基于现有工艺流程提高余热利用的措施探讨.pdf

DOI:10.3969/j.issn.1000-6826.2021.12.2002基于现有工艺流程提高余热基于现有工艺流程提高余热利用的措施探讨利用的措施探讨Discussion on Measures to Improve Waste Heat Utilization Based onExisting Process Flow供稿|谭杜/TAN Du导读内容在现有的连铸到加热炉工艺流程基础上提高余热利用能力可以获得低碳排放和直接经济效益。本文基于一个带有普遍性的大方坯实际案例，现阶段无法通过高拉速来实现近终型和直送直轧，因此提高到达加热炉的定尺铸坯温度从而提高余热利用很有必要；基于此给出了现有可能提高到达加热炉定尺铸坯温度的措施，并对每种措施进行定量的分析。通过分析可以得出：1）措施分为连铸段和输送段两段展开，对比输送段，提高连铸段的温度可以获得整体铸坯温度的提升，余热利用效率更高；2）厂房密闭性对提升余热利用也是一个重要影响因素，基于大量的实测、经验和模型计算，以“附加换热系数”的形式实现厂房密闭性的半定量化；3）在连铸段内进行相应改造，拉速提高0.1 m/min、二冷采用弱冷和切前保温，使铸坯温度整体提升 40 C 以上，显著提高余热利用水平。近终型13和直送直轧47是连铸连轧余热利用的最高形式或次高形式8，可以去掉加热炉环节，从而大大提高热量利用率，减少排放，降低生产成本，但却需要进行大量的改造，涉及到厂房和工艺流程的改变，尤其是近终型，基本上是推倒重来。并且，有坯型的限制，目前针对大方坯坯型，并没有近终型和直送直轧相关技术。当前大部分我国钢铁企业的实际情况是：对于大方坯坯型，一方面在现有技术手段条件下，提拉速的前景有限，且提拉速会带来质量急剧恶化，因此无法走向近终型和直送直轧；另一方面，大部分老旧的厂区从连铸到加热炉并非直接对应，无论在高度和水平尺度上都需要过渡和转换，定尺铸坯运行时间较长，很难优化降低。针对实际情况，如果能在现有的连铸到加热炉工艺流程基础上，进行少量的设备和工艺改造，提高到达加热炉前定尺铸坯温度，从而提高余热利用能力，可以显著降低生产成本，有很大的应用前景。另外，提高到加热炉定尺铸坯的表面温度还有一个质量方面的好处：如果铸坯到达加热炉温度低于钢种的铁素体析出温度时间较长，会带来铸坯表面奥氏体晶界脆化，在加热炉内的升温阶段工艺就 作者单位：阳春新钢铁有限责任公司，广东阳春529600 122023 年第 4 期会产生表面裂纹，而通过提高到达加热炉定尺铸坯的表面温度可以避免或者降低此表面裂纹产生的几率。本文基于实际案例，详细给出可能提高到达加热炉定尺铸坯温度的措施，包括增加厂房密闭性、提高拉速、增加保温罩、减小从连铸坯切割后到达加热炉的输送时间、降低二冷强度等，并给出定量化计算及评价，尤其对于厂房密闭性，在相关文献中并没有指出其重要性，本文也给出了半定量化的方法和结果。案例情况及分析本案例是某厂的实际案例，针对 200 mm380 mm 断面，提高进入加热炉的铸坯温度，从而提高余热利用水平。此案例具有普遍性，对提高余热利用水平具有很强的应用性。案例情况铸机相关信息见表 1，二冷划分见表 2。表1铸机主要参数 机型引锭方式弧半径/m流数流间距/mm断面/（mmmm）结晶器/mm弯月面到火切机起始位置/m总长有效长度全弧形刚性引锭杆94170020038080072025.822 表2二冷划分 回路开始位置/m结束位置/m间距/m冷却方式1C0.721.100.38全水2C1.102.851.75气雾3C2.854.231.38气雾4C4.236.742.51气雾注：C为冷却回路，4C只内外弧喷水，窄面不喷水 切割后到加热炉各环节信息、停留时间、现场实测铸坯表面温度见表 3，其中测温点的温度为现场实测的铸坯坯头位置的内弧（上面）温度。铸机密排夹持段结束位置距离结晶器弯月面长度为 4.25 m。提拉速的可能性提高拉速是提高余热利用最直接、最有效的方法，但对于大方坯（和矩形坯），随着拉速的提高，夹持段长度一旦不够，则铸坯鼓肚会加剧，从而严重影响铸坯质量。