Verhitoven voor staal: Efficiëntie en warmtebehandeling bij warm walzen

De verhitoven is cruciale apparatuur in het warmwalzproces. Het is het hart van elke warmwalzmolen. Verhitting van staal is een continu proces. Het te walzen staalmateriaal wordt aan de ingang van de verhitoven ingeladen. Het materiaal wordt op de ovenbodem (hearth) vooruit geduwd door een duwmachine wiens ram in direct contact staat met het staal. Het materiaal wordt voorverhit, verhitt en gezoakt (gesoak) tijdens het passeren van de voorverhit-, verhit- en zoakzone. Aan het einde van de zoakzone wordt het materiaal door een uitwerper (ejector) uit de oven gedrukt voor walzen in de walzmolen. De temperatuur van het verhit materiaal bij ontlading hangt van verschillende factoren af en kan variëren tussen 1100 °C en 1250 °C.

Capaciteit en energievraag

De grootte van de verhitoven wordt normaal uitgedrukt als capaciteit om de walzmolen voldoende verhit staal te leveren, in ton per uur. Staalmaterialen met verschillende samenstellingen, afmetingen en oplaadtemperaturen kunnen gelijktijdig in de oven verblijven.

De verhitoven voor het verwarmen van staalmateriaal wordt normaal gezien als hoge energieconsument. Het emitteert ook een aanzienlijke hoeveelheid verontreinigingen in de atmosfeer omdat het proces voor warmteopwekking verbranding is. Het verhitproces heeft grote invloed op de economie van de walzmolen.

Typen continue verhitovens

Er zijn meestal drie typen continue verhitovens in walzmolens: (i) duwovens (pusher type), (ii) looproostervens (walking hearth), en (iii) loopbalkovens (walking beam).

Nadelen van duwovens

• Vroege schade aan refractaire ovenbodem.
• Skidmarks (skidsporen) op het verhit staalmateriaal.
• Energieverlies door waterkoeling van de skids.
• Ondersteuningsstructuur voor materiaal in boven- en ondergevuurde ovens heeft nadelig effect op energiegebruik.
• Ontlading van staalmateriaal moet gepaard gaan met lading.
• Afmeting en gewicht van staalmateriaal en ovenlengte zijn beperkt door wrijving; mogelijkheid van opstapeling in de oven.
• Geen mogelijkheid om staalmateriaal van alle vier kanten te verwarmen.

Verhitproces en temperatuur

De verhitoven verwart het geladen staalmateriaal tot de wals temperatuur voor warm walzen in de walzmolen. Wals temperatuur is de temperatuur die het staal geschikt maakt voor plastische vervorming in het walsproces. Hiervoor moet het staal temperaturen hebben waar de microstructuur in het austenitische gebied ligt.

Het te walzen staal is meestal in vorm van blokken (billets), bloemen (blooms) of plakken (slabs). Vorm kan vierkant, rechthoekig, plat of rond zijn. Het vormt het laagbed van de oven. De oven kan bovengevuurd of boven- en ondergevuurd zijn. Branderlocaties: oveneind, ovenzijden, of ovendak. De oven kan vloeibare, gasvormige of vaste brandstof gebruiken. Branders zijn geplaatst voor uniforme warmteverdeling.

Conventionele verhitmethode

De normale methode is het verwarmen van staal in een oven bevuurd door branders die werken op of iets boven de stoechiometrische verhouding van de brandstof. 100% stoechiometrische verhouding is de lucht/brandstof verhouding die perfecte verbranding oplevert en een gasatmosfeer in de oven die alleen uit stikstof (N₂), kooldioxide (CO₂) en waterdamp (H₂O) bestaat. Verbranding bij een lucht/brandstof verhouding iets boven 100% stoechiometrisch resulteert in een klein percentage zuurstof (O₂) in de ovenatmosfeer. Ook door de hoge temperaturen wordt een percentage N₂ omgezet in stikstofoxiden.

