特别是用于退火的金属带加热方法和设备.pdf

本发明涉及加热金属带。本发明涉及一种加热金属带的设备，该设备包括配备有向所述带(1)喷射热气的装置(11)的预加热腔(2)、具有换热燃烧器(16，16’)的加热腔(4)、排出来自加热腔的气体的管路(31)、可调三通阀(32)以及调节装置，该调节装置包括金属带的指定温度传感器(34)和用于调节三通阀(32)的装置(36)以便该三通阀调节向喷射装置(11)传送的热气的量。本发明可应用于在给金属薄板退火前将其加热的设备。

1.  一种将金属带加热到需要有还原燃烧气氛的指定温度的方法，包括：
通过向所述带的至少一面喷射热气来将所述带预加热到不需要有保护气氛的中间温度，以及
在还原燃烧气氛中将所述带从所述中间温度加热到所述指定温度，
通过改变用于预加热的热气的所述喷射来对所述指定温度进行调节，
其特征在于
在还原燃烧气氛中的所述加热是通过明火换热燃烧器的加热来进行的，分第一阶段和第二阶段进行，所述第一阶段包括：在至少第一燃烧器(16，16’)中，借助吸收了第一热吸收块(26)的热量的空气而进行的燃烧，以及在至少另一燃烧器(16，16’)中，至少通过另一热吸收块(26)来吸收来自所述第一燃烧器的燃烧气体的热量而进行的蓄热，在所述第二阶段中，一方面至少所述第一燃烧器(16，16’)和至少所述另一燃烧器(16，16’)的功能互换，另一方面所述第一热吸收块(26)和所述另一热吸收块(26)的功能互换，
通过吸收所述燃烧气体的热量而进行的所述蓄热是在以下操作中执行的：所述操作包括在所述燃烧气体通过所述换热块(26)之前，将所述燃烧气体与额外量的加力燃烧空气混合，
通过喷射热气而进行的所述预加热包括使用通过换热燃烧器的加热而排出的气体的至少一部分，以及
所述对指定温度的调节包括调节用于通过喷射而进行的所述预加热的热气的量。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调节用于预加热的热气的量的步骤包括调节一方面传送给喷射步骤以及另一方面传送给热气排出步骤的热气的比例。

3.  根据权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，用于与所述燃烧气体混合而引入的空气的量足以使得所排出的气体没有还原能力。

4.  根据权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，根据对所述燃烧气体的还原能力的测量结果来调节在所述燃烧气体通过所述换热块(26)之前所述燃烧气体与引入的加力燃烧空气的混合。

5.  根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，包括建立从加热步骤到预加热步骤的直接气体流通以及在所述两个步骤中间注入加力燃烧空气。

6.  一种将金属带加热到需要有还原燃烧气氛的指定温度的设备，其特征在于所述设备包括：
预加热腔(2)，配备有向所述带(1)喷射热气的喷射装置(11)，
加热腔(4)，配备有在还原燃烧气氛中的明火加热组件，所述加热组件包括串联工作的至少两个换热燃烧器(16，16’)，所述燃烧器(16，16’)中至少一个处于燃烧模式，在所述燃烧模式中所述燃烧空气在参与燃烧之前在换热块(26)中流通，而至少另一燃烧器(16，16’)处于热回收模式，在所述热回收模式中来自至少所述第一燃烧器(16，16’)的燃烧气体在所述另一燃烧器(16，16’)的换热块(26)中流通并加热所述换热块(26)，所述至少两个燃烧器(16，16’)交换彼此的工作模式，每个燃烧器(16，16’)包括在换热模式下供给空气的空气供给装置，以便在燃烧气体在所述换热块(26)中流通之前将所述空气与还原状态下的所述燃烧气体相混合，
管路(31)，排出来自所述加热腔的气体，
可调三通阀(32)，具有连接到用于排出来自所述加热组件的气体的管路(31)的入口、连接到所述预加热腔的气体喷射装置(11)的出口以及连接到用于将气体排出到所述设备之外的管路(24)的出口，以及
调节装置，包括所述金属带的指定温度的传感器(34)和所述三通阀(32)的调节装置(36)，以便所述三通阀调节传送给所述喷射装置(11)的热气的量。

7.  根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述在换热模式下供给空气的空气供给装置引入的空气的量基本上恒定，至少足以使得所排出的气体总不具有还原能力。

8.  根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述设备包括第二调节装置，所述第二调节装置包括所述气体的还原能力传感器和根据所述还原能力传感器的信号来调节引入的空气的量的装置，用于调节由所述空气供给装置引入的空气的量。

9.  根据权利要求6至8中任一项所述的设备，其特征在于，所述预加热腔(2)和加热腔(4)相邻且共线。

10.  根据权利要求6至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括在所述预加热腔(2)和加热腔(4)之间的用于引入加力燃烧空气的装置(10)，由所述装置(10)引入的空气的量足以使得所述预加热腔(2)包含不具有还原能力的气体。

