专利名称：用于再加热冶金产品的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于再加热冶金产品的方法，其中固体产品特别是钢产品被再加热，以使通过将它们送过一个具有上游区和下游区的炉子将其从一个低于大约400℃的温度升高到一个至少大约1000℃的温度，上述产品在上游区预热，并在下游区被升高到它们在炉子出口处的最终温度，炉子的下游区安装有燃烧器，至少其中一些燃烧器以一种氧化剂即空气运行，由这些燃烧器产生的废气相对这些产品逆向流通并预热在上游预热区的产品。
该种类型的炉子通常由几个连续的区域组成。从投料端开始，这些连续的区域是称作废气排气(或回流)区的上游区(沿产品通过炉子的方向)，其中，在炉子下游产生的废气的热能被回流，该废气逆向于待再加热的产品流通，以开始预热这些产品。
在该预热区的后面有一个或多个加热区，和该炉子终止于用于确保在炉子出口的产品温度均匀的称作平衡区的区域。燃烧器可以优选地安装在从该预热区通过直到一个或多个加热区端部的产品的任一侧。这些燃烧器也可以置于炉子(辐射炉顶壳)的顶部或者置于宽度超过炉子宽度的炉口(port)之中。
当一种产品通过该再加热炉的不同连续区时，在产品的表面和内部的温度将逐渐地升高。由于该特色的热传导特征，尤其是钢，在产品的上表面和下表面之间或者在产品的上表面和核心之间有一个温度差。对这些温度不均匀的控制是本发明的一个重要方面。
可以注入到一个再加热炉中的热能越受到限制，则该产品温度的不均匀问题就越严重。该限制有多种起因有限的废气体积，炉子的一个或多个区域的最大温度，在能量回流换热器的入口处的最大温度等等。在所有情况下，该注入的热能的限制导致传递到产品的能量的限制，并因此导致整个产品的温度不均匀性的出现或加剧。为了对本技术领域的熟练人员所面临的该问题作一个全面的解释，
图1示出了当再加热该产品时温度差Δt(在下文中定义)的变化曲线。
对于一个其中上述产品位于炉床上的炉子，温度差Δt即在炉子中暴露于辐射的该产品上表面的温度和与炉床接触的该产品下表面的温度之间的差。
对于一个移动(步进)式炉床的炉子，也就是说炉子中的热气绕该产品流通，温度差ΔT即为在产品的表面温度和核心温度之间的差。
在图1中所画出的X轴表示炉子中的产品位置，Y轴表示温度差ΔT的值。初始温度差(ΔTinit)在炉子填充了具有环境温度的产品时为零，或者当产品的温度还不均匀例如对刚生产不久的冶金产品的处理的情况时为非零。在图1中，X表示炉子中产品的位置，0横坐标为产品进入炉子处的装料点，而XB为炉子出料或出口横坐标。
在图1中作为X的函数的ΔT的变化曲线(C)上，点A处参数ΔT达到了最大值(ΔTmax)，点D处参数ΔT值为ΔTinit，该值是在产品装料口的ΔT值，点B处参数ΔT值为在炉子(出料)的产品出口处的ΔTfinal。
在炉子中间的一个位置上，在横坐标XA处温度差ΔT达到其最大值(ΔTmax)。该值ΔTmax必须尽量低，因为一个大的温度差等效于产品的变形(翘曲)，该变形(翘曲)将导致产品遭受性能恶化或者使得炉子不能运行或者使得产品在离开炉子时不能被轧制。因此，在一些炉子中，操作者必须限制炉子的功率和/或炉子的产量以防止出现过大的温度差ΔT，这对制造商而言是一个主要缺陷。
发明内容
因此，本发明的第一个目的是防止在产品通过炉子的期间在产品中出现过大的温度差。
图2示出了当产品通过炉子时产品的温度差ΔT和弯曲即垂直变形之间的关系。
该图2表示了如图1中的曲线(C)和曲线(F)，曲线(F)表示了作为X的函数的该产品的垂直变形。可以看出，最大变形基本对应于最大ΔT(对应于X＝XA横坐标的ΔTmax)。
此外，还示出了另一个重要的参数即在炉子出口处的温度差ΔTfinal。理想地，在炉子出口处温度差ΔTfinal应该为零(出料)。实际上，一定的温度差ΔTfinal是容许的，但是该温度差对方坯而言不可以超过大约100℃，对扁坯或大块钢坯而言不可以超过大约200℃。这是因为一个大的温度差导致轧制困难，该困难在一些轧制机座中会造成机械事故。另外，任何温度不同在成品中表现为质量的下降。
