專利名稱：用于再加熱冶金產品的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于再加熱冶金產品的方法，其中固體產品特別是鋼產品被再加熱，以使通過將它們送過一個具有上游區(qū)和下游區(qū)的爐子將其從一個低于大約400℃的溫度升高到一個至少大約1000℃的溫度，上述產品在上游區(qū)預熱，并在下游區(qū)被升高到它們在爐子出口處的最終溫度，爐子的下游區(qū)安裝有燃燒器，至少其中一些燃燒器以一種氧化劑即空氣運行，由這些燃燒器產生的廢氣相對這些產品逆向流通并預熱在上游預熱區(qū)的產品。
該種類型的爐子通常由幾個連續(xù)的區(qū)域組成。從投料端開始，這些連續(xù)的區(qū)域是稱作廢氣排氣(或回流)區(qū)的上游區(qū)(沿產品通過爐子的方向)，其中，在爐子下游產生的廢氣的熱能被回流，該廢氣逆向于待再加熱的產品流通，以開始預熱這些產品。
在該預熱區(qū)的后面有一個或多個加熱區(qū)，和該爐子終止于用于確保在爐子出口的產品溫度均勻的稱作平衡區(qū)的區(qū)域。燃燒器可以優(yōu)選地安裝在從該預熱區(qū)通過直到一個或多個加熱區(qū)端部的產品的任一側。這些燃燒器也可以置于爐子(輻射爐頂殼)的頂部或者置于寬度超過爐子寬度的爐口(port)之中。
當一種產品通過該再加熱爐的不同連續(xù)區(qū)時，在產品的表面和內部的溫度將逐漸地升高。由于該特色的熱傳導特征，尤其是鋼，在產品的上表面和下表面之間或者在產品的上表面和核心之間有一個溫度差。對這些溫度不均勻的控制是本發(fā)明的一個重要方面。
可以注入到一個再加熱爐中的熱能越受到限制，則該產品溫度的不均勻問題就越嚴重。該限制有多種起因有限的廢氣體積，爐子的一個或多個區(qū)域的最大溫度，在能量回流換熱器的入口處的最大溫度等等。在所有情況下，該注入的熱能的限制導致傳遞到產品的能量的限制，并因此導致整個產品的溫度不均勻性的出現(xiàn)或加劇。為了對本技術領域的熟練人員所面臨的該問題作一個全面的解釋，

圖1示出了當再加熱該產品時溫度差Δt(在下文中定義)的變化曲線。
對于一個其中上述產品位于爐床上的爐子，溫度差Δt即在爐子中暴露于輻射的該產品上表面的溫度和與爐床接觸的該產品下表面的溫度之間的差。
對于一個移動(步進)式爐床的爐子，也就是說爐子中的熱氣繞該產品流通，溫度差ΔT即為在產品的表面溫度和核心溫度之間的差。
在圖1中所畫出的X軸表示爐子中的產品位置，Y軸表示溫度差ΔT的值。初始溫度差(ΔTinit)在爐子填充了具有環(huán)境溫度的產品時為零，或者當產品的溫度還不均勻例如對剛生產不久的冶金產品的處理的情況時為非零。在圖1中，X表示爐子中產品的位置，0橫坐標為產品進入爐子處的裝料點，而XB為爐子出料或出口橫坐標。
在圖1中作為X的函數(shù)的ΔT的變化曲線(C)上，點A處參數(shù)ΔT達到了最大值(ΔTmax)，點D處參數(shù)ΔT值為ΔTinit，該值是在產品裝料口的ΔT值，點B處參數(shù)ΔT值為在爐子(出料)的產品出口處的ΔTfinal。
在爐子中間的一個位置上，在橫坐標XA處溫度差ΔT達到其最大值(ΔTmax)。該值ΔTmax必須盡量低，因為一個大的溫度差等效于產品的變形(翹曲)，該變形(翹曲)將導致產品遭受性能惡化或者使得爐子不能運行或者使得產品在離開爐子時不能被軋制。因此，在一些爐子中，操作者必須限制爐子的功率和/或爐子的產量以防止出現(xiàn)過大的溫度差ΔT，這對制造商而言是一個主要缺陷。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的第一個目的是防止在產品通過爐子的期間在產品中出現(xiàn)過大的溫度差。