Tijdens de doortocht van het staalmateriaal door de oven wordt energie overgedragen door: (i) convectie van de hete brandergassen in direct contact met het staal, en (ii) straling van de verhitte ovenwanden en -dak. Energieoverdracht binnen het staal vindt plaats door geleiding. Straling is de meest efficiënte manier van warmteoverdracht en vindt plaats door het nuttige warmteoverdrachtsoppervlak gecreëerd door het staallaagbed.

Hoofdcomponenten van een verhitoven

• Kamer van refractair en isolatiemateriaal voor warmteretentie bij hoge bedrijfstemperaturen.
• Ovenbodem (hearth) voor ondersteunen en transporteren van het staal.
• Set branders voor vaste, vloeibare of gasvormige brandstof voor opbrengen en handhaven van temperatuur in de kamer.
• Systeem voor afvoeren van verbrandingsuitlaatgassen uit de kamer.
• Systemen voor in- en uitvoeren van staalmateriaal uit de ovenkamer.

Drie zones in de verhitoven

De oven is basis verdeeld in drie zones: (i) voorverhitzone (preheating zone), (ii) verhitzone (heating zone), (iii) zoakzone (soaking zone).

• Voorverhitzone: Het geladen staalmateriaal wordt voorverhit. De rol is de temperatuur progressief te verhogen. Langzame verwarming van het staaloppervlak is noodzakelijk voor controle van thermische spanningen.
• Verhitzone: De oppervlaktetemperatuur van het staalmateriaal wordt snel verhoogd. Het grootste deel van de warmteabsorptie vindt hier plaats.
• Zoakzone: De interne temperatuur van het staalmateriaal wordt gecontroleerd voor zo uniform mogelijke temperatuur door de dwarsdoorsnede. De temperatuur van deze zone wordt progressief verhoogd voor de doelontladingtemperatuur.

Het grootste deel van de verhitting vindt plaats in de verhitzone. Temperatuurgelijkheid tussen kern en oppervlak tot gewenste grenzen wordt bereikt in de zoakzone. De rookgassen bewegen in tegenovergestelde richting van het staalmateriaal en zorgen voor aanzienlijke afvalwarmterecuperatie door convectie in de voorverhitzone. Deze zone wordt ook herstellingszone (recuperative zone) genoemd. De snelheid en verblijftijd van de uitlaatgassen in de oven zijn belangrijk voor effectieve overdracht van hun gevoelige warmte aan het staalmateriaal.

Vereisten voor hoge brandstofefficiëntie

De verhitoven moet hoog brandstofefficiënt zijn. Vereisten: (i) juist dakprofiel, (ii) effectieve zonale warmteverdeling, (iii) optimale lengte voorverhitzone voor herstellingswarmteoverdracht, (iv) juiste branderlocaties, (v) juiste uitlaatpoort voor rookgassen, (v) voldoende warmtevrijmaking in de ovenkamer om staal te verwarmen en alle warmteverliezen te overwinnen, (vi) effectieve overdracht van beschikbare warmte van ovengassen naar staaloppervlak, (vii) juiste isolatie voor minimaal ovenhuidtemperatuur, (viii) effectieve controle van ovenkamerdruk om atmosfeerluchtinfiltratie te elimineren, (ix) benodigde instrumentatie voor controle van belangrijke ovenparameters, (x) apparatuur voor afvalwarmterecuperatie, (xi) apparatuur voor emissiecontrole.

Basis operationele vereisten

• Gewenste minimum temperatuur voor walzen consistent bereiken.
• Temperatuurverschil tussen oppervlak, kern, en over de lengte minimaliseren tot 15-25 °C.
• Koude plekken (skidmarks) in de staallading minimaliseren.
• Oververhitting en verbranden van het staal vermijden.
• Schilvorming minimaliseren.
• Ontkooling aan het staaloppervlak minimaliseren.
• Thermische spanningen en barsten in het laadmateriaal vermijden.
• Krassen op de bodem van het staalmateriaal elimineren.
• Laag energieverbruik en minimale warmteverliezen uit de oven.
• Maximale recuperatie van gevoelige warmte van uitlaatgassen.
• Lage verbrandingsemissies.
• Eenvoudig en gemakkelijk te bedienen regelsysteem.

