熱連軋機組加熱爐降低能耗的生產實踐

孫廣輝 劉社牛 李娜 李翠玲 段云

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

在熱軋生產中，加熱爐的燃料消耗占整個熱軋工序能耗的50% ～60%，因此，降低加熱爐的燃耗成為各軋鋼產線節(jié)能降耗工作的重中之重。2007年安鋼1780 機組投產以來，加熱爐的燃耗一直居高不下，尤其是2012年更是居于1．73 GJ/t 的高位。對此，開展了針對1780 mm 熱連軋產線加熱爐燃耗的技術攻關，噸鋼燃耗有了較大程度的下降，從而獲得了良好的經濟效益。

1 加熱爐設備概況

安鋼第二煉軋廠1780 mm 熱連軋生產線配備有三座大型步進梁式加熱爐，均由中冶賽迪設計，均采用空氣、煤氣雙預熱和汽化冷卻技術，單爐額定產量為270 t/h，有效爐長為43．5 m、爐子內寬為11．7 m。三座加熱爐沿爐長方向均由預熱段、一加熱段、二加熱段及均熱段組成，燃燒系統(tǒng)由爐頂平焰燒嘴和側墻可調焰燒嘴組成。燒嘴的分布和燃燒能力參數見表1。

表1 安鋼熱連軋加熱爐燒嘴參數分布

2 影響加熱爐能耗的原因分析

通過對熱連軋加熱工序、軋鋼生產工藝及數據進行分析，總結出以下幾個方面是影響加熱爐燃耗偏高的主要原因。

2．1 板坯的熱裝率偏低

提高熱裝比例和板坯入爐溫度，可以更大程度上利用連鑄生產的預熱，大幅度降低加熱爐的能耗。現場測量數據表明，板坯下線垛放8 h，表面溫度能夠保持在600 ℃以上;垛放24 h，表面溫度在400 ℃左右;32 h 以后表面溫度只有300 ℃左右。因此，板坯下線的時間越短，熱裝板坯的溫度越高，節(jié)能效果越顯著。2012年安鋼熱連軋機組的熱裝統(tǒng)計數據顯示:連鑄板坯下線后0 ～8 h 內入爐的比例只有不到20%，24 h 內入爐的比例約為45%;而同期國內同行先進企業(yè)的連鑄板坯8 h 內熱裝率能達到47%以上。由此可見，板坯熱裝率不高，尤其是連鑄板坯8 h 內熱裝率低，是造成安鋼加熱爐燃耗高的重要原因之一。

2．2 排煙熱損失大

排煙熱損失在加熱爐整個熱損失中所占的比例最大。影響排煙熱損失的主要因素為排煙溫度和煙氣量，排煙溫度越高、排煙量越大，則排煙熱損失就越大。在加熱過程中由于預熱段沒有配備燒嘴，一加熱段溫度的高低直接決定著預熱段的溫度和排煙溫度的高低。在一加溫度相同的情況下，入爐板坯溫度高也會造成排煙溫度升高，而排煙量的大小，與空燃比關系比較密切，超過平衡燃燒需要的燃料或空氣，都會造成排煙量升高。一般情況下，空燃比的控制要保證煤氣的完全燃燒。如果混合煤氣熱值頻繁波動，為保證煤氣完全燃燒，調火工在操作時就會將空燃比設定較大，從而導致煙氣量更高。

2．3 煤氣的的波動能耗大

熱連軋加熱爐所用的燃料為安鋼自產的高爐煤氣和焦爐煤氣混合而成的煤氣，且加熱爐和煤氣加壓站之間的管路較長，當高爐、焦爐生產有異常的時候，經常導致這兩種煤氣的配比發(fā)生大幅波動，進而造成送往加熱爐的混合煤氣熱值和壓力發(fā)生波動。取樣抽檢的結果表明，混合煤氣熱值的波動范圍比較大，最低值可以到6700 kJ/m3，最高值可以達到11340 kJ/m3。煤氣熱值和壓力的波動，會使加熱爐在煤氣用量設定不變、生產工況變化不大時突然上升或下降20 ℃～30 ℃，導致加熱爐在出鋼時爐頭頻繁冒火，爐尾殘氧量在0% ～5%之間頻繁波動。由于混合煤氣熱值和壓力的不穩(wěn)定，造成調火工在燒鋼控制時對空燃比的頻繁調整。空氣量過大不但降低了爐溫并造成排煙量的增加，而且空燃比過大還將導致爐內處于強氧化性氣氛，增加了板坯的氧化燒損;空氣量過小將造成煤氣的不完全燃燒，對爐子的能耗影響更大。

