CN107923709A - 用于再加热金属产品的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

在根据现有技术的再加热炉中，待加热的产品相继通过预热区域以及一个或多个加热区域或平衡区域，其中使产品逐步达到其用于继续加工的特定最终温度。为了缩短产品在炉室中的停留时间并且因此减小产品表面结垢的危险，根据本发明，预热区域至少部分地装备有燃料‑氧气燃烧器，这些燃烧器被形成为将从其中流出的燃烧气体形成火焰，该火焰在该设备工作时到达产品的表面。通过直接火焰冲击，提高了热传递效率并因此实现了产品停留时间的缩短。

Description

用于再加热金属产品的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于再加热金属产品以进行后续机械变形的设备，该设备具有：炉室，该炉室具有预热区域和至少一个后续区域、用于将待加热的产品从该预热区域输送到该后续区域中的输送装置以及在该预热区域的范围内安排的、用于将在该后续区域中产生的烟气排出的导出装置；以及在该后续区域中安装的燃料-空气燃烧器，这些燃料-空气燃烧器被形成为使从其中出来的火焰不接触该产品的表面。本发明还涉及一种用于操作再加热炉的方法。
背景技术
此类炉还以名称“再加热炉”或“二次加热炉”已知并且例如在WO 02/097348 A1、US 2004/0259047 A1或US 6 290 492 B1中进行了描述。它们用于将例如通过连续铸造获得的金属坯件(以下称为“产品”或“热物体”)在从熔体固化之后并且在后续的机械变形(例如像锻造或辊轧)之前进行再加热；在再加热炉中不对产品进行热处理。通常处于低于400℃的温度的热物体穿过彼此相继的多个区域，在这些区域中，使热物体达到例如750℃至1500℃的用于其变形所需的最终温度。从炉入口出发，热物体在此首先被输送通过所谓的预热区域或对流区域，在该区域中热物体与源自一个或多个后续区域中的燃烧过程的热烟气进行热接触。这些后续的区域对应于其目的而被称为“加热区域”或“平衡区域”，其中可以分别存在多个加热区域和/或平衡区域。在已知的再加热炉的情况下，在(这个或这些)加热区域中，进行大量的能量给送以加热产品，而在预热区域中使用在加热区域中产生的烟气的高温来预热产品。平衡区域尤其用于在产品于炉出口处离开炉以进行后续的变形之前，使产品表面的热量平均且均匀地分布在产品内部。
加热区域和平衡区域都装备有一定数量的燃烧器，这些燃烧器一般以空气作为氧化剂来工作并且作为顶部燃烧器安装在顶部空间中或作为端面燃烧器安装在炉的侧壁中。这些燃烧器被形成为使从其中发射的火焰不接触待加热产品的表面，因为在过强的加热效果下存在热物体的表面被氧化且由此降低产品品质的危险。与之相反，这些燃烧器在热物体的上方以基本上平行于热物体的输送平面延伸的火焰来点燃炉气氛，或者具有明显在产品表面之前终止的短而宽的火焰。产品在加热区域中的加热因此通过燃烧器产生的烟气的对流以及通过燃烧器的火焰发射的辐射来进行。主要由CO2、H2O、N2和O2组成的烟气随后与热物体逆流地被引导通过炉室并且经由排气系统导出，该排气系统安装在预热区域中在炉入口的范围内并且同时控制炉压力。
再加热炉具有高能耗且有时具有显著的有害物质排放，尤其氮氧化物。为了减少氮氧化物的累积，在WO 02/097348 A1中建议，在再加热炉的预热区域的范围内安装多个燃烧器，这些燃烧器使用比空气具有更高氧气含量的氧化剂。在WO 2002/021061 A1中也建议，为了提高加热效率，安装至少一个额外的、以富含氧气的氧化剂工作的燃烧器。这个燃烧器可以安装在之前没有燃烧器的区域中，即，例如预热区域，或者它替代加热区域中的燃料-空气燃烧器。
