CSP均热炉炉体散热探讨

刘占增 宋中华 杨 超

(1.武汉科技大学 湖北 武汉：430081；2.武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080)

CSP均热炉是连铸连轧短流程生产线必不可少的重要一环，它不但起到对坯料进行补充加热、均热的作用，而且还起到调节生产节奏和储料的功能。CSP均热炉与传统的步进式加热炉不一样，CSP均热炉炉体更长、散热点更多，因此分析和研究CSP炉体的散热情况，对减少CSP均热炉的炉体散热、提高CSP均热炉的加热效率具有非常重要的意义。

某厂CSP均热炉经过一段时间的运行后，发现在炉体侧墙有银粉脱落现象(图1)，部分地方炉侧墙钢板有鼓包现象，说明在炉侧墙散热上局部温度过高，导致炉墙表面银粉脱落。由于CSP炉体侧墙散热温度高，不仅使现场操作人员的操作环境更加恶劣，而且容易对现场电气柜等电气装置造成损害，给现场设备带来了很大隐患。

图1 CSP均热炉侧墙脱落的表皮

1 炉体散热测试

某厂CSP均热炉为A、B双线辊底式均热炉，其中A线为主线、B线为辅助线，本文对A线进行了炉体散热测试。CSP均热炉A线分为A1～A10共10段。A1～A7段为CSP均热炉的加热区和缓冲区，是炉子内板坯再加热段。加热区用于高温铸坯升温补热，其长度根据不同的板坯入炉条件自动调整。缓冲区起缓冲及保温作用，长度随加热区长度变化而相应变动。A8段为摆动区，用于接收B线运送来的板坯并输送到保温存储区。A9、A10段为保温存储区，起保温输送作用，在后部工序故障时可以存储板坯。

针对某厂的SCP生产线，使用红外辐射高温计和热图像仪对CSP均热炉的炉体温度进行了测试。测试期间CSP均热炉处于正常生产，A线生产钢种为Q345B，板坯规格为40.78m×1032mm×54mm，重16705kg，入炉温度为958℃，出炉温度设定为1200±15℃。

根据A线A1～A10段每段长度及燃烧器分布适当选择测温区，每个测温区分别选择三个测温值。将红外辐射高温计设定为自动记录最高值，在测温区内不同位置连续测温，将所测温度值记录为该区最高温度值；将红外辐射高温计设定为自动记录最低值，在测温区内不同位置连续测温，将所测温度值记录为该区最低温度值；将红外辐射高温计设定为随机测温值，分别在不同位置测温三次选取平均值，作为该区域平均温度值。对CSP均热炉炉侧墙、炉底、炉顶进行了表面温度测量，CSP均热炉炉体各部位平均散热温度见表1。图2为CSP均热炉炉体的表面温度分布，从图中可以看出，炉体各个部分温度分布不均，最低只有50℃，最高达到了200℃(非燃烧器附近区域)；而从炉长方向来看，摆动区(A8)、保温存储区(A9、A10)平均温度较高，均在100℃以上。

表1 CSP炉体各部位表面平均散热温度

使用热图像仪对CSP均热炉A线工作侧炉墙散热进行了测试，除均热炉工作侧靠近仪表柜处无法测量外，其他地方按照每两个烧嘴为一个测试单位进行了测量，共测得热图像65张。图3、图4分别为CSP均热炉工作侧加热区域A2段某部位炉墙热图像及对应位置照片。从图3中可以看出，CSP均热炉侧墙的散热高温点比较多(图中炽白色区域)，高温区域温度约180℃，而一般CSP均热炉的设计要求是炉体侧墙表面温度不高于100℃，显然炉体侧墙表面实际散热温度高于设计要求。

图2 CSP均热炉炉体表面温度

图3 CSP均热炉A2区某部位热图像

图4 图3对应的测试区域

2 炉体散热计算

根据以上对CSP均热炉炉体散热温度的测试，可以对炉体散热量进行简单计算。已知某厂CSP均热炉A线炉长为260.70m，炉体高度2.46m，炉顶宽度2.69m，炉底有效宽度3.73m，则可以计算得出CSP均热炉炉顶、炉侧墙、炉底的有效散热面积。

表2 CSP均热炉热工参数

CSP均热炉炉体表面散热量Q：

其中，Q—炉体表面散热量，MJ/t；

qi—均热炉不同部位的热流密度，MJ/m2；

Ai—均热炉不同部位的散热面积，m2；

GP—均热炉小时产量，Gp=128.67t。

(1)炉顶表面散热量。

αd·(tb-te)