圖2示出了當產品通過爐子時產品的溫度差ΔT和彎曲即垂直變形之間的關系。
該圖2表示了如圖1中的曲線(C)和曲線(F)，曲線(F)表示了作為X的函數(shù)的該產品的垂直變形?？梢钥闯觯畲笞冃位緦谧畲螃(對應于X＝XA橫坐標的ΔTmax)。
此外，還示出了另一個重要的參數(shù)即在爐子出口處的溫度差ΔTfinal。理想地，在爐子出口處溫度差ΔTfinal應該為零(出料)。實際上，一定的溫度差ΔTfinal是容許的，但是該溫度差對方坯而言不可以超過大約100℃，對扁坯或大塊鋼坯而言不可以超過大約200℃。這是因為一個大的溫度差導致軋制困難，該困難在一些軋制機座中會造成機械事故。另外，任何溫度不同在成品中表現(xiàn)為質量的下降。
本發(fā)明的另一個目的是不用增加爐子的能量消耗而減少離開再加熱爐的產品的ΔTfinal。
在工業(yè)加熱雜志中發(fā)表的G.Gitman，T.Wechler和B.Levinson的題為“通過燃燒系統(tǒng)的氧氣優(yōu)化連續(xù)再加熱爐的有效操作”中，描述了用于再加熱冶金產品的各種系統(tǒng)，并建議使用氧氣-燃料燃燒器而非通常的空氣-燃料燃燒器，以增加到達上述產品的能量傳遞，并保持甚至增加這些產品的ΔTmax，如該論文中的圖7所示。
與上述論文中所述方法不同，根據(jù)本發(fā)明的方法在于安裝其中氧化劑的氧氣百分比大于21vol％并小于或等于100vol％(下文稱作氧氣-燃料燃燒器)的燃燒器，這些燃燒器被安裝到爐子中，以使它們是在產品投料后產品通過爐子的過程中被待處理產品“看到”的第一批燃燒器。因此，由這些氧氣-燃料燃燒器形成的預熱區(qū)是該爐子的第一個預熱區(qū)。在新爐子的情況下，因此，本發(fā)明在于將氧氣-燃料燃燒器置于第一批燃燒器所應處于的該爐子的那個區(qū)域(術語“第一批”是就該冶金產品通過爐子的方向而言)。
根據(jù)本發(fā)明的本方法的特征在于至少一個燃燒器置于爐子的上游預熱區(qū)，該燃燒器被供給一種氧化劑和一種燃料，該氧化劑包含大于21％體積并優(yōu)選地大于30％體積的氧氣。該氧化劑和燃料可以通過獨立的噴射(噴射嘴開口到爐子內)或者通過同軸噴射(同軸多管燃燒器)，或者通過在噴射進燃燒器之前的氧化劑/燃料預混合，供給到燃燒器，然后供給到爐子。這些不同的噴射技術本身是那些在本技術領域的熟練人員所熟知的。
在對一個現(xiàn)有爐子進行改進時，本發(fā)明有兩種實施變型。
第一個變型在于形成一個具有氧氣-燃料燃燒器的新爐子。
為此，該氧氣-燃料燃燒器被安裝到爐子中的一個本來沒有燃燒器的區(qū)域。例如，這由被安裝在緊靠第一加熱區(qū)的前面(該區(qū)通常具有空氣-燃料燃燒器)的稱為回流區(qū)的爐區(qū)的端部的一些氧氣-燃料燃燒器組成。
第二個變型在于轉化一個現(xiàn)有區(qū)域，也就是說，一個現(xiàn)有預熱區(qū)的所有或一些空氣-燃料燃燒器被移去，以用安裝在該同一區(qū)域的氧氣-燃料燃燒器替換它們。
在現(xiàn)有爐子中本方案的上述兩個變型可以獨立或組合實施。
根據(jù)一個第三變型，根據(jù)本發(fā)明的該方法的特征在于，噴射到上述氧氣-燃料燃燒器的氧化劑中的氧氣比例取決于現(xiàn)有空氣-燃料燃燒器的預熱溫度，氧氣的比例以這樣一種方式選擇，以使得氧氣-燃料燃燒器的熱產出(thermal yield)大于現(xiàn)有空氣-燃料燃燒器的熱產出。
根據(jù)一個第四變型，根據(jù)本發(fā)明的該方法的特征在于，噴射到上述氧氣-燃料燃燒器的氧化劑中的氧氣比例大于或等于88vol％，優(yōu)選地大于或等于95vol％。
