轧钢加热炉节能设计技术设计规范方案修改编写说明钢铁标准网.docx

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《钢铁企业轧钢加热炉节能设计技术规范》

行业标准编制说明

1.工作简况

1）任务来源

根据工信厅科[2009]260号文“工业和信息化部关于印发2009年第二批工业行业标准制修订计划的通知”中规定，由北京京诚凤凰工业炉工程技术有限公司负责起草《钢铁企业轧钢加热炉节能设计技术规范（计划编号2009-2839T-YB）》行业标准，主管部门为中国钢铁工业协会，技术归口单位为全国钢标准化技术委员会。

2）工作过程

2010年2月1日，凤凰公司主要起草人与冶金工业信息标准研究院业内人士开会，对标准的格式、规范重点、步骤和进度交换了意见。

随后凤凰公司成立了标准起草小组。

具体工作如下：

2010年2月至2010年3月初进行资料收集工作，将与本规范有关的已发布的国家和行业标准认真比对，尽可能做到不重复、不矛盾；

2010年3月至4月底，完成标准初稿；

2010年7月下旬至8月上旬主要起草单位内部审查；

2010年9月，发标准征求意见稿，并在中国钢铁网上公示，并发送国内有关企事业单位，征求意见。

2010年10月，收集并汇总各方意见，起草小组对标准征求意见稿作进一步修改，形成标准送审稿。

2010年12月召开行业标准审定会。

3）参编单位

本标准由北京京诚凤凰工业炉工程技术有限公司和冶金工业信息标准研究院编制。

2.标准编制原则及目的意义

1）贯彻国家对钢铁行业的节能减排要求，从设计和操作上加以限制和指导，在保证满足工艺的条件下，加热炉应达到的能耗指标。

2）根据国内外轧钢加热炉能耗的实际情况，确定经努力而能实现的平均先进指标为各方的追求值。

平均先进指标低于先进指标。

3）编制本标准的目的是为了规范轧钢加热炉在设计中必须有的节能措施和应达到的期望值。

3.标准技术内容

本标准的名称改为《钢铁企业轧钢加热炉节能设计技术规范》，标准中突出设计规范，节能从源头开始，促进和规范节能技术。

1）总则

本章主要对标准目的、意义、适应范围等做出规范。

加热炉除达到工艺要求外，节能环保是重要指标。

1.1加热炉有连续式炉和间断式炉，钢铁企业数量最多、耗能最大的是连续式加热炉，应重点控制。

间断炉按一个加热周期消耗的热量计量，料的规格差别较大，加热工艺区别也大，与装出料操作熟练程度，生产安排等有关，不稳定因素多，制定一个统一标准目前还不成熟。

1.2轧钢加热炉全面的设计规范按GB50486-2009《钢铁厂工业炉设计规范》执行。

本规范仅涉及到轧钢加热炉设计时应采用的综合节能技术、以节能为中心的操作维护和应达到的单耗指标。

1.3炉子设计者必须了解国家和行业的节能规定，在确定基本设计方案时，要有一个总体设想，既要有好的加热质量、产量，又要根据燃料条件，合理地决定燃烧方式、空煤气预热温度的水平、炉衬各部分的组成、自动化控制项目，确保是一个低能耗低排放的热工设备。

1.4一个节能型的炉子设计是基本条件，但生产中，料坯规格、产量、加热工艺是变化的，因此操作节能是重要环节，比如待轧时，视待轧时间长短，调整均热段和（或）加热段的设定温度等。

操作工应做到勤观察炉况，勤调整热工参数并且总结好的经验，总之要做到精细操作。

1.5炉子设计应以节能环保为中心，积极采用国内外行之有效的各种技术，包括蓄热燃烧技术、脉冲燃烧技术、汽化冷却技术、低热惰性炉衬、低NOx烧嘴、空煤气预热器等。

大力研发具有自主知识产权的低NOx烧嘴、无焰燃烧器、富氧和全氧燃烧器、蓄热式辐射管烧嘴、全纤维炉衬板坯加热炉、全脉冲燃烧控制的步进炉等，设计出具有中国特色的现代化工业炉。

