加热炉用黑体材料的技术介绍

鄂钢清风

首秦年产150万吨蓄热式轧钢加热炉黑体技术节能改造项目简介

实施单位：成都西华工业炉节能技术有限公司（简称成都西华公司）
客户单位：首钢总公司秦皇岛首秦金属材料有限公司（简称首秦公司）
实施对象：首秦公司4300mm生产线的1号加热炉
一、概述
1、项目概况
    首秦年产150万吨蓄热式轧钢加热炉黑体技术节能改造项目，是成都西华公司为首秦公司的1号蓄热式轧钢加热炉进行的节能降耗技术改造项目，此项目已于2008年1月完成一期施工，并已投产运行，节能率超过18％（一期工程只对炉顶进行了黑体节能改造，两侧炉壁因中修原因未能实施改造），取得了很好的经济效益和社会效益。
    项目开始于2007年10月，共分四个阶段：
    第一阶段：考察收集资料和预研阶段，成都西华公司的技术专家亲自去秦皇岛首秦公司进行实地考察，考察1号加热炉各种情况，收集1号加热炉的各种资料和数据，和首秦公司的各部门专家及相关人员进行反复交流和沟通，对项目方案进行预研。
    第二阶段：设计项目实施方案。成都西华公司首先设计出几套方案，然后和首秦公司专家及相关人员进行反复研究论证，最后确定最终的实施方案，并做好施工前的一切准备。
    第三阶段：2007年12月20日－2008年1月8日，施工阶段。在此阶段，成都西华公司的工程实施人员在首秦公司对1号加热炉的炉顶实施了黑体节能改造工程，工期共17天。
    第四阶段：烘炉、投产和节能效果检测。1号加热炉完成烘炉后，于2008年1月17日0：00投产运行。3月12日，成都西华公司的测试人员和首秦公司的相关人员对一期工程节能效果进行了详细的检测，节能效率超过18％。获得首秦公司客户的肯定。
  2、首秦公司简介
    秦皇岛首秦金属材料有限公司（简称首秦公司）是首钢总公司与国内外投资者合资的一家钢铁联合企业，地处河北省秦皇岛市。首秦公司于2003年5月3日开工建设，到2006年10月完成了全流程工艺建设。公司主要产品是各类钢种的连铸板坯和宽厚钢板，年生产能力260万吨。产品广泛应用于船舶、桥梁、石油、化工、水电、建筑、机械制造和军工生产等领域，是国民经济和国防建设重要的金属材料。
    首秦公司拥有4300mm生产线上的两台年产150万吨的蓄热式轧钢加热炉，分别称为1号加热炉和2号加热炉。本项目是对1号加热炉进行的节能降耗技术改造。1号加热炉的相关资料如下图和表：
  
               
                                    1号炉的炉门正面图
               
                         首秦1号加热炉黑体技术节能改造后的效果图
   Picture-shooting for semi-finished pieces taken out from
     No. 1 Heating Furnace upon blackbody technological  
     transformation, China Capital Iron & Steel Group     Qinhuangdao Metallic Materials Co.

                       1号炉的相关资料表
        炉  子  用  途    板坯轧制前加热
        炉  子  类  型    双蓄热步进梁式加热炉
        钢坯 入 炉温度    冷装：室温；热装
        钢坯 出 炉温度    950℃～1280℃
        炉子有 效长 度    53810mm
        炉  膛  内  宽    9300mm
        炉  膛  内  高    3900mm
        燃  料  种  类    纯高炉煤气
        改前燃料消耗量    70000立方米/h