根據(jù)一個第五變型，根據(jù)本發(fā)明的該方法的特征在于，傳送到上述至少一個燃燒器的氧化劑是一種空氣和工業(yè)用純氧的混合物。
根據(jù)一個第六變型，根據(jù)本發(fā)明的該方法的特征在于，傳送到上述至少一個燃燒器的氧化劑是一種來自于一個本技術領域的熟練人員所熟知的VSA(真空擺動吸附(Vacuum Swing Adsorption))系統(tǒng)的氧氣和空氣的混合物。
最后，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，根據(jù)本發(fā)明的該方法的特征在于，噴射到上述至少一個燃燒器的氧化劑包含1-5％的氬氣。由于氬氣的分子質量和密度大于氧氣的對應值，在包含氧氣的氧化劑中氬氣的存在使得火焰的動量的增加。該動量的增加將產生一種火焰，該火焰更穩(wěn)定，對橫流更不敏感，離待再加熱的該冶金產品更近，從而對待再加熱的產品進行更有效的和更均勻的加熱。
在所有情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法的重要參數(shù)之一是在該爐子的至少一些燃燒器中使用富氧空氣作為氧化劑，該富氧空氣中的氧氣百分比可根據(jù)所希望的目的而變動。這樣，氧化劑中氧氣的百分比可以在從大于21vol％到100vol％之間變動。
當氧化劑中氧氣的百分比增加時，這會導致使用該氧化劑的燃燒器的熱產出增加。增加一個再加熱爐中的一個或多個燃燒器的熱產出對該爐子和其環(huán)境有效果，特別是在節(jié)能方面。圖7示出了作為參數(shù)例如空氣預熱溫度或氧氣百分比的函數(shù)的產量和廢氣體積的變化。從該曲線中可以看出，不管空氣預熱溫度多高(當使用空氣作為氧化劑時)，總可以找到比使用空氣燃燒的熱產出高的氧化劑中的氧氣百分比。例如，如果空氣預熱溫度為300℃，任何％O2大于30vol％(見圖7)的氧化劑將給出一個更高的熱產出，即節(jié)能。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點與爐子中的廢氣體積有關。圖8示出了作為氧化劑中氧氣百分比的函數(shù)的廢氣體積(單位Sm3/h每kW燃料)的變化。
當使用空氣時廢氣的體積(圖8中的“空氣參照線”)是恒定的，與空氣預熱溫度無關。舉例來說，使用純氧作為氧化劑使得廢氣的體積從10.6Sm3/h降到3Sm3/h，即降低到3.5分之一。
廢氣體積的下降允許回流換熱器的更好運行，從而使得增加爐子的“產量”成為可能，這將在下文作以說明。
爐子中的廢氣體積與爐子中的壓力(該壓力必須保持在最低限度)直接相關當保持使用空氣作為氧化劑時，增加在爐子中傳送的熱功率，將實際上意味著爐子中廢氣體積的增加，并從而導致爐子中壓力的增加，這將會造成損害甚至可能破壞該爐子的風險。
本發(fā)明可以不同方法實施一取決于所要實現(xiàn)的目的，這將在下文中作以說明恒定小時生產量(Production)以相同的產量(再加熱金屬的恒定小時產量)使用本發(fā)明通過以下方式實現(xiàn)，即在所討論的區(qū)域安裝氧氣-燃料燃燒器，使這些氧氣-燃料燃燒器在一個給定的功率(Poxy)下運行，同時，使其它加熱區(qū)域的空氣燃燒器減少一個至少等于該氧氣-燃料燃燒器的功率Poxy但卻小于該功率Poxy的兩倍的功率(Poxy＜功率減少＜2Poxy)。因此，在改進的爐子中的該空氣-燃料燃燒器的功率等于初始空氣燃氣功率(以改進該爐子之前，即Pairref)減去αPoxy，其中1＜α＜2。
在圖5中示出了全空氣燃燒和在一些燃燒器已被替換為純氧燃燒器的同一個爐子之中的燃燒之間的理論變化ΔT，可以看出由于溫度差ΔT所產生的兩個問題都得到了解決。