根据燃料条件、产品种类、平面布置选择各类技术，融合于一体。

1.6生产厂根据具体情况，制定符合实际的供热和温度制度，既保证良好的加热质量，又得到最低的燃料消耗。

经过钢坯在线温度测量（黑匣子）的炉子，应根据测定结果，修正二级控制中的炉温设定值，使数模更接近于实际。

2）规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。

凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB50486-2009钢铁厂工业炉设计规范

YB9051-98钢铁企业设计节能技术规定

GB/T16618工业炉窑保温技术通则

   GB9078工业炉窑大气污染物排放标准

GB16297大气污染物排放物标准

   GB12348工业企业厂界环境噪声排放标准

GB/T13338工业燃料炉热平衡测定与计算基本规则 

GB/T17195工业炉名词术语

GB50309-2007工业炉砌筑工程质量验收规范

GB/T9079-1988工业炉窑烟尘测试方法

3）术语和定义的确定

为统一行业对专业名词的含意的定义，本标准中提出了下列术语。

GB/T17195-1997中确立的以及下列术语和定义适用于本标准。

※炉子热效率thermalefficiency

钢坯加热需要的物理热与燃料化学热之比。

炉子热效率不等于炉膛热效率。

※预热器废热回收率fluegasheatrecoveryefficiency

预热空气、煤气的物理热与废气进入预热器的物理热之比，是衡量预热器热回收程度的重要指标。

※换热器温度效率recuperatortemperatureefficiency

（预热空气（或煤气）温度-20℃）/（废气进入预热器的温度-20℃），是预热器的重要指标。

※推钢炉管底比skidhearthrate

炉底纵水管、横水管、立柱裸露总面积与炉底面积之比。

※过钢炉底应力furnacehearthintensity

每平方米过钢炉底面积每小时的产量,kg/m2h。

※单位燃料消耗nominalspecificconsumption

加热单位重量代表规格钢坯到目标温度需要的燃料化学热,KJ/kg。

※烧损率scalelossrate

钢坯加热后失去的重量与加热前的重量之比。

※空气过剩系数combustionairexcessrate

燃料燃烧时，实际空气供给量与理论空气需要量之比。

※蓄热式燃烧regenerativecombustion

采用蓄热室作为烟气余热回收装置，燃烧和排烟两种状态交替工作，可将助燃空气和煤气加热到1000℃以上，排烟温度降到200℃以下，如果空气和煤气都预热，称为双蓄热；如果仅空气预热，称为单蓄热。