本发明的另一个目的是不用增加炉子的能量消耗而减少离开再加热炉的产品的ΔTfinal。
在工业加热杂志中发表的G.Gitman，T.Wechler和B.Levinson的题为“通过燃烧系统的氧气优化连续再加热炉的有效操作”中，描述了用于再加热冶金产品的各种系统，并建议使用氧气-燃料燃烧器而非通常的空气-燃料燃烧器，以增加到达上述产品的能量传递，并保持甚至增加这些产品的ΔTmax，如该论文中的图7所示。
与上述论文中所述方法不同，根据本发明的方法在于安装其中氧化剂的氧气百分比大于21vol％并小于或等于100vol％(下文称作氧气-燃料燃烧器)的燃烧器，这些燃烧器被安装到炉子中，以使它们是在产品投料后产品通过炉子的过程中被待处理产品“看到”的第一批燃烧器。因此，由这些氧气-燃料燃烧器形成的预热区是该炉子的第一个预热区。在新炉子的情况下，因此，本发明在于将氧气-燃料燃烧器置于第一批燃烧器所应处于的该炉子的那个区域(术语“第一批”是就该冶金产品通过炉子的方向而言)。
根据本发明的本方法的特征在于至少一个燃烧器置于炉子的上游预热区，该燃烧器被供给一种氧化剂和一种燃料，该氧化剂包含大于21％体积并优选地大于30％体积的氧气。该氧化剂和燃料可以通过独立的喷射(喷射嘴开口到炉子内)或者通过同轴喷射(同轴多管燃烧器)，或者通过在喷射进燃烧器之前的氧化剂/燃料预混合，供给到燃烧器，然后供给到炉子。这些不同的喷射技术本身是那些在本技术领域的熟练人员所熟知的。
在对一个现有炉子进行改进时，本发明有两种实施变型。
第一个变型在于形成一个具有氧气-燃料燃烧器的新炉子。
为此，该氧气-燃料燃烧器被安装到炉子中的一个本来没有燃烧器的区域。例如，这由被安装在紧靠第一加热区的前面(该区通常具有空气-燃料燃烧器)的称为回流区的炉区的端部的一些氧气-燃料燃烧器组成。
第二个变型在于转化一个现有区域，也就是说，一个现有预热区的所有或一些空气-燃料燃烧器被移去，以用安装在该同一区域的氧气-燃料燃烧器替换它们。
在现有炉子中本方案的上述两个变型可以独立或组合实施。
根据一个第三变型，根据本发明的该方法的特征在于，喷射到上述氧气-燃料燃烧器的氧化剂中的氧气比例取决于现有空气-燃料燃烧器的预热温度，氧气的比例以这样一种方式选择，以使得氧气-燃料燃烧器的热产出(thermal yield)大于现有空气-燃料燃烧器的热产出。
根据一个第四变型，根据本发明的该方法的特征在于，喷射到上述氧气-燃料燃烧器的氧化剂中的氧气比例大于或等于88vol％，优选地大于或等于95vol％。
根据一个第五变型，根据本发明的该方法的特征在于，传送到上述至少一个燃烧器的氧化剂是一种空气和工业用纯氧的混合物。
根据一个第六变型，根据本发明的该方法的特征在于，传送到上述至少一个燃烧器的氧化剂是一种来自于一个本技术领域的熟练人员所熟知的VSA(真空摆动吸附(Vacuum Swing Adsorption))系统的氧气和空气的混合物。
最后，根据本发明的另一方面，根据本发明的该方法的特征在于，喷射到上述至少一个燃烧器的氧化剂包含1-5％的氩气。由于氩气的分子质量和密度大于氧气的对应值，在包含氧气的氧化剂中氩气的存在使得火焰的动量的增加。该动量的增加将产生一种火焰，该火焰更稳定，对横流更不敏感，离待再加热的该冶金产品更近，从而对待再加热的产品进行更有效的和更均匀的加热。
在所有情况下，根据本发明的方法的重要参数之一是在该炉子的至少一些燃烧器中使用富氧空气作为氧化剂，该富氧空气中的氧气百分比可根据所希望的目的而变动。这样，氧化剂中氧气的百分比可以在从大于21vol％到100vol％之间变动。
当氧化剂中氧气的百分比增加时，这会导致使用该氧化剂的燃烧器的热产出增加。增加一个再加热炉中的一个或多个燃烧器的热产出对该炉子和其环境有效果，特别是在节能方面。图7示出了作为参数例如空气预热温度或氧气百分比的函数的产量和废气体积的变化。从该曲线中可以看出，不管空气预热温度多高(当使用空气作为氧化剂时)，总可以找到比使用空气燃烧的热产出高的氧化剂中的氧气百分比。例如，如果空气预热温度为300℃，任何％O2大于30vol％(见图7)的氧化剂将给出一个更高的热产出，即节能。
