瓷纤维。炉子热效率由41.5%提高到59.1%。近年来带钢运行速度从80m/s以下发展到≥100m/s；要求带钢表面不能有缺陷，冷却时不能氧化；要适应多品种小批量生产等等。1992年10月，日本金属工业衣浦制造工厂投产的2号连续退火酸洗线，生产SUS200、300、400、600系列的不锈带钢，带钢厚度0.2～2.0mm，宽度600～1300mm，机组头尾速度5～150m/min，炉子段速度5～100m/min，带卷Z大为30t。为了防止炉辊带来的表面缺陷，退火炉的冷却段和盐槽都采用了气垫技术。
　　3.5不锈带钢光亮退火作业线
　　光亮退火炉以立式炉为主，即带钢在一个垂直行程中完成加热和冷却过程；在此过程中带钢不与炉辊接触因而避免了表面划。为了得到光亮表面，必须采用纯度高的氢或分解氨气氛（含氧量≤5×10^-6，露点≤-50～-70℃）；现代立式炉可以处理带钢厚度0.05～3.0mm，宽度1550mm，机组头尾速度5～100m/min，炉子段速度5～70m/min。带卷Z大为28t。北京钢铁设计研究总院工业炉试验室1985年完成了一套立式炉的试验机组，1987年通过冶金部技术鉴定。处理带钢厚度0.05～0.5mm，带钢宽度≤80mm，运行速度0.5～5.0m/min。为长城钢厂设计的厚度0.1～1.0mm，宽度515mm的立式炉也早已建成。
　　3.6强对流全氢罩式退火炉
　　近年来从国外引进了许多强对流全氢罩式退火炉，如本钢、鞍钢、攀钢、海南鹏达公司从LOI公司引进的HPH型罩式炉已有48个外罩、92个炉台。而大连钢厂、鞍钢、上海益昌薄板公司从Ebner公司引进的Hicon/H2型罩式炉约40座。强对流全氢罩式退火炉的特点：（1）使用100%的氢和炉台上使用强对流循环通风机，防止带钢表面变色、脱碳和渗氮。（2）采用真空排气装置，缩短了放散时间并降低了残留氧的浓度。（3）炉台风机有2～3种速度，冷态启动用低速，100～150℃用中速，150～700℃用高速，700～750℃用中速，≥750℃用低速，可以减少电耗。（4）强制冷却罩，用水2空气冷却或仅用空气冷却。（5）采用计算机控制系统。
　　目前LOI公司和Ebner公司都已建立了全氢罩式炉的定型系列尺寸，料垛外径≤4000mm，料垛高度≤5200mm，料垛重量≤180t。热耗≤550～630kJ/kg，耗氢量≤1.5～3.0m3/t，电耗≤5.5～6.0kWh/t。炉台通风机的额定能力已由55000m³/h提高到90000m³/h。长城特钢在90年代初引进了法国强对流罩式退火炉，以净化氮加2%～5%H2为可控气氛，用于热轧和冷轧盘卷的光亮退火。线径5～22mm，盘卷外径1300mm，高250mm。料垛外径4000mm，高3900mm，总装入量约30t。燃料是天然气，用双层内罩。炉台风机的风量100000m³/h。大连钢厂引进了Ebner技术的强对流电热罩式退火炉，以净化氮加丙烷为可控气氛，用于热轧盘卷的光亮退火。线径8～26mm，盘卷外径1200mm。料垛外径3800mm，高2300mm，总装入量约30t。用双层内罩，炉台风机的转速1000－750－500r/min，功率70－35－16kW。这两座炉子在国内都是首例。
　　4　蓄热式烧嘴
　　蓄热式烧嘴是80年代初英国的HotWork公司和英国煤气公司合作开发的，称为RCB型烧嘴（Regenerative Ceramicurner）。1996年10月已有约1000套烧嘴在使用，1984年Avesta Sheffild公用于不锈带钢退火炉加热段的一侧炉墙上，装了9对，单耗为1.05GJ/t。虽然是单侧供热，带钢温度差是±5℃。1988年RotherhamEngineering　Steels公司在产量175t/h的大方坯步进梁式炉上装了32对RCB烧嘴，600℃热装时单耗0.7GJ/t,炉内温度差±3℃。其缺点是NOX值高达500×10^-6。日本中外炉公司1993年引进此项技术后，将蓄热器和烧嘴组成一体并采用两阶段燃烧以期降低NOX值。上述型式的烧嘴其原理与炼钢平炉相同，需要成对安装与交替使用；也需要换向设备（切换阀和控制阀以及定时器），即每隔20～30s切换一次。另一家炉子公司开发了RRX型（Rotary Regenerative Combustion System，即回转蓄热式燃烧法）烧嘴，烧嘴本身配置高效率热交换器，可以连续燃烧。蓄热式热交换器有蓄热体固定式和蓄热体运动式两大类，前者是烟气和空气（煤气）交替流过静止不动的蓄热体，如RCB型、FDI型；后者是烟气和空气的流动状态都固定不变蓄热体在其间转动或移动，如RRX型。北科大和常熟市喷嘴厂合作在室式锻造炉上使用重油蓄热式烧嘴已获得成功。1.3m²的炉子装了一对蓄热式烧嘴，冷炉升温到1200℃需20～25min，烟气温度1100～1200℃，排烟温度100～150℃，空气预热温度～1000℃，金属加热热效率42.06%。从冷炉点火至1250℃每吨锻件单耗88.4kg油，而一般锻造炉是350～450kg/t。
　　天津机械部五院开发的烧嘴以氧化铝陶瓷体为蓄热介质，也是成对使用，这两种烧嘴都已取得国家专利。北岛公司的侯长连等开发的蓄热式燃烧系统，在管路上串接五通切换阀，可以实现空气煤气同时预热。该系统已在包头、韶关、抚顺等地的加热炉上应用，也取得了国家专利。
　　5　计算机在轧钢加热炉上的应用
　　随着控制计算机的出现，产生了拟定并保持Z佳热工度的想法，既对单座炉子进行自动化控制（即所谓基础自动化），也对整条生产线进行控制（即过程自动化）。基础自动化的主要项目：（1）坯料的炉内跟踪、自动输送控制；（2）各种生产工艺操作所必须的热工参数检测；（3）各种经济核算、生产技术管理所必须的计量仪表；（4）燃烧控制；（5）烟气残氧控制；（6）炉膛压力控制；（7）生产过程的各种顺序控制。过程自动化的主要项目（1）过程监控、数据采集、报表打印等；（2）满足生产操作要求的工艺控制数学模型；（3）钢坯温度预报、加热节奏和调度控制等；（4）与车间生产管理系统通信和联网。对整条生产线进行控制（即所谓过程自动化）时，步进式加热炉的过程控制计算机从上位计算机接受各项坯料的信息并对炉子的电控系统和仪表控制系统发送各种指令。其功能包括坯料炉内跟踪、坯料运行控制、燃烧过程控制、操作监控和收集生产实况记录等。从装料开始到出料止的坯料运行过程由过程控制计算机控制。坯料跟踪功能中要重点防止不合格坯料的混入。燃烧过程控制已经几乎完全自动化；操作管理和质量管理方面，由过程计算机收集各项实际数据，和上位计算机的综合技术管理系统联系起来；目前加热炉的Z佳控制还处在发展阶段，实践中有许多问题需要进一步研究解决。

来源：《特殊钢》 1999年05期