※蓄热式烧嘴regenerativeburner

蓄热式烧嘴是带有蓄热室余热回收装置的烧嘴，配对使用，通过换向实现周期性燃烧。

4）轧钢加热炉设计节能综合技术

加热炉节能是一项综合技术，即需要从各个方面注意，结合实际，采取多种行之有效的节能措施，达到低耗、优质的目的。

（1）炉型选择

①加热炉炉型选择应与车间生产规模及轧线工艺设备装备水平相适应。

炉子的水平要与轧机相匹配。

②新建的热轧、中厚板车间必须采用步进梁式炉，不再选择推钢式炉。

但为了利用短料，某些厚板车间设置一座推钢炉作为补充。

有的特厚板车间还设置均热炉和车底炉用于加热钢锭，由于均热炉辅助设备和厂房投资大，需要与其他可选择炉型比较后确定。

板坯加热炉尤其是热轧炉必须满足热装的要求。

③对于普钢棒线炉优先选择步进式炉，也可以采用推钢炉。

坯料厚度大于130mm时，不宜采用步进底式炉，因为断面大，又是单面加热，断面温差过大，不易保证产品的尺寸精度。

棒线步进炉一般为侧进侧出的悬臂辊道方式，如果坯料宽度超过400mm或特大特重坯料，采用悬臂辊比较困难，宜采用端进端出、装出钢机的方式。

④特钢棒线炉必须用步进梁式炉，以减少断面温差、烧损、脱碳，表面无划伤。

也比较容易做到不同间隔布料，缩短均热段停留时间，实现高温快出。

⑤园坯、管坯加热优先选择环形炉，布料允许的话也可以采用步进梁式炉。

⑥薄板坯连铸连轧保温炉可采用辊底炉或步进梁式炉。

（2）炉子产量确定

①车间内加热炉总能力确定应以轧钢工艺提出的年加热量和有无加热工艺的特殊要求为依据。

多炉配置时，受相互干扰的影响，炉子利用率下降。

②热轧和中厚板车间往往是多炉配置，炉子利用率见表1。

利用系数过低，炉子能力大，会造成投资的浪费。

利用系数过高，在单炉生产时，炉子产量将不能满足轧机需要，或者产量可以满足，但温差过大。

表1多炉生产时炉子利用率表

炉子座数

座

2

3

4

炉子利用率

--

0.8-0.75

0.75-0.7

0.7-0.65

设计炉子年工作时间：

6500h

不应留设供轮流检修用的备用炉。

下面是几个厂的炉子利用率

厂炉子座数单炉额定产量t/h单炉实际产量t/h利用率

武钢二热轧33002200.73

宝钢2050热轧4350220-2500.63-0.71

马钢2250热轧33702500.65

③棒线材车间由于一炉对一套轧机，为适应轧机高产需要，炉子利用率为0.66-0.7，设计年工作时间6500h。

一些厂的炉子利用系数如下：

序

厂名

车间年产量

万t/a

炉子产量

t/h

炉子利用系数

1

上五厂棒材（特钢）

30

75

0.67

2

大钢棒材（特钢）

30

70

0.71

3

石钢棒材

60

150

0.66

4

唐钢棒材

60

150

0.66

5

韶钢小型

50

125

0.66

6

江阴中型

50

126

0.66

7

武钢高线

70

180

0.65

8

张家港高线

60

150

0.66

9

唐钢二线

34

85

0.69

10

唐钢一线

30

80

0.63

11

邢钢一线

35

80

0.73

12

邢钢二线

40

100

0.66

建议采用

0.66-0.70

④车间热装率大于70%时，不宜按全部冷装时的年平均产量确定炉长，以免炉子产量留的余量过大。

⑤环形加热炉需对每种坯料规格计算小时产量和相应的年工作时间，受设备能力的限制，如果出现出料频率超过150支/h，则需要将超过部分的产量降下来。

⑥设计年工作时间取6500小时，是为了使炉子留有一定的增产潜力。

（3）炉底应力选择

过钢炉底应力是个经验值，过高则钢坯断面温差大，过低则炉子长，投资大，因此要合理选择。

①炉底应力与钢坯的钢种、断面、出钢温度与温差、钢坯初温、各段供热制度和温度制度、炉型有关。

应采用合理的炉底应力，高的炉底应力不节能，钢坯断面温差大，过低的炉底应力使炉子加长，增加投资，需要综合考虑多方面的因素。

常规燃烧方式时，不同炉型的炉底应力见表2，节能型炉建议采用中下限值。

表2炉底应力选用表

炉型

加热方式

轧机

原料mm

炉底应力kg/m2h

推钢式

单面加热

小型

50-70方坯

300-400

全部上下加热

小型

75-100方坯

max650

步进底式

单面加热

小型

≤130方坯

350-450

步进梁底组合

部分单面加热部分上下加热

小型

100-150方坯

400-500

步进梁式

上下加热

小型

>140方坯

500-550

中型

坯厚250-350

棒材轧机

450-550

热轧

坯厚200-250

热轧坯

600-650

厚板

坯厚250-300

厚板坯

550-600

热轧

300系列不锈钢板坯

460-500

热轧

400系列不锈钢板坯

500-550

环形炉

上加热

无缝

管坯

250-300

最终断面温差是板坯炉加热质量的重要指标，上部温度与中心温度的差值以及下部温度与中心温度的差值≤30℃，是轧机所允许的，此时炉底应力取中上限，如果用户希望温差≤20℃，则炉底应力取中下限。