Thermische efficiëntie van de verhitoven

Thermische efficiëntie is gedefinieerd als de toename van de warmteinhoud van de staallading, bij verhitting van initiële temperatuur tot wals temperatuur, gedeeld door de energie geleverd door de brandstof, inclusief latente energie en gevoelige warmte.

De verhitoven verbruikt ongeveer 70% tot 80% van het totale energieverbruik van een walzmolen met een continue duwoven. De duwoven lijdt aan het permanente probleem van lage efficiëntie. Thermische efficiëntie is normaal 20% tot 30% omdat veel warmte verloren gaat. Warmteverlies door: (i) warmte opgeslagen in ovenstructuren, (ii) warmteverlies via buitenwanden en structuren, (iii) warmte afgevoerd door implementen, gereedschappen, apparatuur, (iv) warmte voor verwarmen koude luchinfiltratie, (v) warmte meegenomen door overtollige lucht voor verbranding, (vi) warmteverlies in uitlaatgassen, (vii) warmteverlies door lekkages, (viii) warmteverlies aan koelwater voor skidkoeling. De grootste bron is de uitlaatgassen die de oven verlaten. Hoe hoger de oventemperatuur, hoe groter het verlies. Zie Figuur 1 voor typisch warmtebalansdiagram van een duwofen.

Verhitting van staal en operationele praktijken

Verhitting van staalmateriaal in de verhitoven wordt beïnvloed door operationele praktijken. Goede praktijk geeft betere controle op schilvorming, brandstofverbruik en verhittingskwaliteit. Het beïnvloedt ook de ovenproductiviteit. Beïnvloedende factoren: (i) bodembedekking (hearth coverage), (ii) ontladingtemperatuur staalmateriaal, (iii) temperatuurgelijkheid over lengte en dwarsdoorsnede, (iv) controle van brandstofverbranding, (v) controle van overtollige luchtinstroming door O₂ in uitlaatgas te controleren, (vi) controle van ovendruk, (vii) afvalwarmterecuperatie.

Verbrandingscontrole optimaliseert de gevoelige warmte geabsorbeerd door het staalmateriaal. Efficiënt brandstofgebruik controleert de uitlaatgasstroom in de ovenatmosfeer. Specifiek brandstofverbruik wordt beïnvloed door: (i) calorische waarde (CV) van de brandstof, (ii) overtollige lucht in ovenatmosfeer, (iii) voorverhittingstemperatuur van verbrandingslucht, (iv) vuurzonetemperaturen, (v) temperatuur staalmateriaal bij oveninvoer, (vi) bodembedekking door staalmateriaal, (vii) ontladingtemperatuur, (viii) warmteverliezen uit oven, (ix) molenvertragingen.

Koolstofgevuurde verhitovens

Naast CV van de steenkool zijn andere factoren belangrijk: (i) as, vocht, en vluchtige stofgehalte van de kool, (ii) consistentie van korrelgrootteverdeling bij verfijning, (iii) uniforme menging van verfijnde kool met draagmedium (verbrandingslucht), (iv) constante toervoorziening van verfijnde kool aan de brander. Verfijnde kool wordt normaal opgeschort in lucht getransporteerd. Dunne fasemethode (lean phase) wordt gebruikt; de transportlucht fungeert als primaire lucht in de brander. De transportvereisten bepalen meestal de primaire luchtstroom. Dit impliceert dat de primaire luchtafvoersnelheid aan de brandermonding de enige variabele is om impuls en dus verbranding te optimaliseren.