2．4 加熱爐在保溫時的空燃能耗

多年來，安鋼1780 mm 熱連軋生產線的設備故障和軋制事故較多，非計劃停車和計劃換輥往往造成加熱爐處于保溫狀態(tài)，如果操作不當或與軋線溝通不暢，都會造成空燃能耗的巨大浪費。在加熱操作方面主要有兩方面的原因:一是加熱爐的控制系統(tǒng)的儀表功能精度不高，造成控制系統(tǒng)的數值與實際的閥位不符，如空、煤氣段流量調節(jié)閥在DCS 畫面上顯示開度為10%，而現場實際開度卻在20%甚至更高，給操作工造成誤導，降低了調整效率，甚至導致空、煤氣量在保溫期間調不下來;二是保溫期間調整工的操作方法存在不合理的地方，往往為降到規(guī)定的目標溫度，采取小煤氣量、大空氣量降溫的方法，雖然煤氣量降低了，但同時也降低了爐溫，造成加熱爐在恢復升溫的時候浪費煤氣較多。

2．5 軋制節(jié)奏的影響

軋制節(jié)奏的影響主要體現在加熱溫度及板坯在爐時間上，一是出鋼時由于爐門打開，導致均熱段瞬時降溫大;二是提高軋制節(jié)奏，可以降低軋制過程的溫降，有利于實現低溫加熱，并降低板坯的在爐時間。加熱前期，板坯溫度呈線性升溫，爐溫、板溫的相差較大，后期板坯的升溫速度變緩，慢慢向爐溫靠近，上下表面和中心的溫差逐漸縮小，達到出鋼的技術要求。此后板坯的在爐時間對加熱質量影響不大，但是消耗了能量，屬于無效能耗，因此要在保證加熱質量的前提下，盡量減少在爐時間。

3 降低能耗的主要措施

3．1 提高板坯熱裝率

提高板坯入爐溫度和熱裝比例可大幅降低加熱爐的煤氣消耗［1］。提高熱裝率的前提是板坯必須具有良好的質量，并使煉鋼連鑄的生產計劃與軋制的生產計劃有效銜接。安鋼熱連軋機組投產以來，含Nb 微合金鋼板坯的角橫裂是影響板坯質量的重要原因，這些缺陷要角部清理后才能裝爐。通過在鋼中添加適量的Ti，有效防止了AlN 析出造成的角橫裂。板坯質量的提高，為提高熱裝率提供了良好的技術條件。在生產計劃管理上，由于為熱連軋機組供應板坯的第二煉軋廠2#、3#鑄機還承擔著部分中厚板機組的供坯任務，因此應以熱連軋熱裝為核心，合理安排煉鋼和軋制計劃，盡量縮短板坯在庫時間，提高熱裝率。經過努力，熱連軋機組的板坯熱裝率都有了明顯的提高，目前，每月0 ～8 h 內入爐的比例達到45%以上，板坯入爐溫度達到550 ℃以上，32 h 以內板坯入爐比例達到80%以上，平均入爐溫度達到400 ℃以上，這對加熱爐燃耗的降低起到了很大的作用。

3．2 合理分配熱負荷，降低排煙熱損失

根據板坯熱裝入爐時間和表面溫度的差異，對加熱爐各段的熱負荷進行了重新分配。對0 ～8 h入爐的板坯，由于入爐溫度高，采取關閉一加熱段后段部分燒嘴，將加熱重心向出料端轉移，相當于延長了加熱爐預熱段的長度，充分利用爐子煙氣溫度對板坯進行預熱;8 h ～32 h 入爐的板坯，采取低的一加熱段的溫度，冷裝采取高的一加熱段的溫度，從工藝上制定出了新的針對不同生產工況下各段爐溫設定制度，從而實現不同入爐條件的板坯，通過合理分配各加熱段的熱負荷，達到低排煙溫度的目的，提高爐子的熱效率，減少煙氣帶走的熱損失，從而降低了加熱爐的能耗。

3．3 穩(wěn)定煤氣熱值，合理控制空燃比

通過能源動力部的積極有效溝通，在保持安鋼總煤氣平衡的前提下，對供給熱連軋加熱爐的煤氣結構進行優(yōu)化，在保證焦爐煤氣不放散的基礎上，及時調整混合煤氣配比和壓力來穩(wěn)定煤氣熱值，為加熱爐的操作和調整提供有利的外部環(huán)境，從2013年5月份以后，熱連軋加熱爐用混合煤氣熱值的穩(wěn)定性比以前有了大幅度的提升。

