加熱爐冬季保溫技術的研究與應用

吳玉霄，王鎖茜

（河鋼樂亭鋼鐵有限公司，河北063600）

0 引言

隨著環保壓力的提升，鋼廠退城搬遷，有大量的鑄坯加熱爐處于建設中。鑄坯加熱爐位于連鑄工序與軋鋼工序之間，承擔著將連鑄坯加熱至1 000℃以上的任務，在生產過程中起著至關重要的作用。鑄坯加熱爐一次性投資大、使用周期較長，國內加熱爐的設計使用壽命一般都在8 年以上。加熱爐的使用壽命主要與爐頂和爐墻的耐火材料有關，而耐火材料的壽命長短與砌筑施工過程的養護情況密不可分。因此不僅要保證砌筑時施工質量，對耐火材料的養護也尤為重要。

加熱爐砌筑完畢并按照規定養護后，應根據爐子的結構、耐火材料的特性等制定烘爐方案并及時進行烘爐。烘爐的主要目的是：排除耐火材料中的游離水分；使耐火材料均勻膨脹，避免使用過程中爐體變形或出現裂縫。加熱爐耐火材料的烘烤過程對耐火材料而言及其重要，烘烤不合格很容易造成爐墻、爐頂強度不夠，在生產時倒塌。爐子砌筑完畢后，若不能隨即烘爐投產時，應采取烘干措施，否則應保持砌體周圍的溫度在5 ℃以上。本文就新建加熱爐冬季的保溫問題進行了分析和探討，并提出使用電動設備進行保溫的可行性。

1 加熱爐冬季保溫方案分析

某公司新建的三座蓄熱式加熱爐中的1#加熱爐于10 月底完成耐材施工，爐子尺寸為57 m×11.8 m，設計燃料為高爐煤氣，并設有焦爐煤氣烘爐燒嘴。原計劃冬季前使用焦爐煤氣進行烘爐，但由于無法按計劃獲得焦爐煤氣，所以加熱爐只能采取冬季保溫措施，為保證加熱爐耐火材料安全過冬，同時要節約成本投入，制定了以下加熱爐過冬參考方案供選擇：

1.1 烘烤加熱爐至800 ℃，不保溫

由于焦爐煤氣不具備供給條件，加熱爐投入使用時間也在冬季之后，因此不考慮烘爐至1 200℃，僅烘烤至800 ℃，脫除耐材水分，使耐火材料均勻變形即可。加熱爐烘烤常用燃料為柴油、天然氣、焦爐煤氣。焦爐煤氣成本最低，且無其它費用，但是由于焦爐煤氣無法獲得，能使用的介質僅為柴油和天然氣。柴油烘爐污染較重，不如天然氣環保，天然氣烘爐低溫時升溫速率可保持在10 ℃/h 以內，天然氣烘爐升溫曲線及燃料消耗如圖1 所示。將加熱爐烘爐至800 ℃需要耗費562 500 m3天然氣，約合403 t。而不同燃料的烘爐方案的經濟投入對比如表1 所示。

圖1 天然氣烘爐升溫曲線及燃料消耗

表1 不同烘爐燃料對比

由表1 可以看出，柴油烘爐成本較高且污染重，如果加熱爐采用此方案過冬，應優先考慮液化天然氣作為烘爐燃料。

1.2 不對加熱爐進行烘烤，爐內保溫

1.2.1 加熱爐內環境溫度的確定

加熱爐砌筑完成后，若不進行烘烤，通過保溫措施應保證砌體的溫度不低于5 ℃。加熱爐保溫時的傳熱為爐膛內氣體通過平壁傳熱的模型。

熱量在爐墻內的傳熱的熱流量可以用以下公式進行計算[1]：

式中，q為熱流密度；t1為爐墻內表面溫度；tf2為爐墻外側的環境溫度；S為爐墻厚度；λ 為熱導率[2]；

外表面溫度t2可用下公式計算：

經過以上公式計算，要保持爐墻外側溫度t2在5 ℃以上，爐墻內表面溫度t1應該達到17.8 ℃以上，此時爐內氣氛應該至少保持在20 ℃。

1.2.2 加熱爐內保溫熱源的分析

加熱爐冬季保溫可用燃料為焦炭、塊煤、蜂窩煤。焦炭基本是純凈的碳，燃燒持續時間長，燃燒溫度高，燃燒充分，產生CO 的量少，比較安全；塊煤必須采用優質無煙塊煤，價格較焦炭低50%左右，燃燒時間較焦炭短，燃燒充分性和燃燒溫度均不及焦炭；蜂窩煤多采用劣質煤粉摻土，燃燒溫度低，燃燒不充分，含硫量大，氣味嗆人。無論是焦炭、塊煤還是蜂窩煤都需要人工進行添加燃料、清理燃燒殘余物，由于爐內空氣流通不暢，燃料中的碳燃燒不充分極易產生一氧化碳，人員維護操作時容易產生危險。目前國內加熱爐冬季保溫僅有焦碳爐使用案例。