已知的炉的缺点在于，在通过过程中经常由于热物体的表面的结垢而导致品质损失。结垢的实质原因尤其在于较长的停留时间，在该停留时间期间被加热的热物体在穿过炉室时暴露于烟气中。
发明内容
因此本发明的基本目的在于，创造一种用于再加热金属产品的炉，该炉带来了高的热效率并且其中减少了在加热的同时结垢的危险。
在开篇所述类型和目标的炉的情况下，这个目的是如下实现的：该预热区域至少部分地装备有燃料-氧气燃烧器，这些燃料-氧气燃烧器被形成为在该设备工作时，使从这些燃料-氧气燃烧器中流出的燃烧气体形成达到该产品的表面的火焰。
即，根据本发明，在预热区域的至少一个区段中安装了所谓的“DFI燃烧器(“直接火焰冲击(direct flame impingement)”)”，借助于该燃烧器直接用燃烧器火焰来冲击通过这个区域的产品。通过直接火焰冲击产生了高的热传递效率，这使得传送给整个热物体的热量中的大部分已经在预热区域的范围内被传送。在这个或这些后续区域中的燃烧器的功率可以设定为对应地更小，使得总体上能够实现加热能量的节省。“后续区域”在此应理解为在产品的输送方向上位于预热区域下游的区域，尤其一个或多个加热区域和/或一个或多个平衡区域。由于安装在预热区域中的加热器被构想为氧燃料燃烧器(Oxyfuel-Brenner)，这些燃烧器以具有例如40体积％氧气、优选大于90体积％和更多的氧气的富含氧气的氧化剂来工作，所以在那里仅在很小程度上产生额外的烟气，该烟气随后与来自后续区域的烟气一起经由导出装置被导出。
热物体在预热区域中的非常早且密集的加热还使得，后续区域的任务主要在于在产品中产生尽可能均匀的温度分布。因此，后续区域的燃烧器被构想为燃料-空气燃烧器，其热烟气通过其由于氮含量而相对较大的质量流能够实现良好的对流加热并且因而尤其有利于对产品的表面的均匀加热。
已经在预热区域中对产品快速加热、以及温度平衡阶段的提早开始还能够实现产品与根据现有技术的炉配置相比更快速地穿过炉，由此降低了产品表面结垢的危险。
在再加热炉的预热区域中安装氧燃料燃烧器已经在WO 2002/021061 A1和WO 02/097348 A1中建议；然而其中描述的燃烧器仅仅用于加热被引导通过预热区域的烟气并因而优化在对流加热穿过炉室的产品时的行为。这些文献中没有描述对产品的直接火焰冲击。
本发明的一个特别有利的构型在于，安装在预热区域中的直接冲击型氧气-燃料燃烧器被形成为无焰燃烧器。“无焰燃烧器”在此应理解为如下的燃烧器：其中能够进行无火焰的工作，也就是说，在不形成可见的火焰前沿的情况下使燃烧气体反应。燃烧器的无火焰工作实现了用热能量对热物体的表面的均匀冲击以及本发明设备的排气中的低氮氧化物排放量。出人意料地还已经显示出，通过从无火焰工作的燃烧器离开的燃烧气体的强流动，被引导通过预热区域的、来自后续区域中的燃烧的烟气沿朝向产品的方向被强烈偏转。除了通过直接火焰冲击来给送热能量之外，由于预热区域中的燃烧器的无火焰工作方式，出现了对产品的密集对流加热，该加热显著地超出在传统再加热炉中由于产品与烟气在预热区域中的热接触而获得的加热功率。无火焰工作尤其能够实现向产品的热传递，该热传递如此高效，使得在燃烧器的无火焰工作期间穿过预热区域时烟气的温度下降，也就是说，烟气向产品输出的热量比其从燃烧器的火焰获得的热量更多。