合理的控制空燃比是降低能耗的重要手段。煤氣在加熱爐中燃燒過程中，如果空燃比過大，會從爐內帶走大量的熱能，降低火焰溫度，并產生過多的廢氣，導致氧化氮、氧化硫的排量增加，不僅損失大量的熱能，而且會導致爐內氣氛中含有過多氧氣，進而造成鋼的嚴重燒損;而空燃比過小會造成燃燒不完全，降低熱效率，造成熱損失增大，會產生大量黑煙［2］。安鋼熱連軋加熱爐的設計，高溫煙氣通過爐尾的煙道預熱空氣和煤氣后，從煙囪中排放，因此氣體的流動方向與板坯的運動方向相反。根據實際情況，在加熱爐的調整策略上，均熱段采用了較低的過剩系數，二加熱段采用了低的過剩系數，一加熱段采用了高的過剩系數。此調整策略的特點是，在高溫的均熱段，爐內氣氛保持了還原性氣氛，而溫度較低的一加熱段，氣氛為氧化性氣氛，過剩的煤氣在向爐后的運動時，在一加熱段與過剩的氧氣產生二次燃燒。

板坯在不同溫度下的氧化速度有很大的差別。鋼坯表面溫度在600 ℃以上時氧化開始有顯著變化，溫度達到1200 ℃以上，氧化燒損急劇增長。在其它條件相同的情況下，設800 ℃時的氧化燒損量為1，則1000 ℃時氧化燒損量為6，1100 ℃時氧化燒損量約為10，1200 ℃時約為15［3］。由于在高溫下保持了還原性氣氛，因而新的調整策略能夠有效防止鋼表面的氧化。在均熱段的高溫條件下，氣氛與板坯表面以輻射傳熱為主，而板坯上下表面與中心則以熱傳導的方式進行熱量的傳遞。由于氧化鐵皮的導熱系數比鋼小，所以減少表面的氧化還可以提高板坯的熱傳導，提高熱效率，對降低能耗也有一定的貢獻。

在管理上，通過定期對煤氣、空氣調節(jié)閥的執(zhí)行精度進行了校驗，使調整工的操作效率和精度更高，更加容易實現爐內氣氛的控制。

3．4 制定合理待軋工藝制度

為了減少待軋期間的能耗，根據時間的不同，制定了待軋期間的工藝制度，見表2。

表2 熱連軋機組待軋保溫制度

在操作上，當軋線出現事故停軋時，及時調整爐溫和燃料量，按照表1 的要求降溫，降溫過程可以采取大風量的模式，保溫階段要及時調整空燃比至正常燃燒狀態(tài)，并對流量調節(jié)閥的最小限位進行調整。從原來的8% ～10%減小到目前的3% ～5%，避免了以往大煤氣量、大空氣量待軋保溫的現象。在管理上，在事故處理期間，加強與軋線的聯(lián)系，及時了解進度和開車時間，嚴格按照工藝制度執(zhí)行，保證復產板坯的加熱質量。

3．5 優(yōu)化軋制工藝

對于不含微合金元素的普通鋼種，在軋制工藝上，優(yōu)化和降低粗軋終軋溫度，采取提高粗軋機的最高限速，提高軋制節(jié)奏，合理使用粗軋和精軋之間的保溫罩，減少熱損失，從而適當降低了加熱溫度。通過軋制工藝的優(yōu)化，軋制節(jié)奏由150 s 提高到140 s，加熱溫度降低了10 ℃～20 ℃，軋線小時產量達540 t/h，比2012年高出40 t/h。

4 效果

通過以上措施的實施，安鋼熱連軋機組的能耗有了明顯的下降。對比2012年，燃耗平均下降了0．28 GJ/t，目前能夠穩(wěn)定控制在1．45 GJ/t 左右。圖1 是2013年10月至2014年6月加熱爐能耗的統(tǒng)計情況，達到了國內相同機組的先進水平。

圖1 加熱爐月能耗統(tǒng)計

5 結語

通過對安鋼熱連軋加熱爐的能耗影響因素進行分析，制定了有針對性的措施，實踐表明了這些措施對降低加熱爐的能耗行之有效，已經固化至相關的工藝制度中，加熱爐總的能耗也由1．73 GJ/t 降低至1．45 GJ/t 左右，效果明顯。

加熱爐的節(jié)能降耗是一個系統(tǒng)工程，其影響因素也很多，除了采取針對加熱爐本身的節(jié)能措施外，外圍創(chuàng)造有利的生產條件同樣不可或缺。因此，在降低加熱爐能耗工作上，除了要加強研究應用新技術、新方法以外，還要在日常管理上嚴要求，抓落實，重細節(jié)，才能達到降低燃耗的目的。

［1］向云畔，郭宏麗．降低軋鋼加熱爐煤氣單耗的措施． 武鋼技術，2014，52(2):28 －29．

［2］王旌鑒． 合理組織燃燒 減少煙氣排放． 四川冶金:2012，34(1):34 －37．

［3］鄧偉，張青松，張宇，等．鋼坯氧化燒損影響因素試驗研究［J］．張家界:全國能源與熱工2006 學術年會，2006:64 －66．