CN100397021C - 改善炉子温度分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改善再加热炉(1)温度分布的方法，在上述再加热炉(1)中，氧气燃料燃烧器安放在炉子的死区(3)中以使气体的体积不增加以体积计大于10%。本发明还涉及一种再加热炉(1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种改善一种炉子温度分布，尤其是改善用于将一些产品再加热或退火的炉子的温度分布的方法，上述一些产品更具体地说是钢产品如板坯或钢坯或扁平轧材。
背景技术
再加热炉和/或均热炉一般是在钢铁工业、尤其是在连铸循环中使用，在上述连铸循环中将液体金属铸造以便形成各种中间产品，上述各种中间产品在它们于连铸生产线末端处进入轧机之前，通过至少一个叫做再加热炉的炉子，在所述炉子中使中间产品达到一个合适的温度或是在一合适的温度下均热，上述合适的温度是尽可能均匀，以便随后在最佳条件下轧制。
这种类型的再加热炉及其使用方法例如在EP-A-0370916中作了介绍。
在一种再加热炉中，一般在至少一个区(段)装备了加热装置例如燃烧器，以便提供用于再加热或均热冶金产品所必需的能量。在一种炉子尤其是再加热炉中常常分为三个主要的区，这些区其特征在于不同的传热模式：
-实际加热或焙烧区，在所述实际加热或焙烧区处(用燃烧器、等离子体、辅助加热等)进行燃烧，在其中控制和如有必要时调节环境温度或产品温度。这一区其特征在于热量是就地产生的，这种产生的热量是一种控制和/或调节这一区中温度的直接手段；
-废气(烟气)排放区，所述废气排放区也叫做死区，在所述废气排放区中，来自加热区的废气或大气把它们的一部分能量传给进入炉子的钢产品。这一区有助于优化生产过程的热效率；及
-所谓的热回收区，所述热回收区包括一个热回收***，所述热回收***能把仍存在于废气中或正离开炉子气氛中的一部分能量传递到燃烧所需的氧化剂(氧化剂预热)。通过再循环，这种能量再进入炉中，这进一步优化了总体能量预算。
除了外部限制之外，目前的调节***使得可以通过仅仅控制各种直接参数(燃烧器功率，辅助能量、换热器中的热交换等)来调节这些区而使得操作加热区和换热器于其标称运行条件下。
相反，当热交换完全依赖于加热区及相关的换热器的操作参数时，炉子的死区不能调节。尤其是，当它们取决于炉中的材料流动条件(材料是废气和冶金产品)和取决于它们的温度条件时，在上述区中的热分布没有优化。
一般由炉子操作人员所提出的唯一限制是在这个区中废气的“消耗”(废气与产品或炉子之间的最佳热交换)，以便符合对温度的限制，在上述温度下废气离开这个区，以便不损坏废气回收***，和如果废气不被回收的话，限制它们热量损失。
在炉子的构造中，这个区因此设计成提供对由加热区输出的废气的充分冷却。
图1更好地说明了一种已知类型的再加热炉的操作，及为了改善它的操作而待解决的问题。
在图1中，用(由于一个梁14和在图1中未示出的驱动装置的***)从右向左移动的冶金产品5示意示出再加热炉1，这些产品的前进方向用箭头7表示。
炉1这里包括一个加热区2，其中温度在1200℃和1400℃之间变化，该加热区2装配有若干个燃烧器并具有一个或多个调节区。各燃烧器在该图中未示出。只示意地示出热风回路13。炉子还包括一个死区3，该死区3一般是优选的废气路线6，其中废气温度一般大约为900℃-1100℃，上述温度足够用于通过热交换预热钢产品；和最终一个加热不足区4，所述加热不足区4形成死区3的一部分，一般位于钢产品进口点附近和一般位于钢产品的上方(尤其是当废气回收管线8位于钢产品进口点的下方时)，并且上述加热不足区的温度在600℃和900℃之间变化-这个温度一般太低而不能用于有效预热钢产品。
废气用来在换热器9中预热通过管线10来自氧化剂发生器11的空气(氧化剂)，经过预热的氧化剂从换热器9沿着管线12出来，上述管线12将氧化剂供给燃烧器(用于燃烧器的燃料管线在图1中未示出)。