本发明的一个优选的改进方案在于，至少该预热区域的燃烧器至少部分地安装在炉顶的范围内并且是基本上垂直于(也就是与产品的输送方向成80°与100°之间，优选90°)正在通过的产品的表面定向。在此，在炉顶中优选垂直安装的燃烧器被设计成使得由其产生的火焰克服炉顶与热物体表面之间的距离(在若干炉中全长在1m与2m之间)并且直接冲击产品。除了顶部燃烧器之外，还可以在预热区域的侧壁中和/或底部区域中安装直接冲击热物体的氧气-燃料燃烧器。
在本发明的一个有利的构型中，在预热区域中安装的燃烧器形成了由在炉顶上均匀分布的多个燃烧器构成的区。如此安排的燃烧器尤其能够在无火焰工作中实现对热物体非常均匀的加热。另外，尤其在成件产品的情况下优选的是，燃烧器是单独可控的，以便能够对热物体进行有针对性的冲击。
便利的是，本发明的设备的预热区域中和/或后续区域中的燃烧器可以通过控制与调节单元单独地或成组地受到控制。于是，燃烧器可以对应于需求而单独地或成组地被开启或关闭或者在其功率方面受到调节。控制与调节单元尤其根据预安装的程序和/或依赖于测量值(例如热物体的温度和/或烟气中的有害物质浓度和/或待加热产品通过炉室的路径)来调节单独燃烧器提供的热输入。借助于控制与调节单元还可以调节工艺温度，例如在750℃与1500℃之间，并且预热区域中和/或后续区域中的燃烧器的燃烧行为可以与特定的炉数据相匹配。
本发明的目的还通过具有专利权利要求6的特征的方法来实现。
本发明的用于在再加热炉中加热产品的方法，其中在该再加热炉中，待加热的产品相继通过该再加热炉的炉室的预热区域和至少一个后续区域并且在此与烟气进行热接触，该烟气与该产品逆流地被引导并且由该后续区域中的燃烧器产生，其特征在于，该产品在该预热区域中通过借助于安装在那里的燃烧器的直接火焰冲击而被加热并且在这些后续区域中的至少一个中通过随后流到该产品处的烟气的加热而被对流加热。
通过直接火焰冲击，总体待传递的热量的大部分已经在预热区域中传递给产品。在后续区域中，借助于燃烧器和热物体与在此产生的烟气或在此产生的被加热的气氛的后续接触，通过正在穿过这些区域的产品上方的区域中的炉室加热来间接加热产品。这种对流加热尤其有利于在产品中产生均匀的温度特征曲线。这些产品因此以非常均匀的温度特征曲线离开本发明的再加热炉、并且在表面处没有结垢或仅具有很少的结垢。
优选地，预热区域中的燃烧器在此是无火焰地工作的。由此将热物体的表面平均地且没有局部过热危险地加热。然而，在本发明的范围内还可行的是，预热区域中的燃烧器是至少暂时有可见火焰地工作的。
为了确保产品在再加热炉中的高效的热传递和尽可能短的停留时间，本发明的一个有利的构型在于，在该炉室中传送给这些产品的加热能量的至少25％、优选超过50％是已经通过直接冲击且优选无火焰地工作的氧气-燃料燃烧器在该预热区域中传送的。
附图说明
应借助于附图更详细地解释本发明的实施例。
在示意性视图中：
图1：以纵截面示出本发明的再加热炉
图2：图1的炉的加热区域
具体实施方式
在图1中示出的炉1包括炉室2，其中金属产品(例如钢或铜制的锭或板)为了后续的机械变形(例如通过锻造、辊轧或弯曲)而达到预定的加工温度(例如在1000℃与1500℃之间)。炉室2包括入口3和出口5，待加热的产品4通过该入口输送到炉室2的内部，经加热的产品4通过该出口离开炉室2。产品4借助于输送装置6被输送穿过炉室2并且在此穿过多个区域8、9、10、11，即预热区域8、第一加热区域9、第二加热区域10和平衡区域11。在此示出的再加热炉的区域划分应理解为仅仅是示例性的，尤其可以设置仅仅一个或三个或更多的加热区域。产品4穿过炉室2的输送方向12在图1中通过箭头示出。