特别是用于退火的金属带加热方法和设备
本发明涉及将金属带加热到需要有还原燃烧气氛(与化学计量的量相比缺少助燃剂)的指定温度的方法和设备。
通过将本发明应用于加热被传送到退火设备的薄板状金属带、特别是制造电镀钢来描述本发明。
已知多种类型的金属薄板退火设备。
图1是将金属薄板预加热到指定温度的适用于退火设备的已知设备的第一实例的示意图。所述设备包括炉，该炉被划分出用于预加热金属薄板100的腔102和加热金属薄板的腔104，以使得在设备的出口处金属薄板具有例如750℃的指定温度。
在介于入口108和来自管路112的加力燃烧(post-combustion)空气的注入位置110之间的一段预加热腔102中，热气(不具有还原能力以使得通过入口108逸出的炉内气氛无毒(即不包含一氧化碳(CO))相对于金属薄板100逆向地从加热部分104流向入口108附近。由于层流的存在，在表面和与该表面平行的气流之间的热交换效率不太高。因此，腔102必须具有较大的长度。
在实际上介于空气的注入位置110和炉的出口114之间的燃烧腔104中，燃烧器116接收由连接到每个燃烧器116的供给线路118传送的燃料和由也连接到每个燃烧器的线路120传送的燃烧空气。线路120的空气优选地在热交换器122中被预加热了，在热交换器122中还流通着由从炉的入口108端附近开始的管路124排出的热气。
在加热腔104中，燃烧器116是在还原燃烧气氛下(即有CO)工作的明火(feu nu)燃烧器。在加热腔104中，金属薄板从空气注入位置110附近的约为350℃到400℃的温度，过渡到在出口114处的例如750℃的指定温度。
刚才描述的设备具有一些缺点。
首先，由于在预加热腔102中热气和金属薄板的简单逆向循环，气体和带之间的热交换的效率不太高，使得腔102的长度非常大，因此炉占据的空间也较大。
然后，使用明火燃烧器(明火燃烧器利用由交换器122预加热的空气以形成还原燃烧气氛)的总体系统的效率相对较低，约为50％，使得消耗的燃料量较高。
最后，热损耗较大，这主要由于：因为回收由管路124排出的气体的热量的热交换器122的效率本身就受到节制，所以温度还很高的气体就被排放到大气中。
根据文献JP2002-294347还知道在对金属薄板退火前预加热金属薄板的已知设备的另一实例，所述设备没有在地面占据较大空间的缺点。
更确切地，该设备包括长度较小的预加热腔202，这是因为该设备包括通过在与金属薄板垂直的方向上喷射热气来预加热金属薄板的装置210。该装置包括多个室，室的向金属薄板转动的壁包括喷射同样多的热气束的多个孔。有时候被称作“压力通风系统”(plenum)的此类装置210允许在较小的长度上进行有效的热交换。
该预加热腔202连接到加热腔204，在加热腔204中金属薄板在辐射管之间沿之字形路径行进。预加热腔和加热腔具有相同的保护气氛。借助鼓风机207，与腔204的保护气氛分离的由辐射管排出的燃烧气体被管道205提取给热交换器206。在热交换器206中，保护气氛在鼓风机208的控制下流通。流通系统包括并行安装的两种管路：供给在金属薄板上面的热气喷射装置210的管路209，以及包括开启得更大或更小以调节传送给热气喷射装置210的气体的量的调节阀212的另一管路211。
因此，在设备出口处测量金属薄板温度的指定温度传感器218允许控制阀门212，以使得该阀门调节可在管路209中流通的气体的量，并由此调节喷射装置210的预加热功率，以使得由传感器218测量的指定温度不变化。
图2中示出的设备没有占据较大空间的缺点，但有其它缺点。
首先，所使用的辐射燃烧器的效率不高。
然后，因为热交换器206仅部分地回收燃烧气体的热量，所以该设备的能量效率相对较低，不会超过约50％的值。
此外，包括两个腔和为向金属薄板上喷射气体的室供给气体的线路的设备整体含有的保护气氛要么可能是有毒的从而不满足燃烧的“卫生”条件，要么是惰性而昂贵的。
最后，因为在加热腔中金属薄板沿迂回路径行进，所以设备的成本较高且容易发生故障。