本发明的另一个优点与炉子中的废气体积有关。图8示出了作为氧化剂中氧气百分比的函数的废气体积(单位Sm3/h每kW燃料)的变化。
当使用空气时废气的体积(图8中的“空气参照线”)是恒定的，与空气预热温度无关。举例来说，使用纯氧作为氧化剂使得废气的体积从10.6Sm3/h降到3Sm3/h，即降低到3.5分之一。
废气体积的下降允许回流换热器的更好运行，从而使得增加炉子的“产量”成为可能，这将在下文作以说明。
炉子中的废气体积与炉子中的压力(该压力必须保持在最低限度)直接相关当保持使用空气作为氧化剂时，增加在炉子中传送的热功率，将实际上意味着炉子中废气体积的增加，并从而导致炉子中压力的增加，这将会造成损害甚至可能破坏该炉子的风险。
本发明可以不同方法实施一取决于所要实现的目的，这将在下文中作以说明恒定小时生产量(Production)以相同的产量(再加热金属的恒定小时产量)使用本发明通过以下方式实现，即在所讨论的区域安装氧气-燃料燃烧器，使这些氧气-燃料燃烧器在一个给定的功率(Poxy)下运行，同时，使其它加热区域的空气燃烧器减少一个至少等于该氧气-燃料燃烧器的功率Poxy但却小于该功率Poxy的两倍的功率(Poxy＜功率减少＜2Poxy)。因此，在改进的炉子中的该空气-燃料燃烧器的功率等于初始空气燃气功率(以改进该炉子之前，即Pairref)减去αPoxy，其中1＜α＜2。
在图5中示出了全空气燃烧和在一些燃烧器已被替换为纯氧燃烧器的同一个炉子之中的燃烧之间的理论变化ΔT，可以看出由于温度差ΔT所产生的两个问题都得到了解决。
ΔTmax被降低，同时，ΔTfinal也被降低。
增加小时产量图5示出了本发明的另一个结果当在炉子中保持任何在只使用空气燃烧的炉子中相同的ΔTmax和ΔTfinal值时，小时产量可以增加。该小时产量的增加可以两种方法实现，即在保持再加热产品的尺寸不变时增加出料率/速率(discharge rate)，或者在出料率保持不变的同时增加再加热产品的尺寸。
保持产品尺寸不变对同一产品而言，产量的增加将反映为出料率的增加。在炉子中的停留时间因而减少，并且该产品的温度不再有时间变得均匀ΔTmax和ΔTfinal增加，因而使得增加产量不可能实现。
本发明的实施使得减小ΔTmax和ΔTfinal成为可能，从而再一次使得增加产量成为可能。ΔTmax和ΔTfinal将恢复为它们的初始值，但是该小时产量已经被增加，而没有消耗额外的能量。
图6通过不同的曲线ΔT＝f(产品在炉子中的位置)示出了各种可能理论情形。
曲线G表示了100％空气燃烧(现有炉子)的情形，曲线H表示了安装了使得增加产量成为可能的氧气-燃料燃烧器的同一个炉子，而曲线I表示了安装了允许保持产量恒定但降低了ΔTmax和ΔTfinal的氧气-燃料燃烧器的同一个炉子。
增加产品的尺寸增加小时产量的另一个方法是增加恒定出料率下的产品的尺寸。结果与上述一致。当产品的尺寸增加时，特有的传导时间被改变，温度差因此而改变；如果燃烧只在空气条件下发生，则ΔTmax和ΔTfinal增加。本发明的实施再一次使得首先降低这些值从而处理(再加热)较大的产品成为可能。
示例1图3示出了在一个方坯移动式炉床的炉子1中的本发明的实施，该炉子具有一个大约30MW的功率和一个92t/h的产量。该炉子由一个组成该炉子的第一半部分的上游区5和一个形成该炉子的第二半部分的下游区6组成。
产品8经过入口2进入炉子1，并沿图中从右向左的方向朝出口3移动。下游区6的空气-燃料燃烧器被保留下来，而多个氧气-燃料燃烧器11被安装在大约半个上游区(离下游区6最近的一半)。废气从出口向入口相对产品8逆向流通，从而产品8通过与废气的接触而被预热。废气通过废气排出口4排出。
以下是从该炉子得到的结果
如此，对于相同的消耗功率，通过将四个氧气-燃料燃烧器均匀间隔地置于上游区的靠下游的一半-离第一个现有空气-燃料加热区最近的一半(或该炉子的下游区)-产量增加大约10％，参数ΔT减少50％，而20％的产量增加使得降低该产品的系数ΔT的值大约20％成为可能。