这两个加热区域9、10以及平衡区域11装备有(在此实施例中构想为顶部燃烧器的)燃烧器14，在图2中出于简洁的原因仅为其中一个燃烧器相应地设置参考号。在此，在这些区域9、10、11中的每一个中，设置有由在区域9、10、11的相应顶部范围中均匀地(即，相对彼此处于相同的间距)分布的多个燃烧器14形成的区。燃烧器的数量和间距在此可以是在所有区域中相同或者不同的。在下文详细描述的燃烧过程中在炉室2中产生的烟气在预热区域8的范围内的导出装置15处被导出，如通过虚线箭头16所示。另外，通过在此未详细说明的导出装置15来调节炉室2中的压力。
加热区域9、10和在平衡区域11中优选基本上构造相同地实施的燃烧器14优选为如下的燃烧器：借助于这些燃烧器将气态的、液态的或固态的燃料(例如碳灰、油或天然气)与作为氧化剂的空气一起燃烧。它们被构造为使来自其中的火焰被形成为如此宽和短，从而平均地加热在燃烧器14的相应喷嘴前方和产品4的上方的炉室2范围，但火焰不接触产品4的表面。此类的燃烧器例如在WO 02/0973348 A1中进行了描述。
由在预热区域8的炉顶17范围内安排的多个燃烧器18构成的区被安排在预热区域8的范围中。与燃烧器14不同，燃烧器18为氧燃料燃烧器，其中液态或气态的燃料与氧气或具有至少40体积％氧气、优选大于90体积％氧气的富含氧气的气体一起燃烧。燃烧器18以其喷嘴19垂直向下、也就是与产品4的输送方向6成大致90°的角度定向。燃烧器18被形成为使得来自其中的火焰足够长而能接触产品的表面，即为所谓的“DFI燃烧器”；另外它们适合用于无火焰的工作。此类的燃烧器18例如在WO 2008/092763 A1中进行了描述。所述类型的其他的燃烧器18可以(在此未示出)安排在预热区域8的侧壁中并且能够侧向地直接冲击产品4。安排在产品4的输送平面下方并从下方来加热产品4的燃烧器18在本发明的范围内也是可设想的，只要能够用其直接加热产品4。
在设备1工作时，产品4借助于输送装置6从炉室2的入口3被输送到出口5。在区域9、10、11的燃烧器14中，固态的、气态的或液态的燃料与空气一起燃烧，而在此产生的火焰不接触产品的表面。在燃烧时产生的主要由二氧化碳、水蒸气和氮气组成的热烟气与产品4逆流地在朝向加热区域8的方向上被引导通过炉室2、与穿过相应区域的产品进行接触并且由此将其加热。接着，烟气被导出装置16导出。在此，作为氧化剂给送到燃烧器14的空气中的氮气尤其用作热传递介质，以便实现对产品4的尽可能密集的对流加热。
在预热区域8中，产品4额外地通过来自氧燃料燃烧器18的直接火焰冲击被加热。燃烧器18在此以无火焰模式工作，即，在预热区域8中形成反应区域20，该反应区域从燃烧器18的喷嘴19直至达到产品4的表面并且在该反应区域之内进行燃烧反应。通过在无火焰工作期间从燃烧器18喷出的燃烧气体的强流动，从区域9、10、11沿朝向产品4的方向流动的烟气被偏转，如箭头22所展示的，由此产生了这些烟气到产品4的改进的热传递。
通过在预热区域中对产品4的直接冲击和燃烧器18的无火焰工作，实现了特别高效的热传递。由此提供了待从燃烧器18传递给产品4的总加热能量的超过25％、优选超过50％。在穿过区域9、10、11的过程中，因此已经在产品4的内部达到了强烈的温度平衡，使得产品4在这些区域中的停留时间能够相对于现有技术的再加热炉缩短。由此降低了产品4结垢的危险。
燃烧器14、18的工作由在此未示出的控制单元来监控，该控制单元尤其依赖于预定的程序和/或所测量的值来控制燃料和氧化剂在每个单独的燃烧器14、18处的给送。燃烧器18尤其可以依据其下方是否存在产品而单独地或成组地开启或关闭。燃烧器14、18的功率和待传递的加热能量在燃烧器14、18上的分配同样可以例如依赖于所测量的温度来调节，和/或，测量在炉1的下游(例如在炉1中被加热的产品4的机械变形之前或过程中)的材料参数并且将其作为调节参数来控制燃烧器14、18。