在这种操作方式中，在整个生产时间里死区3稍微被加热，并且事实上至少在部分生产时间中在该区内存在具有较高温度的可能性，以便更好地预热钢产品。
然而，在死区中这种温度增加必需不造成出炉的废气温度的相应增加。这是由于，尽管死区(及因此废气)的温度可以增加例如约200℃，但产生的问题是对这些废气而言不希望在比它们的通常出炉温度高200℃的温度下出炉。问题是如果在炉子出口处没有换热器，则因为废气温度高200℃，所以所有相应的热能都损失，并且炉的热(及因此财务)预算变得不可接受。同样，如果有一个换热器(如图1中所示)，所述换热器通常是在接近它的最高温度下工作(换句话说，进入换热器的废气温度接近换热器可以承受而不损坏的最高温度)，所以不能用温度已增加了200℃的废气供给换热器。因此，该技术领域的技术人员面临着显著增加炉子死区温度，尤其是炉顶温度，而出炉的废气温度不相应显著增加的问题。
发明内容
本发明解决了这样提出的技术问题。为此，本发明提供利用辅助加热装置，所述辅助加热装置安放在炉子的死区3中(或者对炉子的死区具有热作用)，同时没有大量额外的废气产生，这样为的是避免任何能量和尤其是由这些辅助加热装置所产生的能量通过废气(尤其是额外的废气)大量转移。
按照本发明，“大量额外的废气产生”理解为意思是指相对于没有辅助加热装置时炉中所产生的废气体积，产生额外的废气以体积计至少占10％。
结果，按照本发明，辅助加热装置应设计成以便相对于没有这些辅助加热装置时由炉子其它燃烧器所产生的废气体积(为了比较废气的体积起见，炉子的其它燃烧器在两种情况下都以相同的方式工作)，不产生以体积计大于10％的额外废气，而优选的是以体积计不大于5％的额外废气。由这些辅助加热装置所产生的能量可以相当于高达所供给总能量的20％(或高达起初安装功率的25％)。
按照本发明，辅助加热装置优选的是其中用于这些燃烧器至少其中之一的氧化剂富含氧(氧中高于21％的O2)的那些燃烧器，优选的是其中氧化剂含以体积计大于88％氧的燃烧器(例如，由一个空气气体分离装置所供应的氧，所述空气分离装置通过VSA式吸附操作，这是该技术领域的技术人员众所周知的)，和更优选的是工业纯氧，所述工业纯氧包括以体积计大于95％的氧，余量优选的是主要是氩和氮。氧化剂可以含以体积计1％-10％的氩和/或以体积计0.1-10％的氮。当然，含100％氧的氧化剂完全合适。
与氧基燃烧器不同的加热装置可能是合适的，尤其是不产生额外废气的那些加热装置，如辐射板(电阻加热元件)、辐射燃烧器或再生式燃烧器，它们实际上在正常废气回路中只产生很少的额外废气，因为它们设计成吸入外部空气，通过与等体积废气热交换将外部空气预热，该废气本身也被吸入炉中，并且在其热“消耗”之后将来自炉中的废气排入一特定的废气回路，及利用这样预热的空气作为燃烧器中的(至少一部分)氧化剂。
辅助加热装置一般将安放在死区，远离导入换热器(如果这种换热器存在的话)的废气排放管道。因为废气常常是在炉子底部处排放，因此辅助加热装置优选的是安放在炉子上部(接近炉顶)。然而，相反的情况仍有可能。
这些额外加热装置的各种各样的设置都是可能的。例如，一个或多个燃烧器(或等同物)是在炉壁中，正好在产品进入炉子的区上方(图2中的氧气燃料燃烧器20)，或者一个或多个在一通槽块(或凹槽)中的燃烧器安放在炉顶(图2中的氧气燃料燃烧器21)中或端部装料壁(图2中的氧气燃料燃烧器22)中，优选的是在死区的“下游”范围(界限)处(沿产品运行的方向)，同时将火焰对着产品进入炉内的点(废气的流动方向)或者对着产品出炉的点(与废气逆流)，或者它们二者的组合，或者另有一个或多个燃烧器是在炉侧壁的至少其中之一中，在死区中与产品齐平，或者另外是这些不同方案的一种组合。
关于按照本发明所述的辅助加热装置在炉中的装配，一般有三种不同的情况，这三种不同的情况尤其是在再加热炉情况下可以区别开。
在第一种情况中，在加热区中由燃烧器输送的功率高，并达到最高炉顶温度极限，而废气在一个温度下通过死区之后从炉中排出，上述温度与废气进入换热器的最高温度相差十分大。在这类构造中，不能用现有燃烧器加热更多的上游(在加热区)，即使死区中炉壁和炉顶的温度太低以致不能合适地预热钢产品也是如此。