其中，ε—黑度系数，取0.87；

tb—炉顶平均散热温度，℃；

te—环境温度，取35℃；

αd—对流换热系数，千卡/千克·℃。

(2)炉侧墙表面散热量。

(3)炉底表面散热量。

由上述计算可以得到CSP均热炉炉体表面散热量Q：

已知某厂CSP均热炉的热量总支出为1982.42 MJ/t，因此炉体表面散热量占总热量支出的9.87%，远远高于常规轧钢均热炉的炉体散热所占比重(约5%)。

3 炉体用耐火材料

CSP均热炉炉体用耐火材料性能对CSP均热炉的炉体散热温度有重要影响。针对CSP均热炉用耐火材料、纤维材料等进行了导热系数的测定试验，寻求炉体散热温度高的原因，以便减少炉体散热。

对CSP均热炉用耐火纤维的导热系数进行了测定，在500±20℃的温度情况下，测得导热系数为0.053W(m·K)，CSP辊底式均热炉用耐火纤维导热系数一般要求为0.08W(m·K)，实际测量的导热系数小于技术要求，完全符合均热炉的使用要求。对CSP均热炉炉用浇筑料进行了导热系数的测定，在500±20℃的温度情况下，测得导热系数为0.29W(m·K)，CSP辊底式均热炉浇筑料导热系数一般要求为0.24W(m·K)，实际测量的导热系数大于技术要求。

实际温度测试情况很好的反应了导热系数的测试结果，实际温度测试中使用耐火纤维模块的地方温度一般都比较低，比如活动炉顶部位等；但是在浇筑料部位温度较高，实际局部最高温度达到了180℃。因此认为，浇筑料导热系数偏高是导致炉墙散热温度高的原因之一。

4 炉体结构分析

与一般常规大型轧钢加热炉相比，CSP辊底式均热炉的炉侧墙耐火材料厚度为305mm，活动炉顶纤维厚度为305mm，固定炉顶浇筑料厚度为280mm，炉底耐火材料厚度为330mm；而大型轧钢均热炉的炉侧墙厚度一般为520mm，炉顶厚度为330mm，炉底耐火材料厚度为530mm。可见，CSP均热炉的耐火材料厚度普遍小于一般轧钢均热炉。

(1)炉侧墙。根据测试结果，CSP均热炉侧墙上部温度水平在110℃左右，下部温度水平在160℃左右，局部高温点约200℃。如图5所示，均热炉侧墙上部为纤维模块结构，下部为保温砖+耐火浇筑料结构。耐火纤维的导热系数远远小于耐火浇筑料，因此其保温效果要比浇筑料好。因此侧墙上部表面温度低于下部表面温度。

图5 炉体截面结构示意图

(2)炉顶。CSP均热炉炉顶分为两种：一种为活动炉顶，当炉内需要检修时，可通过天车吊走这部分可移动炉顶；一种为固定炉顶，其与CSP均热炉钢结构固定在一起，无法移动(见图6所示)。经测试发现，活动炉顶温度水平在110℃左右，而固定炉顶温度水平在190℃左右。活动炉顶耐火材料为纤维模块结构，固定炉顶耐火材料为轻质保温浇筑料+重质耐火浇筑料结构。耐火纤维的导热系数小于耐火浇筑料，因此其保温效果要比浇筑料好。因此活动炉顶外表面温度低于固定炉顶外表面温度。

图6 炉体纵切面结构示意图

(3)炉底。由于炉底结构带有渣斗，结构比较复杂，其外表面温度并不均匀，接近炉膛上部的温度水平为190℃左右，渣斗外表面温度水平为150℃左右。

5 结论

本文对某厂CSP均热炉炉体表面温度进行测试、计算，并结合炉体耐火材料、炉体结构进行了散热分析。通过以上分析可以得出以下结论：(1)某厂CSP均热炉炉体表面散热量较大，占总热量支出的9.87%；(2)摆动区和保温存储区炉体表面平均较其他区域温度高；(3)炉体用浇注料导热系数较大，加快了温度传导；(4)从炉体结构来看，耐火纤维较浇注料有较好的保温效果。

炉体表面散热量较大，不但造成了能量的浪费，同时缩短了炉体的使用寿命，恶化了现场操作环境。根据测试和分析结果，建议：(1)尽量缩短板坯在炉时间，即提高均热炉小时产量；(2)适当降低摆动区和保温存储区均热炉温度，建立保温待轧制度；(3)增加炉体本身的绝热程度，炉子砌体的温度在许可的条件下，应尽量衬砌轻质绝热材料。