在其他情况下也可以根据本发明来改造现有的炉系统。为此需要在相应的预热区域的顶部范围或侧壁中安装DFI燃烧器，其火焰能够跨越顶部/侧壁与产品表面之间的距离，该距离可能为多达1m或更多。
参考号清单
1 炉
2 炉室
3 入口
4 产品
5 出口
6 输送装置
7 -
8 预热区域
9 第一加热区域
10 第二加热区域
11 平衡区域
12 输送方向
13 -
14 燃烧器
15 导出装置
16 箭头
17 炉顶
18 燃烧器
19 喷嘴
20 反应区域
21 -
22 箭头

Claims (8)

1.用于再加热金属产品以进行后续机械变形的设备，该设备具有：炉室(2)，该炉室具有预热区域(8)和至少一个后续区域(9，10，11)、用于将待加热的产品(4)从该预热区域(8)输送到该后续区域(9，10，11)中的输送装置以及在该预热区域(8)的范围内安排的、用于将在该后续区域(9，10，11)中产生的烟气排出的导出装置(15)；以及在该后续区域(9，10，11)中安装的燃料-空气燃烧器(14)，这些燃料-空气燃烧器被形成为使从其中出来的火焰不接触该产品(4)的表面，
其特征在于，
该预热区域(8)至少部分地装备有氧气-空气燃烧器(18)，这些氧气-空气燃烧器被形成为在该设备工作时，使从这些氧气-空气燃烧器中流出的燃烧气体形成达到该产品(4)的表面的火焰。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，安装在该预热区域中的燃烧器(18)被形成为无焰燃烧器或者被形成为非无焰燃烧器。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，至少该预热区域(8)的燃烧器(14，18)至少部分地安装在炉顶(17)的范围中并且是基本上垂直于正在通过的该产品(4)的表面定向。
4.根据以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，在该预热区域(8)中设置了由在该炉顶(17)上均匀分布的多个燃烧器(18)构成的区。
5.根据以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，控制与调节单元，通过该控制与调节单元，在该预热区域(8)中的燃烧器(18)和/或在该后续区域(9，10，11)中的燃烧器(14)能够被单独或成组地控制。
6.用于在再加热炉中加热产品的方法，在该再加热炉中，待加热的产品(4)相继通过该再加热炉(1)的炉室(2)的预热区域(8)和至少一个后续区域(9，10，11)并且在此与烟气进行热接触，该烟气与该产品(4)逆流地被引导并且由该后续区域(9，10，11)中的燃烧器产生，
其特征在于，
该产品(4)在该预热区域(8)中通过借助于安装在该预热区域中的氧气-燃料燃烧器(18)的直接火焰冲击而被加热并且在该后续区域(9，10，11)中通过随后流到该产品(4)处的烟气的加热而被对流加热。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在该预热区域(8)中的燃烧器(18)无火焰地或非无火焰地工作。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在该炉室(2)中传送给该产品(4)的加热能量的至少25％、优选超过50％是在该预热区域(8)中传送给该产品(4)的。
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