在第二种情况中，不象第一种情况，在死区出口处废气的温度最高，而在加热区中的炉顶温度显著地低于这个炉顶可以承受的最高温度。在这种情况中，加热区中的功率可以增加，但只是冒着损坏死区中炉顶和/或换热器的危险。
最后，在第三种情况中，加热区中温度和废气的温度都没有达到它们的最高值，上述情况导致炉顶温度低于加热区和死区二者中的最高值。
本发明是利用一个辅助加热装置，所述辅助加热装置能使向死区中的产品传热增加，而不会造成大量能量在废气排放点附近传递到炉中。为此，辅助加热装置使得可以尤其将全部或一部分死区升高到它的最高允许温度Tmax(炉顶)，这个温度一般取决于构成炉子的几何形状和部件、辅助加热装置和废气的速度尤其是流动速度的选择，以使上述废气的温度不超过最高允许温度Tmax(废气)。
这种温度再分布将在炉子这部分中提供最大可能的传热。
在温度显著低于设备的实际限度或可接受的热损耗极限的空间中，传热到产品的可能性很小(实际没有辐射传热和很少对流传热)。
在换热器处的最高温度限一般约为900℃。按照本发明的另一方面，因此必需控制废气的出炉温度，例如通过测量废气的出炉温度调节辅助加热装置，以便保持这个温度低于极限值(例如在上例中的900℃)。
在实际操作中，通过实施上述本发明已发现，输送到炉中的总功率比初始功率高5-20％。尤其是在以前很少利用的区(600℃-900℃)中，炉子进口温度分布较高(900℃-1200℃)。所形成的产量增加是在5％和25％之间，取决于安装的功率电平。在这些条件下的能耗仍低于5％。
除了本发明所造成的产量和/或生产率增加之外，本发明还提供许多操作优点，和尤其是：
-提高了产品的温度均匀性；
-提高了产品的表面质量；及
-减少了产品变形。
借助于下面在一个再加热炉中实施的说明实例，结合示出本发明的一个实施例的图2，将能更清楚地理解本发明。
氧气燃料燃烧器装配在炉子的死区中，这些燃烧器的功率约等于炉子现有空气燃料功率的10％。
在没有这些氧气燃料燃烧器时，所试验的炉子死区中的温度通常约为650℃，而在换热器顶部处的温度约为820℃(低于850℃)。
在装配采用VSA型氧(供给氧化剂的氧含大于88％的O2，优选的是以体积计大于95％的O2，余量是氮和氩)的氧气燃料燃烧器和在死区中将调节温度升高到900℃后，在换热器顶部处的温度没有明显的增加。由于功率增加5％，使炉顶温度再分布导致产品增加5％。
同样的空气-燃料构成会导致废气温度增加20℃，这种情况与换热器完全安全操作(达到最高温度)不相适应。
按照本发明，当在加入氧燃烧装置之前，在同样的所谓“死”区3中已将调整到一个设定点值的温度升高到1100℃时，注意到产量增加高达10％，而在换热器处的温度增加仍限制到低于20℃。这种优化操作使得能达到炉子的最佳炉顶温度分布而不产生不必要的热损耗，和尤其是对换热器没有任何危险。
比较起来，类似的操作但使用加在“死”区中的空气-燃料燃烧器造成额外的损耗由于这个死区如此受热而高出4倍(大约是空气-燃料废气/氧燃料废气之比)，在换热器顶部处的温度增加100℃-换热器的未经批准的(不安全)操作。
在图2中，与图1中相同的那些部件采用相同的标号。在死区4上方示意出的是进氧管线16，17，氧来自氧气发生器15，上述供应三个氧气燃料燃烧器20的管线装配在炉1的一个侧壁中(同样的燃烧器也在上述侧壁对面侧的壁中)。
标记21表示在炉顶中用于死区3的辅助加热的(辅助)氧气燃料燃烧器的另一种可能的位置。各辅助燃烧器也可以装配在炉子的加热不足区4(死区3的一部分)中，例如装配在图2中用22所标出的地方。图2a是炉子死区3其中一部分的放大图，该图2a示出这些各种不同氧气燃料燃烧器20和/或21和/或22及它们各自的、首先是在燃烧器21情况下的火焰23、24和其次是在燃烧器22情况下的火焰25的可能位置。如上所述，能够只选择一单个火焰23或24，或者可以选择两个火焰(一个与废气逆流，而另一个与废气顺流)。