ΔTmax被降低，同時，ΔTfinal也被降低。
增加小時產量圖5示出了本發(fā)明的另一個結果當在爐子中保持任何在只使用空氣燃燒的爐子中相同的ΔTmax和ΔTfinal值時，小時產量可以增加。該小時產量的增加可以兩種方法實現(xiàn)，即在保持再加熱產品的尺寸不變時增加出料率/速率(discharge rate)，或者在出料率保持不變的同時增加再加熱產品的尺寸。
保持產品尺寸不變對同一產品而言，產量的增加將反映為出料率的增加。在爐子中的停留時間因而減少，并且該產品的溫度不再有時間變得均勻ΔTmax和ΔTfinal增加，因而使得增加產量不可能實現(xiàn)。
本發(fā)明的實施使得減小ΔTmax和ΔTfinal成為可能，從而再一次使得增加產量成為可能。ΔTmax和ΔTfinal將恢復為它們的初始值，但是該小時產量已經被增加，而沒有消耗額外的能量。
圖6通過不同的曲線ΔT＝f(產品在爐子中的位置)示出了各種可能理論情形。
曲線G表示了100％空氣燃燒(現(xiàn)有爐子)的情形，曲線H表示了安裝了使得增加產量成為可能的氧氣-燃料燃燒器的同一個爐子，而曲線I表示了安裝了允許保持產量恒定但降低了ΔTmax和ΔTfinal的氧氣-燃料燃燒器的同一個爐子。
增加產品的尺寸增加小時產量的另一個方法是增加恒定出料率下的產品的尺寸。結果與上述一致。當產品的尺寸增加時，特有的傳導時間被改變，溫度差因此而改變；如果燃燒只在空氣條件下發(fā)生，則ΔTmax和ΔTfinal增加。本發(fā)明的實施再一次使得首先降低這些值從而處理(再加熱)較大的產品成為可能。
示例1圖3示出了在一個方坯移動式爐床的爐子1中的本發(fā)明的實施，該爐子具有一個大約30MW的功率和一個92t/h的產量。該爐子由一個組成該爐子的第一半部分的上游區(qū)5和一個形成該爐子的第二半部分的下游區(qū)6組成。
產品8經過入口2進入爐子1，并沿圖中從右向左的方向朝出口3移動。下游區(qū)6的空氣-燃料燃燒器被保留下來，而多個氧氣-燃料燃燒器11被安裝在大約半個上游區(qū)(離下游區(qū)6最近的一半)。廢氣從出口向入口相對產品8逆向流通，從而產品8通過與廢氣的接觸而被預熱。廢氣通過廢氣排出口4排出。
以下是從該爐子得到的結果

如此，對于相同的消耗功率，通過將四個氧氣-燃料燃燒器均勻間隔地置于上游區(qū)的靠下游的一半-離第一個現(xiàn)有空氣-燃料加熱區(qū)最近的一半(或該爐子的下游區(qū))-產量增加大約10％，參數(shù)ΔT減少50％，而20％的產量增加使得降低該產品的系數(shù)ΔT的值大約20％成為可能。
另外，相對于一個92噸/小時產量的總生產成本為100的參照(空氣)(包括再加熱和軋制該產品的成本)，在一個使用氧氣的產量為110t/h的情況下，得到一個值為88的成本，即，每噸成品(例如，商業(yè)上的軋制產品)節(jié)省了12％的總成本。另外，由爐子產生的廢氣產量中的NOx排放根據(jù)情況減少了10-20％。
圖9示出了用于根據(jù)上述本發(fā)明的該爐子的一條實驗曲線ΔT＝f(在爐子中的位置)。該圖9與圖5很相似。
示例2圖4通過一個扁坯再加熱爐示出了本發(fā)明實施的另一個示例。在圖4中，與圖3中相同的元件具有相同的標記。在該類型(圖4a)的現(xiàn)有爐子中，該爐子的上游區(qū)5根據(jù)圖4a中的設置就已經包含一個由空氣燃燒器供應的加熱區(qū)6。通過用燃燒器11(圖4b)替換燃燒器10(圖4a)，在這里又可以觀察到一個相應于當總消耗功率保持恒定時可達50％的產量增加的大約30％的產品ΔT的減少。該燃燒器11的設置遵從上述用于安裝氧氣-燃料燃燒器的規(guī)定。
