工业窑炉中几种炉衬耐火材料结构的传热分析1

王寿增1，顾 静1，苗蔚1，程桂玲1，刘开琪1，房明浩2，黄朝晖2
(1．钢铁研究总院，北京100081)
(2．中国地质大学(北京)，北京100083)

摘要：以1250℃轧钢加热炉和1600℃隧道窑2种典型的连续热工窑炉为例，通过对不同炉衬耐火材料结构组合的综合传热系数、热流密度和炉墙温度场的传热学计算，结合耐火纤维、耐火浇注料、轻质耐火砖、A1302空心球砖及镁砖等炉衬材料的几种炉衬结构的传热分析，给出了相应窑衬结构的热导率改变对热流密度和炉墙外壁温度的影响，表明采用轻质绝热耐火材料和耐火纤维的复合窑衬结构其炉墙热流密度大大降低。计算结果显示体现工业窑炉炉衬耐火节能一体化优势的窑衬结构为：1250℃轧钢加热炉采用105 mm纤维板+230mmJM23绝热保温砖+115mm轻质莫来石耐火砖的窑衬结构；1600℃隧道窑采用110mm纤维板+115 mm JM23绝热保温砖+115 mm轻质莫来石耐火砖+160mm A1302空心球砖的窑衬结构。

关键词：工业窑炉；耐火材料；炉衬结构；传热分析；节能

 

能源与环境问题给钢铁企业和陶瓷工业等行业的快速发展带来限制性影响，节能降耗和减少排放是企 业技术进步和可持续发展的必然选择。工业炉是工业加热的关键设备，广泛应用于国民经济的高温工业。工业炉又是耗能大户，其能耗占全国总能耗的25％，占工业总能耗约60％。在工业窑炉的节能过程中，除了热源改造、烧结工艺改造、燃烧工艺改造和窑炉结 构改造外，窑炉用耐火材料和窑具耐火材料性能的好 坏对工业窑炉的节能效果有着决定性影响。工业窑炉中热量消耗基本上可以分解为产品吸收的热量、窑具吸收的热量、烟气带走的热量、窑壁和窑车吸收的热量、窑体散热损失的热量等几个部分，其中仅仅用于产品吸收的热量是有效能量。我国的能源利用率较低，工业炉的热效率平均为30％，其中锻造炉为5％～20％，热处理炉为8％～25％，连续加热炉和隧道窑的热效率稍高一些，也只有30％～55％，与国际上工业炉 的热效率平均为50％以上相比有较大的差距[1]。

　　为应对能源形势的严峻挑战，工业炉节能降耗是发展的必然趋势。工业炉节能与窑衬耐火材料的技术进步、窑炉技术设计和施工密切相关。窑衬耐火材料在工业窑炉中的节能作用是通过多种窑衬耐火材料与隔热保温材料组合，采用耐火绝热一体化轻质耐火材料作为窑体结构材料，使窑体减少散热损失和蓄热损失达到节能目的。窑衬耐火材料与隔热保温材料组合有多种途径，本研究从传热角度出发，计算分析采用几种不同热导率窑衬耐火材料结构组合，对其进行包括热流密度和外表面温度的变化等传热分析，为优化工业炉窑衬耐火材料组合和研究耐火节能一体化结构以及发展新型节能型耐火材料提供技术依据。

1 轧钢加热炉炉壁热传导计算
　　轧钢生产能耗约占钢铁联合企业生产总能耗的十分之一，其中75％～80％消耗于各种加热炉，轧钢加热炉的热效率对钢铁厂轧制工序的能耗起着至关重要的作用。通过传热计算分析采用轻质保温材料对炉壁散热的影响。轧钢炉为连续加热炉炉型，因此计算时不考虑炉衬材料的蓄热，只分析工作状态下通过炉墙的散热。
1．1传热计算模型
　　热量通过炉衬材料由炉墙内壁向外壁传递方式为导热传热，炉墙外壁对周围环境的传热方式是对流和辐射同时存在，由于炉墙外表面温度较低(一般< 100℃)，对流为主要传热方式，其总传热量为辐射传热和对流传热量之和，即 

为便于对复杂的传热现象进行综合计算，一般将公式统一为以下形式[2];

式中，Q一传热量(W)；h一炉墙外侧对流换热的表面传热系数，W／(m2·K)；A一炉墙面积(m2)；tb一炉墙外壁温度(℃)；tf一炉墙外侧空气温度，即环境温度(℃)；C0一绝对黑体的辐射系数，5．68W／(m2·K4)；ε一炉墙外壁的黑度；φ一辐射角系数；α一对流辐射综合传热 系数，W／(m2·K)。 以上公式适合已知炉墙外壁温度时热损失计算。在无法测得该数据时，可根据炉膛内壁温度计算炉墙 的温度场分布。加热炉炉墙传热为第三类边界条件的 稳态多层平壁传热模型，炉壳钢板较薄(仅为几毫米)，其热导率A为54W／(m·K)，远远高于耐火材的热导率，因此钢板的传热热阻可忽略不计。单位时间内通过单位面积传递的热量称为热流密度q[3]

热流密度是向量，由高温到低温的方向为正，与 温度梯度相反。炉墙单位面积的热损失，即炉膛内壁 通过炉衬传给加热炉周围环境的热流密度数值[2]为 

式中，t1一炉墙内壁温度(℃)；tf一炉墙外侧空气温度， 即环境温度(℃)；δi一第i层炉衬材料的厚度(m)；λi 一第i层炉衬材料的热导率，W／(m·K)。 
炉墙的综合传热系数k为

不同炉衬的界面温度为

热导率A是热工计算非常重要的参数，A数值受温度影响，加热炉常用耐火材料热物性参数如表[1～3]所示。