從冶金學(xué)或加工的必要性來看，在鋼鐵生產(chǎn)工藝中，從鐵礦石的還原和熔融到加工成最終產(chǎn)品的過程是一個反復(fù)加熱和冷卻的過程。為解決提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定操作、設(shè)備的緊湊化和節(jié)能等各種課題，日本各鋼鐵公司開發(fā)了適應(yīng)各生產(chǎn)工序的最佳加熱和冷卻技術(shù)?？梢哉f，日本鋼鐵工業(yè)的能源單耗和產(chǎn)品質(zhì)量能夠居世界領(lǐng)先水平，如果沒有鋼鐵生產(chǎn)工藝中的最佳加熱和冷卻技術(shù)，就不可能實現(xiàn)。近年來，為進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，日本對提高加熱和冷卻能力及對目標溫度的高精度控制提出了要求，同時還對考慮到環(huán)保節(jié)能的加熱和冷卻技術(shù)提出了要求。
一、加熱和冷卻的基本形式
熱傳輸?shù)男问娇煞譃闊醾鲗?dǎo)、對流傳熱和熱輻射等3種。熱傳導(dǎo)是物質(zhì)內(nèi)部的熱傳輸，是構(gòu)成物質(zhì)的原子或分子的振動傳播使能量傳輸?shù)默F(xiàn)象。對流傳熱是物質(zhì)表面和周圍氣體、液體或固體的宏觀流形成流動和混合，產(chǎn)生熱傳輸?shù)默F(xiàn)象。熱輻射是物體內(nèi)部所具有的能量以電磁波的形式從其表面放射出，并向周圍傳遞的現(xiàn)象。p u3i O D
關(guān)于物質(zhì)的加熱或冷卻過程，只要給出物質(zhì)表面的對流傳熱及熱輻射的臨界值，通過數(shù)值解析，就能準確求出。也就是說，要想準確預(yù)測出加熱和冷卻過程，就必須給出準確的臨界值。但是，由于決定各傳熱形式的熱物性值、流體模型和相變等熱傳輸量的因素很多，而且在實際的加熱和冷卻過程中，這些傳熱形式很少是單獨存在的，幾乎是一種相互關(guān)聯(lián)、非常復(fù)雜的現(xiàn)象。因此，在對作為對象工序的加熱和冷卻進行大量的傳熱實驗后，對熱傳輸量進行了定量，并給出了計算式，同時根據(jù)現(xiàn)場積累的操作數(shù)據(jù)，開發(fā)了適合各生產(chǎn)工序的最佳加熱和冷卻技術(shù)。
二、加熱技術(shù)n D R
在鋼鐵生產(chǎn)工藝中應(yīng)用了許多適合各工序的加熱技術(shù)，但從能量消耗量的大小或嚴格控制溫度的必要性來看，熱軋工序和連續(xù)退火及浸鍍工序的加熱技術(shù)的發(fā)展值得一提。
在熱軋工序中，板坯在加熱爐中的放射加熱、薄板坯連接用的感應(yīng)加熱或激光加熱已應(yīng)用于實際。在冷軋鋼板的連續(xù)退火和浸鍍工序中，應(yīng)用了許多加熱技術(shù)，如采用輻射管的放射加熱或使用還原性火焰的對流加熱、利用從廢氣中回收的高溫氣體進行對流加熱和在爐內(nèi)及爐外對鋼板進行感應(yīng)加熱等。加熱能力的大小取決于表面對流或放射產(chǎn)生的熱流束的大小。
雖然感應(yīng)加熱或激光加熱是一種局部加熱，但它們能在非常大的熱流束 (106～107W／m2)下進行加熱。板坯加熱爐的噴嘴火焰產(chǎn)生的放射加熱熱流束可達1～4×105W／m2，連續(xù)退火爐的還原火焰產(chǎn)生的放射及對流加熱熱流束可達1～3×105W／m2，連續(xù)退火爐的輻射管產(chǎn)生的放射加熱熱流束可達1～5×104W／m2，氣體射流產(chǎn)生的對流加熱熱流束可達1～2× 104W／m2。
在鋼鐵生產(chǎn)工序中，雖然熱流束的覆蓋范圍廣，但應(yīng)從冶金學(xué)上所要求的加熱速度的大小、溫度的均勻性、加熱氣氛條件(氧化及還原)、設(shè)備及燃料的經(jīng)濟性和設(shè)備的維護性等各方面綜合考慮后再選擇適宜的加熱方法。以下就鋼鐵生產(chǎn)工藝中的加熱技術(shù)，尤其是近年來引人關(guān)注的加熱技術(shù)進行介紹。
1、節(jié)能加熱技術(shù) C p)y ~ P n6` _