權利要求
1.一種用于再加熱冶金產品的方法，其中固體產品特別是鋼產品被再加熱，通過將它們送過一個具有上游區(qū)和下游區(qū)的爐子將它們從一個大約400℃的溫度升高到一個大約1000℃的溫度，上述產品在上游區(qū)預熱，并在下游區(qū)被升高到在爐子的出口處的最終溫度，爐子的下游區(qū)安裝有燃燒器，至少其中一些燃燒器和一種氧化劑即空氣一起運行，由這些燃燒器產生的廢氣相對這些產品逆向流通并預熱在上游預熱區(qū)的產品，其特征在于，至少一個燃燒器置于所述爐子的上游預熱區(qū)，所述燃燒器被供給一種氧化劑和一種燃料，所述氧化劑包含大于21％體積并優(yōu)選地大于30％體積的氧氣。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中一個現(xiàn)有爐子被改進，其特征在于，位于所述爐子的上游區(qū)的上述氧氣-燃料燃燒器安裝在一個最初沒有燃燒器的位置。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中一個現(xiàn)有爐子被改進，其特征在于，一個或多個現(xiàn)有空氣-燃料燃燒器被上述氧氣-燃料燃燒器替換。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，噴射到上述氧氣-燃料燃燒器的氧化劑中的氧氣比例根據(jù)用于現(xiàn)有空氣-燃料燃燒器的燃燒空氣預熱溫度選擇。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，噴射到上述氧氣-燃料燃燒器的上述氧化劑中的氧氣比例大于或等于88vol％，優(yōu)選地大于或等于95vol％。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，傳送到上述氧氣-燃料燃燒器的氧化劑是一種空氣和工業(yè)用純氧的混合物。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，傳送到上述氧氣-燃料燃燒器的氧化劑是一種來自于一個VSA單元的氧氣和空氣的混合物。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，噴射到上述氧氣-燃料燃燒器的氧化劑包含1-5vol％的氬氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于加熱冶金產品的方法，該方法在于加熱固體產品特別是鋼產品，通過將它們送過一個包括一個上游區(qū)和一個下游區(qū)的爐子將它們從一個基本低于大約400℃的溫度升高到一個至少大約1000℃的溫度，上述產品在所述上游區(qū)預熱并在所述下游區(qū)被升高到它們的最終爐輸出溫度，所述下游區(qū)安裝有燃燒器，至少其中一些燃燒器用一種氧化劑即空氣運行，由上述燃燒器產生的廢氣相對這些產品逆向流通并預熱在上游預熱區(qū)的產品。本發(fā)明的特征在于，它在上述爐子的上游預加熱區(qū)中提供至少一個燃燒器，上述燃燒器被供應一種氧化劑和燃料的混合物，所述氧化劑包含大于20％體積并優(yōu)選地大于30％體積的氧氣。
文檔編號C21D1/34GK1460170SQ0181523
公開日2003年12月3日 申請日期2001年9月6日 優(yōu)先權日2000年9月8日
發(fā)明者O·德拉布羅耶, R·其阿瓦, G·勒古埃菲利克, F·阿穆里 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司