几个厂黑匣子测定的断面温差结果如下：

工程炉底应力kg/m2h温差℃均下烧嘴布置方式

某1780热轧700>30轴向

某2250热轧69036侧部

某1780热轧620<20侧部

②燃高炉煤气的双蓄热炉，炉底应力与常规炉一样。

燃混合煤气的蓄热炉，炉底应力可在上表基础上提高10-15%

使用高炉煤气，虽然是双蓄热，但由于煤气中N2含量高，变为废气后没有辐射能力，因此综合辐射系数下降了，炉底应力也就不能提高。

③适当延长不供热预热段的长度，降低炉尾排烟温度，将废气的热量直接传递给钢坯，有十分明显的节能效果，不供热预热段每延长1m，废气温度下降30℃，单耗降（3-4）*4.18KJ/kg。

不供热预热段长度占炉子有效长度的百分比值如表3，单位：

%

表3不供热预热段长度比例表%

燃烧方式

三段供热时

四段供热时

常规燃烧方式

33-35

20-26

空气单蓄热

18-20

空煤气双蓄热

5-8

（4）出钢温度

如果轧机允许，出钢温度应控制在下限，对节能和减少烧损都有好处，出钢温度每降低50℃，省能（11-13）*4.18KJ/kg。

（5）热装

①热装是工序节能的重要措施，应尽可能提高热装温度和热装率。

全炉热装时，燃料节约率（与冷装时额定燃料消耗比较）应达到下列表4的指标。

如果冷热混装，节约率将下降。

表4热装时燃料节约率表

热装温度

℃

20

400

600

700

800

900

推荐节约率

%

基准

15

28

35

45

53

热平衡计算节约率

%

基准

22.5

35.6

44.1

53.4

热平衡计算是在冷装和热装下，排烟温度均为800℃，事实上，热装时，排烟温度将超过800℃，因此建议用表4中的推荐节约率来衡量热装的效果。

实际生产中，由于不是全部热装，实际节约率将低于推荐节约率。

②不宜频繁地冷热混装，这样既不省能，又增大烧损，可以成批量地热装和冷装,冷坯与热坯间留出空料段，便于炉温控制。

有可能的话，单设专用热装炉。

但给计算机管理增加了难度。

③为适应热装需要，装料端设缓冲带，长度为额定产量时，与20分钟产量相应的板坯所占位置。

为此须设置长行程装钢机，不推荐将炉子分成前后两段独立运动的方式。

装料端缓冲带是为了轧机换辊停轧，热料不落地考虑的，一般为3-4块坯的位置。

炉子分成前后两段其用意在适应热装，但实际生产中均未采用，反而给设计和操作增加麻烦，所以不推荐采用。

④适当增加炉子温度控制段，以便在热装时成段切断，也可以采用脉冲燃烧方式，灵活地增加或减少供热段。

热装时，炉子产量往往不增加，最先的加热段可以不供热，或很小，如果投资可以，则采用脉冲方式，否则采用间拔。

总之供热段要多一点，有调整的手段。

（6）蓄热式燃烧技术

①蓄热燃烧技术是一项节能和环保方面都具有突出优点的新技术，是节能减排的重要措施，是使用高炉煤气于高温炉上的唯一途径。

②是否采用蓄热式方式要看燃料条件、加热坯料规格与品种的复杂程度、最终加热温度的多变性等情况。

从燃料条件来说，使用天然气和焦炉煤气时，采用空气单蓄热；使用混合煤气时，采用单蓄热和双蓄热都可以；使用低热值的转炉煤气和高炉煤气时，必须双蓄热。

蓄热燃烧炉膛温度调节灵敏度差，比较适用于炉温制度不经常变化的棒线炉。

热轧炉如采用双蓄热，由于双蓄热炉炉压较高，炉气外溢大，使操作环境变差。

如果是单蓄热，与常规炉炉压一样，因此对于热轧车间，如果燃料是混合煤气，建议采用单蓄热，虽然炉温调节性差，但节能效果是明显的，炉压控制也是容易的。

蓄热式炉除了炉压高以外，对炉温调节的响应速度慢是一个大的缺点，某厂数据如下：