根据此案例铸机参数和生产钢种 HRB335，二冷水量按照实际生产工艺的强冷工艺，计算了在现有夹持长度下不同拉速的 2 m 非夹持鼓肚，如图 1 所示。根据中冶南方连铸大量的工程经验912，设计密排夹持辊标准为宽面鼓肚不大于 1.06 mm10，结合图 1，本铸机现有密排夹持段长度下安全拉速为0.77 m/min。目前本铸机生产 HRB335 钢种拉速已经达到 0.9 m/min，已经偏大，坯型和内部质量会有一定程度影响。因此保持现有密排辊长度不变，进一步提拉速的可能性不大。表3切割后到加热炉过程细节 序号工序耗时/s温度/C备注1火切机切割开始到结束93779结束时温度2切割后到称重26775称重前温度3称重17.54称完后到出坯区（停下来）24763停下来时温度5移坯车推钢（3根）到滑轨上端17756每根一推6热送辊到十字转盘一入口51742转盘入口温度7十字转盘一入口到出口137428十字转盘一出口到十字转盘二入口239十字转盘二入口到出口1110十字转盘二出口到加热炉入口13733进炉温度合计288.5测温点受氧化皮掉影响节能减排热点聚焦Highlights Focus130.81.01.21.41.61.82.00.700.750.80.850.900.951.00拉速/(m/min)鼓肚量/mm2 m 非夹持鼓肚趋势夹持段确定标准图1非夹持鼓肚趋势 切割后定尺铸坯温降计算根据现场实际水量，对连铸机内到加热炉入口整个温度进行了计算。由于切割起始点为 25.822 m，定尺长度为 5.7 m，铸坯在铸流内的长度约为 31.5 m，因此本计算中冶金长度并没有取切割起始点而是取了 31.5 m。从图 2 中可以看出：切割后铸坯计算温度和实测温度符合的较好，对于定尺铸坯，由于坯头和坯尾出生时间不同导致冷却总时长不同，5.7 m 定尺自身坯头到坯尾有约 45 C 的温差，即坯头比坯尾温度低 45 C。此温差对于轧钢来说基本合适。6007008009001000012345时间/min温度/铸坯中心温度铸坯表面温度实测温度图2计算结果和实测结果比较 提高到达加热炉铸坯温度的措施要提高提到达加热炉定尺铸坯温度，分 2 部分采取措施：连铸段即铸流内铸坯温度的提升，主要的措施有提高拉速、降低二冷强度、增加保温罩等；输送段即切割后到加热炉的输送过程温度的提升，主要的措施有厂房密闭性、缩短输送段时间、增加保温罩等。下面针对本文的实践案例，对各措施进行详细计算。提高厂房的密闭性通过调整模型参数来拟合实测数据，表明本铸机所在的厂房通风性很好，定尺铸坯温降过快。依据大量的现场经验8，厂房不封闭、通风性好，则温降速率偏大，而且“过堂风”的冷却效果相当好，尤其是气温低的“冷空气过堂风”。一般厂房密闭性好时，对于温度在 700800 C 的铸坯，附加换热系数一般取 1025 W/（m2K），而本计算中，附加换热系数取 4060 W/（m2K）才获得图 2 的计算温度和实测温度拟合较好的结果，因此断定本厂房的通风性很好，形成了通畅“过堂风”效果，实际考察厂房情况，确实如此。当前新厂房通常宽敞且一层不封闭，这对于铸坯保温来说不利，反倒是老旧厂区厂房的封闭性更好。因此，增加厂房的密闭性可以降低铸坯切割后温降，在现有生产工艺条件下实现提高到达加热炉的铸坯温度的措施之一。按照以往对厂房密闭性程度的经验，提高厂房的密闭性后（附加换热系数取2025 W/（m2K），同现有情况的铸坯表面温度变化结果如图 3 所示，相比较于现有结果，到达加热炉的温度可以提高约 20 C。730740750760770780790800810820012345时间/min温度/现有情况提高厂房密闭性后的情况图3厂房密闭性提高后铸坯温降趋势 从理论上说，在输送段增加保温罩，除了降低辐射以外，还可以起到增加密闭性从而降低对流换热的作用。提高铸机拉速提高铸机拉速可以显著提高到达加热炉入口的铸坯表面温度，更为重要的是，提高拉速后可以显著提高铸坯中心温度和整体温度，从而显著提高铸坯整体余热利用水平，这也就是为什么直送直轧的实现必须以高拉速为前提的原因。