按照本发明所述的方法还给炉子操作人员在使用生产装置时提供灵活性，因为额外的或辅助装置可以根据炉子的产量/生产率要求停止或供电(关闭或接通)。
由此可见，按照本发明，炉子将用在废气回收和/或排放区中的一个温度工作，上述温度可以很明显地高于换热器的最高温度。
Claims (17)
1.一种通过改善一种用于再加热产品的炉子的温度分布永久或临时增加再加热产品生产率和/或质量的方法，上述炉子包括一个第一区，第二区和换热器，该第一区称为死区，在该换热器中，离开炉子的废气中的残余能量被用于预热燃烧所需的氧化剂，从而在所述第一区进入炉中的产品在与由所述第二区所输出的废气接触时被再加热，所述第二区在产品穿过炉子运行的方向上位于第一区的下游，该第二区具有空气-燃料燃烧器型的主加热装置，所述主加热装置产生一个初始安装功率，其特征在于：将辅助加热装置装配在炉子的死区中，上述辅助加热装置设计成用以输送10％至25％的由所述主加热装置产生的功率，上述辅助加热装置产生额外的废气，相对于死区中没有辅助加热装置时由主加热装置在加热区中所产生的废气体积，所述额外的废气以体积计至多占10％。
2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于：辅助加热装置产生以体积计至多5％的额外的废气。
3.如权利要求1和2其中之一所述的方法，其特征在于：辅助加热装置是其中氧化剂含以体积计大于21％氧的燃烧器。
4.如权利要求3中所述的方法，其特征在于：氧化剂含以体积计大于88％的氧。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：氧化剂是一种氧化剂气体混合物，混合物中各成分的其中之一是含以体积计大于88％氧的不纯氧。
6.如权利要求5中所述的方法，其特征在于：所述混合物中各成分的其中之一是空气。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于：氧化剂含以体积计1％-10％的氩。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于：氧化剂含以体积计0.1％-10％的氮。
9.如权利要求1和2其中之一所述的方法，其特征在于：辅助加热装置取自氧气燃料燃烧器、电阻加热元件和再生式燃烧器。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：辅助加热装置根据对炉子的生产要求停止或开动。
11.一种用于加热产品的炉子，其特征在于：它包括一个称为死区的第一区和一个第二区和换热器；在该换热器中，离开炉子的废气中的残余能量被用于预热燃烧所需的氧化剂，上述死区装备有取自氧气燃料燃烧器、电阻加热元件和再生式燃烧器的辅助加热装置；上述第二区具有被设计成用以产生初始安装功率的空气燃料燃烧器型的主加热装置；所述辅助加热装置设计成用以输送10％至25％的由所述主加热装置产生的功率，上述辅助加热装置产生额外的废气，相对于死区中没有辅助加热装置时由主加热装置在加热区中所产生的废气体积，所述额外的废气以体积计至多占10％。
12.如权利要求11中所述的炉子，其特征在于：辅助加热装置远离炉子的废气排放管道设置。
13.如权利要求11和12其中之一所述的炉子，其特征在于：至少一些辅助加热装置设置于刚好在产品进入炉子的区上方。
14.如权利要求11和12其中之一所述的炉子，其特征在于：至少一些辅助加热装置设置于刚好在产品进入炉子的区下方。
15.如权利要求11-12其中之一所述的炉子，其特征在于：至少一些辅助加热装置设置在位于死区的炉顶的一个通槽块中。
16.如权利要求11-12其中之一所述的炉子，其特征在于：至少一些辅助加热装置安放在炉子的装料壁中。
17.如权利要求11-12其中之一所述的炉子，其特征在于：至少一些辅助加热装置是侧向安置。
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