綜上所述，從節能、環保和安全考慮，認為不對加熱爐進行烘烤，而采用爐內保溫的方案是可行的。結合國內其他企業加熱爐冬季保溫經驗和現場能源介質的實際條件，決定使用電熱風機保溫的方案。

2 電熱風機保溫方案的分析

2.1 電熱風機保溫方案的供熱計算

2.1.1 按體積計算方法

加熱爐內長57 m，寬11.8 m，高4.1 m，體積V=2 758 m3；環境最低溫度為-15 ℃，內部所需溫度20℃，溫差ΔT=35 ℃。加熱爐為帶保溫層墻體，保溫效果良好，爐內環境熱容系數K 取1.5 W/（m3·℃）。爐內升溫需要總熱量：

加熱爐空間＜5 000 m3空間取系數B=3；因此最低熱風熱流量Q熱風流量=V×3=8 274 m3/h

2.1.2 按地區采暖計算方法

華北地區高大空間多臺設備供熱時，取R=220 W/m2，供熱面積S=57×11.8=673 m2。所需加熱總功率P=S×R=673×220=148 060 W，

綜上所述，若采用額定功率為15 KW，風量為1 100 m3/h，供熱面積100 m2的熱風機，10 臺熱風機加熱總功率150 KW，總風量為11 000 m3/h，總供熱面積為1 000 m2，均可滿足加熱爐保溫要求。四種能源介質保溫方案的對比如表2 所示。

由表1 和表2 可以看出，冬季采用保溫措施，過冬以后再采用焦爐煤氣烘爐的方案，經濟投入遠小于使用天然氣、柴油進行烘爐。而采用電熱風機相比較而言是保溫措施中最經濟、環保的方式。因此，我們選擇電熱風機進行保溫的措施。

表2 四種能源介質保溫方案對比

2.2 電熱風機保溫方案的實施

2.2.1 加熱爐的密封

使用電熱風機進行保溫，要做好加熱爐密封，防止熱量散失。加熱爐密封主要措施為：

（1）使用纖維氈和棉被對裙罩人孔及裝、出鋼側爐門位置進行封堵。裙罩從底部用棉被進行封堵，人孔、爐門處用纖維氈、棉被進行封堵，每側僅一處人孔掛上棉門簾，方便人員進出檢查設備、測溫；

（2）爐子側墻外側各處覆蓋1 層棉被，減少爐墻外側與外環境冷空氣接觸造成的降溫；

（3）燒嘴箱體間夾縫用棉被堵嚴，上燒嘴箱體頂部至爐頂側墻覆蓋棉被后再覆蓋一層厚塑料布，下燒嘴箱體底部至側墻底部覆蓋棉被后再覆蓋一層厚塑料布；

（4）側墻其余能覆蓋的地方全部覆蓋一層塑料布，爐頂覆蓋1 層棉被，外層再覆蓋一層厚塑料布，進行保溫。

2.2.2 電熱風機的布置和溫度檢測

在爐內放置10 個15 Kw 電熱風機，將出風方向按照逆時針或順時針排列，便于熱風循環流動，具體布置如圖2 所示。在爐內中間水梁頭、中、尾三處設置溫度計，用于檢測爐內溫度；每日用便攜式測溫槍測量爐墻和爐頂耐火材料外側的溫度。

圖2 熱風機在爐內布置示意圖

2.2.3 意外情況的防范措施

使用電熱風設備進行保溫時要做好意外停電預案，至少采用兩路電源進行保護，異常情況下可以切換至另一路電源，保證停電兩個小時內電熱風機可以再次運轉，若兩路電源均出現異常，還要做好爐內點火等措施的準備，用于臨時保溫。另外由于電動設備長時間不間斷工作，易造成電動設備損壞，需要提前預備備件，防止意外情況的發生。

3 保溫效果

冬季連續三個月使用電熱風機進行保溫，每日對保溫效果進行檢測。圖3 為室外溫度最低溫度接近零下10 ℃時，加熱爐各點溫度的變化趨勢。

圖3 加熱爐各點溫度對比

從圖3 中可以看出，每間隔兩個小時進行一次檢測，連續兩天的溫度檢測顯示，在室外溫度從0 ℃變化至-8 ℃期間，爐內溫度基本保持在30 ℃以上，加熱爐爐墻、爐頂外側的溫度穩定保持在20 ℃以上，由此可驗證電熱風機保溫效果良好。

4 結語

加熱爐耐材施工前應做好烘爐計劃，盡可能在施工完成后進行烘爐，若不具備烘爐條件，建議避開冬季施工；若冬季施工且不具備烘爐條件，必須要對耐材進行烘烤或保溫。相比較于使用外接燃料對加熱爐進行烘烤，先采用冬季保溫，等冬季過后再使用加熱爐原設計焦爐煤氣烘爐的方案更加經濟。采用電熱風機保溫的保溫效果也可以滿足要求，且相對于傳統的焦碳爐保溫具有成本低，無污染和更安全的特點，可以作為新砌加熱爐冬季保溫的手段之一。