Luchtsnelheid moet voldoende zijn om de kool in opschorting te houden, maar niet te hoog want dat veroorzaakt snelle slijtage en overmatige drupverlies. Minimaal aanbevolen transportsnelheid is 22 m/s, optimaal 25 m/s, absoluut minimum 19-20 m/s. Bij lagere snelheid kan kool uitzakken en accumuleren in dode ruimtes, wat ernstig brand- en explosierisico geeft omdat geaccumuleerde kool spontaan kan ontbranden.

Verfijnde kool is normaal niet gelijkmatig verdeeld in de transportlucht in de pijp. Vaak treedt ernstige oneffen verdeling op, 'roping' genoemd. Dit is niet voorspelbaar maar neigt ertoe erger te worden naarmate er meer bochten in het systeem zitten en de pijp langer is. Roping is moeilijk te detecteren en kwantificeren maar beïnvloedt de branderprestaties negatief ten aanzien van vlam patroon en warmtevrijgivingsprofiel.

Afvalwarmterecuperatie

Uitlaatgassen verlaten de verhitoven bij een hogere temperatuur dan het staalmateriaal in de oven. Gevoelige warmte in uitlaatgassen kan 35% tot 55% van de warmte-invoer naar de oven meenemen. Hoe hoger de overtollige lucht en uitlaatgastemperatuur, hoe hoger de warmte-uitgang. Afvalwarmterecuperatie speelt daarom cruciale rol in brandstofefficiëntie. Een belangrijke methode is voorverhitting van verbrandingslucht in een afvalwarmterecuperator.

Afvalwarmterecuperatie heeft directe en indirecte voordelen. Direct: (i) verbeterde verwarmingssysteemefficiëntie met lagere specifieke brandstofconsumptie, (ii) lagere uitlaatgastemperatuur aan de schoorsteen, (iii) hogere vlamtemperatuur door voorverhitte verbrandingslucht, (iv) snellere ophitting van staal in de oven, (v) verhoogde ovenproductiviteit. Indirect: (i) reductie luchtverontreiniging, (ii) reductie apparatuurgrootte wat ook energie voor die apparatuur vermindert.

Verhittingscurve en retentietijd

Zodra een staalstuk in de oven gaat, passeert het achtereenvolgens: ingang, voorverhitzone, verhitzone, zoakzone, uitgang. Tijdens deze tocht bepalen de staaloppervlaktetemperatuur (gecontroleerd door de verhittingscurve) en de retentietijd in de oven de temperatuurgelijkheid. Verder beïnvloeden verhittingscurve en retentietijd energieverbruik/brandstofconsumptie. De oppervlaktetemperatuursverdeling wordt hoofdzakelijk bepaald door straling en deels door convectieve en conductieve warmteoverdracht. Met de veronderstelling van thermisch evenwicht aan het staaloppervlak, kan de typische verhittingscurve (of staaloppervlaktetemperatuur) worden voorgesteld door een arctangens functie. De oppervlaktetemperatuursverdeling (Ts) met staallocatie (z) is in Figuur 2 weergegeven, genormaliseerd naar oplaadtemperatuur (Tc), ontladingtemperatuur (Td) en ovenlengte (L).

Factoren die verhittingsefficiëntie beïnvloeden

Factoren die bijdragen aan lage warmteefficiëntie: (i) ovencapaciteit niet afgestemd op walzmolencapaciteit, (ii) ongeschikte apparatuur voor verbranding, (iii) geen recuperatoren of onvoldoende capaciteit/inefficiënte recuperator, (iv) geen of overgeslagen lucht/brandstof verhoudingsregeling, (v) geen automatische temperatuurcontrole en ovendrukcontrole, (vi) onjuist onderhoud en bediening van oven en verbrandingssysteem, (vii) warmteopslag in ovenstructuur, (viii) verliezen via buitenwanden/structuren, (ix) warmte afgevoerd door lasttransportbanden, fixaties, bakken, etc., (x) stralingsverliezen via openingen, blootliggende hete delen, (xi) warmte meegenomen door koude luchinfiltratie, (xii) warmte meegenomen door overtollige lucht in branders.