二、黑体技术及其节能原理
1、节能原理
    热辐射是以电磁波即热射线的形式传播的，但目前一般在中、高温工业加热炉的炉膛内，均没有对“漫反射”状的热射线采取调控措施，也就是说，热源发出的辐射能没有完全直接被工件吸收，这正是加热炉节能难以突破的重要原因。
    成都西华公司所拥有的“黑体强化辐射传热节能新技术”，即黑体技术，是根据红外物理的黑体理论，制成集“增大炉膛面积、提高炉膛发射率和增加辐照度”三项功能于一体的工业标准黑体，将众多的黑体元件安装于炉膛内壁适当部位，既增大传热面积，又提高炉膛的发射率达0.96（1078K），并且基本不老化，更能对炉膛内的热射线进行有效的调控，使之从漫射的无序状态调控到有序，直接射向钢坯，提高热射线的到位率，强化辐射传热，取得显著的节能效果。
    黑体技术的核心是黑体元件，黑体元件是将物理学中“绝对黑体”的概念加以技术化形成的工业标准黑体，将黑体元件成功地应用于炉膛中,与炉壁共同构成红外加热系统。
2、黑体技术的优势
    黑体元件对炉膛内呈漫射状的热射线，以其高吸收特性尽快吸收；通过吸收热射线，自己不断积累热量，逐渐提高自身的温度；然后以其高发射特性,重新发射热射线，依靠元件的几何结构和被设置的位置,把热射线直接射向了工件
    黑体元件完成了把热射线从无序到有序的调控过程,提高热射线的到位率，增加了对工件的辐照度
    由于黑体元件的高发射率,由其几何参数和表面特性获得,具有很高的稳定性
    黑体元件本身不是热源，所以工业实施方便可靠
黑体元件的全发射率为ε= 0.96(1078 K，中国测试技术研究院测试),基本不老化
    黑体元件相当于排球二传手，它在热流的源头调控炉内热射线，实现定向传热，把热能迅速辐射到工件，强化了辐射传热，加快了传热速度
    黑体元件成为炉膛内的许许多多个“温柔烧嘴”，改善了炉温均匀性，使工件受到均匀的加热。
3、黑体技术与国内外相关技术比较
    1）与日本川崎钢铁公司水岛钢铁厂“改变传热方式的装置”技术比较
    日本水岛钢铁厂是在轧钢加热炉的加热段上，加装一些块状耐火物体，其目的是将一部分对流传热转化为辐射传热，以提高传热效率，取得了节能5%～8%的效果，但在技术实施上，有一定的难度。
    对日本的这项技术，我国711研究所在《实用节能技术》的“工业炉窑节能技术”篇“冶金行业炉窑节能技术”一章中向我国冶金行业介绍和推荐。
    黑体技术则是运用黑体元件，大幅度强化炉膛内的辐射传热，取得了节能20%以上等六项优异功能（节能、增产、改善炉温均匀性、延长炉衬寿命、具有环保效应、减少氧化皮）的突出效果，是日本的上述技术无法比拟的；
    2）与蓄热式加热炉比较
    黑体技术是在供热热流的源头，通过黑体元件对热射线进行有效的调控，首先对炉膛内的优质热能加以充分利用。蓄热式加热炉则是在热流的下游，用比较复杂的炉体结构，对加热炉排放的尾气余热进行回收。
    黑体技术与蓄热式技术的节能原理和机制不一样，并不矛盾，不存在重复改造的问题。黑体技术要达到的效果是：在蓄热式加热炉节能效果的基础上，实现再节能20%以上；
    3）与一般涂料技术比较
    涂料技术无法克服的缺陷是易“老化”，其一般寿命只有四个月至一年多。黑体元件的发射率基本不老化，寿命在三年以上（与基体耐火材料寿命同步）。
三、首秦项目实施方案
1、技术要点
    不改动原炉膛结构
    在炉顶的适当部位，设置数以万计的黑体元件
    对炉膛进行全面的强化红外涂装，炉膛和黑体元件共同构成红外加热系统。
2、工艺流程
    节能改造之前，在炉子正常生产的情况下，双方派专人进行改前测试
    实施黑体节能技术改造
    短期烘炉
    投产15天后，由双方派出专人进行改后测试（随生产进行）以测试数据为依据，计算节能效果，由厂方验收并出具验收结论。
3、实施时间和作业状况
    完成本项节能改造工程实施共17天时间，同时与7个施工队10个施工项目近600人交叉进行。

4、工程施工人员
     管理人员、技术人员和工人共39人。
5、施工效果图
      

        
                首秦项目施工结束后，成都西华公司的施工人员在1号加热炉里的照片
四、节能改造效果
     节能率18%
     提高生产率10～15%
     减少钢坯的氧化烧损
     改善炉温均匀性
     延长炉衬寿命
     具有环保效应，减少与节能效果相应排放量，本改造方案实现节能18%以上，则同时相应减排18%以上.
     节能量标煤换算与国家奖励
    项目寿命期：三年以上
     年节能效率：798.3~887万元/年；三年总节能效率：2400~2661万元
     按该炉能耗7万立方米/h，高炉煤气的热值为750千卡/公斤，以平均节气18%计
    70000 立方米/h×24h/天×330天/年×0.18×0.107kg标煤/立方米÷1000kg/t=10677t标煤/年
     根据财政部 国家发改委关于《节能技术改造财政奖励资金管理暂行办法》财建[2007]371号文件规定，年节能量在1万吨标煤以上，可以申请国家节能奖励（东部200元/吨，西部250元/吨），本项目可获得国家奖励10677t标煤×200元/t标煤=213.5万元。