国内外加热炉和热处理炉的现状和节能技术.doc

1、国内外加热炉和热处理炉的现状和节能技术 节能技术, 论文, 银子, 国内外, 附件 国内外加热炉和热处理炉的现状和节能技术 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。 关键词 加热炉 热处理炉 节能 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(DH

2、CR) 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 1 170 kJ / kg ，HCR 方式 300400 装炉时为 960 kJ / kg ，800900 装炉时为 335 kJ / 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

3、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 180 t/ h 和 280 t/ 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 150 t/ 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

4、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 45 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

5、 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. 1 kJ / 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

6、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 23 段:既可分别动作，又可同时动作。周

7、期时间在 30 s 和 45 s 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 7 m 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 3 420 mm ，速度 750 mm/ 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

8、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1 150 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 130 m ，用辊道输送热坯； 新日铁八幡厂 1987 年投产的则称“远距离 CC2

9、HDR”，距离是 580 m ，采用高速保温车输 送热坯(长 15. 7 m 宽 6. 5 m 高 3. 8 m ，重 128 t ，最大速度 275 m/ min) 。日 本钢管福山厂的铸坯加热设备的主要规格:长 32 m ，生产能力 250 t/ h ，坯料规格 220 mm 7001 650 mm5 90014 500 mm ，燃料是焦炉煤气，配 136 个烧嘴，每个能力 233 kW。输送速度 0. 460 m/min (一般 2. 6 m/ 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

10、度外，另一作用 是待轧时或事故时储存 34 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

11、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

12、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 98 m 的电热辊底式炉，内 宽 2 000 mm ，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 ， 最高温度 950 ，产量 2 000 kg/ h。国外有 1 台组成相同的盘卷均匀化及光

13、亮退火辊底 式炉，炉子总长 95 m ，炉膛截面 1. 7 m 2. 2 m ，2 t 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，最高退火温度 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 50100 Pa ，再引入可 控气氛，将压力提高到约 100 kPa ，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

14、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，可处理的最大钢 卷重 45 t ,生产品种为 CQ 板、DQ 板、DDQ 板，带厚 0. 42 mm ,带宽 7501 240 mm。 带钢通过炉子的最高线速度为 250 m/ min ,入口与出口段的最高线速度 330m/ min ,炉子 的最大加热能力 128 t/ h ,用含 2 % H2 的 N2 基可控气氛喷吹冷却。炉子长度 137 m ,作 业线全长 294 m。这是世界上第一条连续退火作业线。1971 年和 1976 年日本钢管在福山 厂投产了两条连

15、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。处理的最大钢卷重 21 t ,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 2 000 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 3 300 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，可处理的最大钢卷

16、重 45 t ,生产品种为 CQ 板（带厚 0. 52. 0 mm） ,DQ 板、DDQ 板（带厚 0. 51. 6 mm） ,带宽 9001 550 mm。带钢通过炉子的最高线 速度为 250 m/ min ,入口与出口段的最高线速度 320 m/ min , 炉子的最大加热能力 120 t/ h ,平均 89 t/ 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，机组头尾最大 速度 180m/ min ,炉子段最大速度 150 m/ min ,带钢厚度 0. 252. 5 mm ,宽度 7

17、001 530 mm ,入口带卷最大为 45t ,出口卷重 15 t 。镀层厚度 150600 g/ 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. 5 t/ h。用含 20 %30 % H2 的 N2 基可控气氛，消耗量约 300 m3/ h。卧式炉内宽 1 880 mm ,总长 146 200 mm , 包括无氧化预热炉（有的称 MOF ,即微氧化炉） 长度 20 175 mm、还原炉长度 62 000 mm ,空气冷却 2 电加热补偿段

18、长度 60 300 mm;炉子区设备宽度为 8 m ,设备高度约 9. 6 m , 以混合煤气为燃料，总耗量 10000 m3/ 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 1 1501 250 。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 16102 200 kJ / 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（Convection type Waste2gas

19、Preheating sec2tion） 。再进入后燃段（After Buring section） 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、单耗最低 可降到 585 kJ / 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

20、） 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 280 m , 带钢厚度 0. 52. 0 mm ,宽度 8001 600 mm ,炉子段最大速度 200 m/ min ,750 时 最大能力为 90 t/ 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

21、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 5m 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 39 mm ,宽度 5101 30

22、0 mm ,炉 内宽 1 760 mm ,在悬索式炉上的节能措施： （1） 将原先各长 13 m 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 39 000 mm 增加到 42 750 mm。（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 80 m/ s 以下发展到100 m/ 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

23、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. 22. 0 mm ,宽度 6001 300 mm ,机组头尾速度 5150 m/ min ,炉子段速度 5100 m/ min ,带卷最大为 30 t 。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

24、） ;现代立式炉可以处理带钢厚度 0. 053. 0 mm ,宽度 1 550 mm ,机组头尾速度 5100 m/ min ,炉子段速度 570 m/ min。带卷最大为 28 t 。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. 050. 5 mm ,带钢宽度 80 mm ,运行速度 0. 55. 0 m/ min。为长城钢厂设计的厚度 0. 11. 0 mm ,宽度 515 mm 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

25、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 23 种速度，冷态启动用低速，100150 用中速，150700 用高速， 700750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。

26、 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4 000 mm ,料垛高度5 200 mm ,料垛重量180 t 。热耗550630 kJ / kg ,耗氢量 1. 53. 0 m3/ t , ,电耗5. 56. 0 kWh/ t 。炉台通风机的额定能力已由 55000 m3/ h 提高到 90 000 m3/ 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 522 mm ,盘 卷外径 1 300 mm ,高 250 mm。料垛外径 4 000 mm ,高 3 900

27、 mm ,总装入量约 30 t 。燃 料是天然气，用双层内罩。炉台风机的风量 100 000 m3/ 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 826 mm ,盘卷外径 1 200 mm。料垛外径 3 800mm ,高 2 300 mm ,总装入量约 30 t 。用 双层内罩，炉台风机的转速 1 00027502500 r/ min ,功率 70235216 kW。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 Hot Work 公司和英国煤气公司合作开发的，称为 RCB 型烧嘴（Reg

28、enerative Ceramic urner） 。1996 年 10 月已有约 1 000 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. 05 GJ / t 。虽然是单侧供热，带钢温度差是5 。1988 年 Rotherham Engineering Steels 公司在产量 175 t/ 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. 7 GJ / 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

29、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 2030 s 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

30、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. 3 m2 的炉子 装了一对蓄热式烧嘴，冷炉升温到 1 200 需 2025 min ,烟气温度 1 1001 200 ， 排烟温度 100150 ，空气预热温度1 000 ，金属加热热效率 42. 06 %。从冷炉点 火至 1 250 每吨锻件单耗 88. 4 kg 油，而一般锻造炉是 350450 kg/ 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

31、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，产生了拟定并保持最佳热工度的想法，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

32、） 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；目前加热炉的最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。