2050热轧1#炉2050热轧3#炉

（几乎全部是单蓄热）（常规炉）

将炉温设定值提高20℃，

到达设定值的时间min7.52

将炉温设定值降低20℃，

到达设定值的时间min4.51.6

4.5.3燃混合煤气的常规炉改造成蓄热炉，应有明显的节能效果，指标应达到表5的水平。

表5混合煤气蓄热炉与常规炉能耗比较%

空气单蓄热

空煤气双蓄热

蓄热炉比常规炉

能耗节省率%

9

15

这是由常规炉改造成蓄热炉的最大好处。

（7）废气余热利用

连续加热炉的排烟温度在700-850℃，设置空气和煤气预热器，充分回收废气余热是轧钢加热炉最重要的节能措施。

①加热炉必须设置空气预热器，是否设置煤气预热器需根据加热炉布置条件、用户习惯等综合考虑。

对于转炉煤气和发生炉煤气的加热炉，应同时设置煤气预热器。

空煤气预热温度根据排烟温度不同，而稍有差别，非蓄热式炉要求预热温度水平见表6

表6非蓄热式炉空煤气预热温度值

炉型

空气单预热时

预热温度℃

空煤气双预热时

空气预热温度℃

煤气预热温度℃

碳素钢板坯加热炉

550以上

500-450

250-300

不锈钢板坯加热炉

500

450

250

棒材加热炉

500

450

250

线材加热炉

450以上

400

250-200

环形加热炉

500

400

250

②煤气预热器的设计温度不宜高于300℃，避免炉子在低负荷工作时，由于煤气预热温度超温，使其管壁温度过高，缩短使用寿命。

③空气预热器的废热回收率应必须在0.4以上，温度效率应在0.6以上，见表7和表8

表7预热器废热回收率%

废气温度

℃

空气预热温度℃

400

450

500

550

600

700

37.0

41.9

46.7

51.7

750

39.0

43.5

48.1

52.8

800

36.4

40.5

44.9

49.2

850

37.9

42.0

46.1

表8预热器温度效率%

废气温度

℃

空气预热温度℃

400

450

500

550

600

700

55.9

63.2

70.6

77.9

750

58.9

65.8

72.6

79.5

800

55.1

61.5

67.9

74.4

850

57.8

63.9

69.9

注：

表7和表8是以低热值2100*4.18KJ/m3的混合煤气，空气过剩系数1.1时计算的。

如果燃天然气或重油等高发热量的燃料，预热器的废热回收率应高于上表。

说明一点：

以往规定废热回收率要达到0.5，温度效率要达到0.7，从实际生产看，是难以达到的，或者说要达到，传热面积大大增加，空气侧和废气侧阻力也相应增大，也不是经济的。

④在空气预热器或煤气预热器后设置蒸汽过热器，以提高蒸汽品质，进一步降低排烟温度，值得推广。

但需核实在最低排烟温度时的烟囱负压，保证烟囱能顺畅地自然排烟。

⑤当进入预热器的废气温度不超过850℃时，禁止开启稀释风机；当热风温度不超过600℃时，禁止开启热风放散阀。

之所以这样，是未超出预热器的设计条件，充分回收废热，无需稀释高温废气，致空气预热温度降低。

（8）炉底支撑梁汽化冷却和其它水冷部件

炉底管用水量占整个炉子用量的80%以上，采用水冷时，耗水量大，热量又得不到利用。

采用汽化冷却时，耗水量仅为水冷的1/80～1/100，且蒸汽可以纳入管网，得到有效利用。

大中型步进梁式炉、推钢炉应采用汽化冷却。

产量小于100t/h的梁式炉由于产汽量较少，而强制循环汽化冷却系统投资较大，需要比较后决定，也可以采用水冷。