节能减排Metal World 142023 年第 4 期图 4 是计算提高拉速后的温度趋势，从中可以看出：拉速提高后，切割后到加热炉入口的铸坯温度提高，拉速从 0.9 到 1.1 m/min，每提高 0.1 m/min拉速，到达加热炉入口的铸坯表面温度提高约25 C，而中心温度提高约 40 C，铸坯的整体温度获得了显著提升。70075080085090095010001050110000.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0时间/min温度/a拉速1.1 m/min，中心温度 b拉速1.0 m/min，中心温度c拉速0.9 m/min，中心温度 d拉速1.1 m/min，表面温度e拉速1.0 m/min，表面温度 f拉速0.9 m/min，表面温度abcdef图4不同拉速下切割后铸坯温降趋势 根据前面的分析，要提高铸机拉速，就要增加夹持段。现场在鼓肚和内部质量允许的情况下，通过适当增大二冷水量来尝试尽可能的提高拉速，以此达到提高到达加热炉的铸坯温度。减少切割到加热炉的时间从切割开始到加热炉的时间为 4.8 min 左右，降低此时间有利于提高铸坯温度，针对本铸机，切割时间、称重时间、移坯车时间、十字转盘时间等基本上很难优化，可以优化的是辊道时间，通过提高辊道输送速度来减少整个辊道时间，主要有以下几个辊道时间如表 4 所示：如果通过辊道时间减少一半，即减少约 1 min，则可以提高铸坯表面温度 15 C。现在的高速辊道技术相对成熟，但是提高区域的辊道速度肯定会带来区域后期工艺顺行的控制难度，比如提高了切割后到称重前的辊道速度，必然带来到达称重位置铸坯速度过高导致控制难度增大，而一旦实施提前降速，过多的中间过程会使得提高辊道速度来减小切割到加热炉时间效果大大降低。切割后增加保温罩增加保温罩可以降低辐射散热，同时可以降低空气对流带来的换热，就现厂房的通风情况下，增加保温罩可以显著降低“过堂风”的影响。显然，保温罩只能添加到输送辊道上，在切割区、称重区、移坯车区、十字转盘区等是无法增加保温罩的（即使增加，效果也不会很好）。图 5 为在所有输送辊道上增加保温罩的温度计算结果，增加保温罩，铸坯表面温度提高了约 8 C。其中相对辐射换热系数8取 0.75 W/（m2K）。72074076078080082000.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0时间/min无保温罩增加保温罩温度/图5在辊道上增加保温罩的效果 铸流内增加保温罩除在切割后到加热炉前的辊道上设置保温罩外，在铸流内的切前辊道上设置保温罩同样具有提高铸坯温度的作用。图 6 是在切前辊道上设置了5.5 m 保温罩的位置示意，具体对应的铸流位置为18.023.5 m，表 5 是特征温度比较。在保温罩结束位置（23.5 m 处），铸坯表面温度整体提升 40 C；中心温度提升相对较小。在铸流后的入口处，铸坯整体温度（中心温度、表面温度）提升 10 C 以上；在到达加热炉处，铸坯整体温度提升 710 C。降低现有二冷冷却强度降低二冷冷却强度，可以提高铸坯整体温度，表4区域时间统计 区域名称时间/s切割后到称重26称完后到出坯区24热送辊到十字转盘一入口51十字转盘一出口到十字转盘二入口23十字转盘二出口到加热炉入口13合计137节能减排热点聚焦Highlights Focus15从 而 提 高 到 达 加 热 炉 的 铸 坯 温 度。在 拉 速 为0.9 m/min 条件下，比较了强冷和弱冷对铸坯温度的影响，其中强冷工艺各区水量分别为 71.9、100.7、44.0 和 37.1 L/min，弱冷工艺各区水量分别为 48.7、64.0、26.5 和 20.8 L/min。表 6 是二冷采用不同冷却强度下铸流后特征温度比较，从中可以看出，采用弱冷工艺后，到达加热炉处的铸坯整体温度提升了914 C，效果略好于在切前辊道增加保温罩。表6二冷采用强冷和弱冷工艺铸坯温度变化比较 位置冷却工艺温度/C中心表面入口（0时刻）强冷955.4809.6弱冷973.9821.8加热炉处强冷898.9738.6弱冷912.9747.6 但是，在现有夹持段长度偏短的情况下，降低二冷水量会加剧鼓肚，从而恶化质量，因此降低水量的方式需要验证。