步進式加熱爐異形鋼坯加熱間距研究與應用

高海軍 馮文義 李 巖

(萊鋼集團寬厚板廠，山東 萊蕪 271104)

0 前言

加熱爐作為軋鋼行業的重點耗能設備，鋼坯加熱能耗占總能耗的60% ～70%，加熱爐的節能研究具有較為重要的實際意義。目前，步進式加熱爐是最為廣泛應用的加熱爐型，具有加熱質量好、氧化燒損少、鋼溫均勻、無劃傷等優點，現有的加熱爐優化研究工作主要集中在余熱回收、汽化冷卻、燃燒技術及熱工制度方面，對鋼坯布料間距關注較少。加熱鋼坯間距的大小影響著加熱爐的生產率及熱效率，在實驗的基礎上，舒佩在測量試驗觀察基礎上提出最佳間距在0.3～0.7倍坯厚之間，范圍太寬，不利于指導生產。坯料間距較大時，鋼坯受熱面加大，吸熱性強，能夠快速加熱，熱效率較高，但此時爐內鋼坯量較少，生產率受到影響，從而使爐子總的熱效率降低，鋼坯間距較小時，爐內鋼坯數量增加，但每支鋼坯吸熱受到影響，從而影響爐子的熱效率。因此，可通過對加熱爐熱量吸收效率分析，并對其求極值的方法，來確定鋼坯的最佳間距，此方法簡單實用，便于指導步進式加熱爐爐內布料[1-4]。

1 步進式加熱爐概述

某廠軋鋼加熱爐為三段步進式加熱爐，引進法國斯坦因技術，具有較高的自動化水平，該爐長35.6m，爐寬14.4m，均熱段與加熱段高4.2m，預熱段高2.9m，產量240t/h(冷坯)，所用燃料為高焦混合煤氣，熱值為7500KJ/m3，共分為14個加熱區，28個燒嘴，空氣預熱至400℃，煤氣無預熱，加熱的坯料為異形鋼坯，共分三種規格，BB1、BB2、BB3，坯料尺寸分別為：BB1：550*440*90(mm);BB2：750*370*90(mm);BB3：1024*390*90(mm)。最大允許入爐鋼坯長度13.6m，圖1為BB1鋼坯橫截面尺寸。

圖1 B B1鋼坯尺寸圖

2 步進式加熱爐數學模型

2.1 主要假定條件

1)加熱爐內加熱狀態處于穩態，爐溫不隨時間變化，認為爐膛內介質溫度在所分區段內是均勻一致的。2)異形鋼坯橫截面幾何圖形簡化為如圖2。3)爐內每支鋼坯在同一位置受熱條件完全相同。4)忽略鋼坯間的熱交換。

圖2 異形坯在爐鋼坯間距示意圖

2.2 數學模型的建立

加熱爐中每支鋼坯單位時間的所受熱流密度qi為，

式中

σ——史提芬-波爾茲曼常量

φCG——總括熱吸收率

如圖 2，設定異形鋼坯的尺寸分別為 a、b、c、d、S，每支異形鋼坯有效受熱面積F為

則單位時間內爐內每支鋼坯獲得的熱量為Qi

設加熱爐有效長度為L，鋼坯間距為x，爐內鋼坯總數量N為

單位時間內爐內鋼坯所獲得的總熱量為

由圖2可知，式(2)與式(3)中cosα與cosβ分別為cosα=將其與式(3)、

式(4)帶入式(5)中，可得，

由于式(6)中 a、b、c、d、S 都為常量，由假定條件知，熱流密度qi也為定值，所以單位時間內爐內鋼坯獲得的總熱量與加熱間距 x 有關。[3]

3 計算結果分析

異形鋼坯間距由前人研究可在0.3～0.7倍坯厚之間，某廠異形坯加熱爐控制間隙為0.12m。分別選擇三種規格異形鋼坯，命x值在0.08m至0.2m之間，以長度為10m鋼坯為例，得單位時間爐內鋼坯獲得總熱量見表1(表中數值為熱流密度qi的倍數)。

表1 不同間距在爐鋼坯單位時間獲得總熱量

圖3 不同間距各規格異形鋼坯吸熱功率曲線

利用計算機輔助得到此區間內的吸熱功率曲線圖如圖3，可知，在此區間內鋼坯吸熱功率有極大值產生，對應的鋼坯間距為最佳間距，由曲線圖可得，BB1鋼坯的最優間距為142.0mm，BB2鋼坯最優間距為126.48mm，BB3鋼坯最優間距為136.39mm。

4 結論

本文僅從鋼坯吸熱功率上研究鋼坯的最優間距，萊鋼型鋼廠大型線加熱爐異形坯加熱間距為120mm，與本文基本相符。由于加熱爐爐內溫度場較為復雜，異形鋼坯受熱不規律，難以確定最佳的鋼坯間距，此方法簡單使用，可作為制定異形鋼坯爐內布料制度的參考依據。

[1]李國軍、劉筱婷等.步進式加熱爐內布料間距的優化研究.東北大學學報.2012.33(3)：389-391.

[2]張富等.步進梁式板坯加熱爐內流場和溫度場的數值模擬.工業爐.2009.9(5)：5-7.

[3]徐春柏、李曙光等.步進式爐鋼坯最佳間距計算方法.1988.5：20-22.