①严格控制推钢炉的管底比，尽可能减少裸露面积。

对于中型坯，管底比为0.3-0.45，钢锭0.55以下。

②生产中如出现蒸汽量大幅度提高，应查明水梁包扎层是否脱落并于修复，不能把炉子当作锅炉使用。

③正常生产时，步进梁式板坯炉产汽量为30-40kg/t钢，方坯炉为20-30kg/t钢。

推钢炉由于绝热层容易脱落，产汽量加大到40-60kg/t钢。

④其他水冷部件必须绝热包扎，在温升允许条件下，可以数个回路串联，尽量减少用水量。

⑤方坯炉的出料悬臂辊道宜采用轴芯水冷方式，进料悬臂辊道可采用水冷辊面方式。

⑥板坯步进梁式炉水梁和其他水冷部件的总热损失不应超过热支出的9%，方坯步进梁式炉不超过8%

（9）低空气过剩系数

空气过剩系数大，将造成氧化烧损和热耗增大，在一般情况下，均热段的空气过剩系数应在1.1，加热段可适当加大，炉尾含氧量检测残氧含量在2.5%以下（对混合煤气而言，相当于空气过剩系数1.2）。

不锈钢炉由于考虑除渣容易，炉尾含氧量检测残氧含量可稍大于3%

热轧板坯炉,冷装，热值2100*4.18KJ/m3混合煤气，空气过剩系数与单位消耗的关系如表9

表9空气过剩系数与单位消耗的关系

空气过剩系数

1.1

1.2

1.3

1.4

单位燃耗*4.18KJ/kg

320

327

333

340

与过剩系数1.1比较，增加的百分比%

基准

2.2

4.1

6.3

要求煤气热值稳定，否则空燃比无法控制。

残氧分析仪要处于完好状态，真正做到在线反馈。

（10）加强炉体和管道绝热

这一部分的热损失虽然占的比例很小，但对操作环境影响较大，因此也必须重视。

①加强炉体绝热，改善操作环境，炉体各部位根据不同接触面温度选择多层复合材料组成，绝热后的炉墙外表面设计温度应符合GB/T3468的规定，

由于锚固砖的热短路，实际温度均大于上表温度。

应注意烧嘴、空洞处的绝热，避免耐火层的开裂。

②采用低热惰性材料作为加热炉内衬是炉体砌筑的发展方向，尤其采用高温纤维模块组成的炉顶、炉墙，可大大减少蓄热和散热损失、提高炉内温度、提高炉子升降温速度，缩短停开炉时间、炉顶大梁和炉侧侧柱轻型化。

以板坯炉加热段，耐火材料热面温度1350℃为例，炉顶采用纤维模块时与传统的浇注料炉顶比较，散热损失将减少38%。

是否采用纤维模块，需根据用户的习惯、投资比较后再确定，采用模块后增加的投资回收期应不大于4年。

③炉子的耐火层和绝热层尽可能采用不定型材料，少使用耐火砖，节省制砖消耗的能源。

③炉子内衬粘贴厚度50mm多晶莫来石纤维毯，也有较好的效果，可降低外壁温度10-15℃，散热损失减少约17%。

④热风和热煤气管道必须绝热，以热风总管每米温降不得超过0.2℃，各段总管每米温降不得超过0.5℃来确定绝热层的厚度，此时管壁温度～80℃，国家规定是0.3-0.5℃/m，热风总管如按0.5℃/m，外壁温度太高，与实际不符。

（11）燃烧设备和控制

①根据燃料种类、炉型选择合适的烧嘴，使其在正常工作范围内具有良好的火焰特性，保证钢坯的均匀加热及低NOx排放。

常规烧嘴的调节比不应小于1：

5，蓄热烧嘴不小于1：

3，在调节比范围内不应产生回火和脱火。

②对于同一烧嘴使用多种燃料时，必须注意不同燃料的华白数和燃烧势接近，如果相差较大，则不能共用。

否则极易发生脱火或回火。

③烧嘴产生的NOx浓度应符合GB16297-1996《大气污染物排放标准》表2的规定，根据总的排放量确定烟囱高度，标准不低于二级。

④加热炉上常用烧嘴的NOx生成量限制如下:

（废气中含氧量均为3%）

平焰烧嘴<140ppm

调焰烧嘴<140ppm

蓄热烧嘴<130ppm

燃烧产生的