综合措施经过前面的讨论，给出一种铸流内综合措施带来的整体提高铸坯温度，即拉速从现有的 0.9 m/min提升到 1.0 m/min，二冷从强冷降低为弱冷，并且在切前增加 5.5 m 的保温罩。按照现在的计算和设计，原则上本综合措施需要进行铸机改造（增加保温罩，加长夹持段长度），但现场可以从工艺如提高拉速、降低二冷强度，虽然铸坯鼓肚几率会显著增加，但如果普碳钢的内部质量尚可，同时不影响后续加热和轧钢，那就在尽量少改造情况下实施提升余热利用的措施。具体计算条件说明如下：现有工艺为拉速0.9 m/min，二冷采用强冷，切前无保温罩，切后同现有情况；综合措施为拉速 1.0 m/min，二冷采用弱冷，切前有保温罩，切后同现有情况。表 7 是现在工艺和综合措施对应的特征温度比较结果，从中可以看出，采用综合措施后，到达加热炉处的铸坯表面温度提升了 40 C 以上，中心温度提升了 70 C，效果显著。表5切前辊道上设置保温罩后铸坯温度变化 项目位置有无保温罩温度/C中心表面铸流内18.5 m处无1241.6982.2有1241.61002.623.5 m处无1098.1902.1有1105.1943.1铸流后入口（0时刻）无955.4809.6有968.9819.2加热炉处无898.9738.6有909.8745.9 表7综合措施和现有工艺下铸坯温度变化比较 位置工艺或措施温度/C中心表面入口（0时刻）现有工艺955.4809.6综合措施1031.4850.8加热炉处现有工艺898.9738.6综合措施968.1780.2 15005=750075075022002000131011503455200500增加约5.5 m的保温罩图6在切前辊道上设置保温罩位置示意（单位mm）节能减排Metal World 162023 年第 4 期各措施效果比较根据前面的讨论，将各种措施及其效果汇总，如表 8 所示。至于每项措施的具体改造内容、实施难度及投资等，需要进行更详细的讨论。以上的措施中，在不需要改造情况下，工艺上可以尝试提高拉速、降低二冷强度，如果铸坯鼓肚的增加导致坯型、内部质量等恶化程度可以接受，则可以提高余热利用水平。表8措施和效果汇总 序号措施可能的效果实施内容1提高厂房密闭性提高约20 C需要具体评估2提高拉速拉速提高0.1 m/min可以提高表面温度25 C、中心温度40 C增加密排夹持段改造；增大二冷水量3减少输送时间每减少1 min提高温度约15 C提高现有辊道速度；高速辊道改造4增加保温罩提高表面温度8 C以上在输送辊道上增加保温罩5切前增加保温罩铸坯整体提升710 C增加保温罩改造6降低二冷强度铸坯整体提升914 C工艺尝试7综合措施铸坯整体提升可以达到40 C以上延长密排夹持段；增加保温罩 如果可以进行适当的改造，通过延长密排夹持段和在切前增加保护罩，实现拉速提高、二冷采用弱冷和切前保温综合措施，相对于现有工艺，可以使铸坯温度整体提升 40 C 以上，显著提升余热利用的效果。从表 8 可以看出，相对于输送段，提高连铸段的温度可以获得整体铸坯温度的提升，而不仅仅是表面温度提升，余热利用效率更高，这也是近终型和直送直轧必须以高拉速为前提条件的原因。结束语（1）针对现有工艺流程提高到达加热炉的定尺铸坯温度，措施可以分为连铸段和输送段，相对于输送段，提高连铸段的温度可以获得整体铸坯温度的提升，余热利用效率更高；（2）厂房密闭性对提升余热利用也是一个重要影响因素，本文基于大量的实测、模型和经验，以“附加换热系数”的形式使厂房密闭性可以半定量化。（3）通过在连铸段内采取措施，延长密排夹持段和在切前增加保护罩，实现拉速提高、二冷采用弱冷和切前保温综合措施，基于现有工艺，可以使铸坯温度整体提升 40 C 以上，显著提升余热利用的效果。参考文献 Alzetta F，Toschi F.ABS“Luna”ECR设备：运行三年后的最新进展和使用效果.钢铁，2004，39（增刊）：1051 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