另外，相对于一个92吨/小时产量的总生产成本为100的参照(空气)(包括再加热和轧制该产品的成本)，在一个使用氧气的产量为110t/h的情况下，得到一个值为88的成本，即，每吨成品(例如，商业上的轧制产品)节省了12％的总成本。另外，由炉子产生的废气产量中的NOx排放根据情况减少了10-20％。
图9示出了用于根据上述本发明的该炉子的一条实验曲线ΔT＝f(在炉子中的位置)。该图9与图5很相似。
示例2图4通过一个扁坯再加热炉示出了本发明实施的另一个示例。在图4中，与图3中相同的元件具有相同的标记。在该类型(图4a)的现有炉子中，该炉子的上游区5根据图4a中的设置就已经包含一个由空气燃烧器供应的加热区6。通过用燃烧器11(图4b)替换燃烧器10(图4a)，在这里又可以观察到一个相应于当总消耗功率保持恒定时可达50％的产量增加的大约30％的产品ΔT的减少。该燃烧器11的设置遵从上述用于安装氧气-燃料燃烧器的规定。
权利要求
1.一种用于再加热冶金产品的方法，其中固体产品特别是钢产品被再加热，通过将它们送过一个具有上游区和下游区的炉子将它们从一个大约400℃的温度升高到一个大约1000℃的温度，上述产品在上游区预热，并在下游区被升高到在炉子的出口处的最终温度，炉子的下游区安装有燃烧器，至少其中一些燃烧器和一种氧化剂即空气一起运行，由这些燃烧器产生的废气相对这些产品逆向流通并预热在上游预热区的产品，其特征在于，至少一个燃烧器置于所述炉子的上游预热区，所述燃烧器被供给一种氧化剂和一种燃料，所述氧化剂包含大于21％体积并优选地大于30％体积的氧气。
2.根据权利要求1所述的方法，其中一个现有炉子被改进，其特征在于，位于所述炉子的上游区的上述氧气-燃料燃烧器安装在一个最初没有燃烧器的位置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中一个现有炉子被改进，其特征在于，一个或多个现有空气-燃料燃烧器被上述氧气-燃料燃烧器替换。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，喷射到上述氧气-燃料燃烧器的氧化剂中的氧气比例根据用于现有空气-燃料燃烧器的燃烧空气预热温度选择。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，喷射到上述氧气-燃料燃烧器的上述氧化剂中的氧气比例大于或等于88vol％，优选地大于或等于95vol％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，传送到上述氧气-燃料燃烧器的氧化剂是一种空气和工业用纯氧的混合物。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，传送到上述氧气-燃料燃烧器的氧化剂是一种来自于一个VSA单元的氧气和空气的混合物。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，喷射到上述氧气-燃料燃烧器的氧化剂包含1-5vol％的氩气。
全文摘要
本发明涉及一种用于加热冶金产品的方法，该方法在于加热固体产品特别是钢产品，通过将它们送过一个包括一个上游区和一个下游区的炉子将它们从一个基本低于大约400℃的温度升高到一个至少大约1000℃的温度，上述产品在所述上游区预热并在所述下游区被升高到它们的最终炉输出温度，所述下游区安装有燃烧器，至少其中一些燃烧器用一种氧化剂即空气运行，由上述燃烧器产生的废气相对这些产品逆向流通并预热在上游预热区的产品。本发明的特征在于，它在上述炉子的上游预加热区中提供至少一个燃烧器，上述燃烧器被供应一种氧化剂和燃料的混合物，所述氧化剂包含大于20％体积并优选地大于30％体积的氧气。
文档编号C21D1/34GK1460170SQ0181523
公开日2003年12月3日 申请日期2001年9月6日 优先权日2000年9月8日
发明者O·德拉布罗耶, R·其阿瓦, G·勒古埃菲利克, F·阿穆里 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究的具有监督和管理委员会的有限公司