作為鋼鐵生產(chǎn)工藝中的加熱源，主要使用高爐、焦爐等產(chǎn)生的副產(chǎn)氣體。為實現(xiàn)節(jié)能，重要的是要減少廢氣損失，即盡可能地回收廢氣的熱能，循環(huán)利用于生產(chǎn)工序中。為此，開發(fā)了蓄熱式燒嘴系統(tǒng)，應(yīng)用于板坯加熱爐或冷軋鋼板的連續(xù)退火爐等許多設(shè)備。板坯加熱爐的蓄熱式燒嘴系統(tǒng)由一對交叉燃燒式燒嘴構(gòu)成，每個燒嘴中裝有由陶瓷球或陶瓷蜂窩構(gòu)成的蓄熱體，利用切換閥使空氣和燃燒氣體交叉流入蓄熱體中，由此可通過空氣回收儲存于蓄熱體中的燃燒氣體的顯熱，作為高溫預(yù)熱空氣進行燃燒。,h¬k d,c ~S g ]0y
閥的切換時間以大約30秒為間隔進行循環(huán)，對于1300℃的爐溫，平均循環(huán)一次就能將空氣預(yù)熱到1100℃。另一方面，廢氣溫度的下降僅大約250℃，可將廢氣熱損失降到最低。大型連續(xù)式板坯加熱爐或連續(xù)退火爐的輻射管燒嘴應(yīng)用蓄熱式燒嘴系統(tǒng)后取得了大幅度節(jié)能的效果，節(jié)能效果比以往普通燒嘴提高20％～25％。納米科技世界論壇, Nanoscience and
2、低污染加熱技術(shù)、*od-j0w$C Li
為提高爐子的加熱能力，有效的辦法是提高火焰溫度，但提高火焰溫度會出現(xiàn)NOx增大的問題。尤其是采用蓄熱式燒嘴時，空氣被預(yù)熱到非常高的溫度后會出現(xiàn)高溫燃燒，NOx呈指數(shù)形式增大成為一個課題。為解決這一課題，研究了采用高溫低氧濃度燃燒技術(shù)來提高熱效率和減少NOx發(fā)生量的技術(shù)。
根據(jù)以往的燃燒概念可知，當(dāng)空氣中的氧濃度下降時，火焰的穩(wěn)定性會下降，難以維持穩(wěn)定的燃燒，而且未燃排放物呈增加的趨勢。但是，如果空氣溫度超過1000℃，即使空氣中的氧濃度低于5％，也能穩(wěn)定維持燃燒。采用碳氫化合物燃料時，如果氧濃度降低到2％左右，火焰會呈現(xiàn)無法觀測到的無焰氧化反應(yīng)狀態(tài)，雖然火焰又長又大，但能持續(xù)穩(wěn)定燃燒。采用普通氧濃度的空氣進行燃燒時，當(dāng)空氣預(yù)熱溫度升高時，NOx發(fā)生量會呈指數(shù)形式增大，但采用高溫低氧濃度燃燒時，NOx的增加比例與溫度的關(guān)系小，即使空氣溫度達到1150℃，當(dāng)氧濃度下降到5％時， NOx濃度也非常低(大約100ppm)，此時，CO和UHC的排放也幾乎可以忽略不計。
3、冷軋鋼板的快速無氧化加熱技術(shù)
在冷軋鋼板的連續(xù)退火工序中，有采用輻射管的放射加熱方式(下稱輻射管加熱)和采用還原火焰燒嘴的火焰噴流進行對流加熱的方式(下稱直焰加熱)。采用輻射管加熱時，鋼帶的放射率小，另外從金屬管的耐熱使用壽命來看，使用溫度存在極限，因此存在著不能形成大的熱流束的問題。而采用直焰加熱時，它幾乎不受放射率的影響，由于火焰是高速沖撞到鋼板，由此能獲得大的熱流束。納米科技世界論壇, Nanoscience and
根據(jù)輻射管加熱和直焰加熱的加熱速度比較可知，直焰加熱的加熱速度是輻射管加熱速度的大約 4倍。直焰加熱可以使火焰具有還原性，用途很廣，為此開發(fā)了將燃料和空氣分別供給進行燃燒的擴散燃燒式燒嘴和預(yù)先將空氣和燃料進行充分混合后供給的預(yù)混合燃燒式燒嘴。為使火焰具有高的還原性能，從原理上來看，可以說預(yù)混合燃燒式燒嘴具有優(yōu)越性。但是，預(yù)混合燃燒存在著回火的問題，因此空氣預(yù)熱溫度難以提高，難以應(yīng)用于高溫爐。為解決這些問題，開發(fā)了高溫預(yù)熱空氣還原燒嘴。考慮到高溫預(yù)混合氣體的燃燒速度，對氣體流速進行了設(shè)計，并對噴嘴的隔熱和冷卻結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，以便即使在低負荷燃燒時(負荷25％)，噴嘴內(nèi)也不會發(fā)生回火。由此可使預(yù)混合式的直焰加熱技術(shù)得以應(yīng)用于實際，其預(yù)熱空氣溫度可達到 400℃，爐溫可達到1350℃。當(dāng)空氣溫度在400℃時，爐效率為大約59％，與沒有空氣預(yù)熱相比，可節(jié)能大約20％，同時可大幅度縮短爐子的長度。
——摘自《試驗測試信息網(wǎng)》
冀公網(wǎng)安備13050002001422號