此外，特别是根据文献JP-2001/304539还知道具有“换热”(régénératif)燃烧器的加热组件。该术语“换热”是指，在第一阶段中将从燃烧气体中提取的热量累积起来，在第二阶段中将积累的热量释放给燃烧空气。这样的组件通常包括串联安装的两个燃烧器301a、301b：一个燃烧器处于燃烧模式，其中管路316的燃烧空气在参与燃烧之前在换热块(masse régénérative)306中流通；另一燃烧器处于热回收模式，其中第一燃烧器的燃烧气体在所述另一燃烧器的换热块306中流通并加热该换热块。一定时间过后，例如一分钟以内，两个燃烧器交换它们的工作模式。在上述文件中，每个燃烧器301a、301b还包括空气供给装置308，在换热模式下该空气供给装置308引入在燃烧气体于换热块306中流通之前与燃烧气体混合的加力燃烧空气。换热块可由例如小球形式的陶瓷材料构成。
由于在换热块306中通过燃烧空气回收热量并由于吸收仍然具有还原能力的气体与由装置308引入的加力燃烧空气的加力燃烧的热量，与在参照图1描述的类型的设备中使用的、在还原燃烧气氛下工作的简单明火燃烧器的效率相比，该加热组件的效率显著提高。
目前还不知道这种通过换热燃烧器加热的组件在持续加热设备(例如用来供给金属薄板退火设备的类型)中的应用。
本发明使用图1及图2的设备和图3的换热燃烧器的特征的组合，同时减少由于使用热交换器引起的热量损失。从换热燃烧器排出的气体在预加热区域中被喷射到金属薄板上，促使显著提高设备的总热效率，并允许调节温度。此外，可能有毒的保护气氛只在加热腔中存在，因此该设备具有良好的燃烧“卫生”条件。
更确切地，本发明涉及一种将金属带加热到需要有还原燃烧气氛的指定温度的方法，包括：通过向所述带的至少一面喷射热气来将带预加热到不需要有保护气氛的中间温度，在还原燃烧气氛中将带从中间温度加热到指定温度，通过改变用于预加热的热气的喷射来对指定温度进行调节；根据本发明，在还原燃烧气氛中的加热是通过明火换热燃烧器的加热来进行的，分第一阶段和第二阶段进行，第一阶段包括：在至少第一燃烧器中，借助吸收了第一热吸收块的热量的空气而进行的燃烧，以及在至少另一燃烧器中，至少通过另一热吸收块吸收来自第一燃烧器的燃烧气体的热量而进行的蓄热，在第二阶段中，一方面至少第一燃烧器和至少另一燃烧器的功能互换，另一方面第一热吸收块和另一热吸收块的功能互换，通过吸收燃烧气体的热量而进行的换热是在以下操作中执行的：该操作包括在燃烧气体通过换热块之前将燃烧气体与额外量的加力燃烧空气混合，通过喷射热气而进行的预加热包括使用通过换热燃烧器的加热而排出的气体的至少一部分，对指定温度的调节包括调节用于通过喷射而进行的预加热的热气的量。
优选地，调节用于预加热的热气的量的步骤包括调节一方面传送给喷射步骤以及另一方面传送给热气排出步骤的热气的比例。
优选地，用于与燃烧气体混合而引入的空气的量足以使得所排出的气体没有还原能力。
优选地，根据对燃烧气体的还原能力的测量结果来调节在燃烧气体通过换热块之前燃烧气体与引入的加力燃烧空气的混合。
优选地，该方法包括建立从加热步骤到预加热步骤的直接气体流通以及在两个步骤中间注入加力燃烧空气。
在一示例中，中间温度约为400℃，指定温度是金属带的退火温度，金属带的金属是钢，金属带是带钢。
本发明还涉及一种将金属带加热到需要有还原燃烧气氛的指定温度的设备，该设备包括：预加热腔，配备有向所述带喷射热气的喷射装置；加热腔，配备有在还原燃烧气氛中加热的明火加热组件，加热组件包括串联工作的至少两个换热燃烧器，燃烧器中至少一个处于燃烧模式，在燃烧模式中燃烧空气在参与燃烧之前在换热块中流通，而至少另一燃烧器处于热回收模式，在热回收模式中来自至少第一燃烧器的燃烧气体在另一燃烧器的换热块中流通并加热换热块，至少两个燃烧器交换彼此的工作模式，每个燃烧器包括在换热模式中供给空气的空气供给装置，以便在燃烧气体在换热块中流通之前将该空气与还原状态下的燃烧气体混合；管路，排出来自加热组件的气体；可调三通阀，具有连接到用于排出来自加热组件的气体的管路的入口、连接到预加热腔的气体喷射装置的出口以及连接到用于将气体排出到设备之外的管路的出口；以及调节装置，包括金属带的指定温度的传感器和三通阀的调节装置，以便三通阀调节传送给喷射装置的热气的量。
优选地，在换热模式下供给空气的空气供给装置引入的空气的量基本上恒定，至少足以使得所排出的气体总不具有还原能力。
优选地，第二调节装置包括气体的还原能力传感器和根据还原能力传感器的信号来调节引入的空气的量的装置，第二调节装置调节由空气供给装置引入的空气的量。
优选地，预加热腔和加热腔相邻且共线。
优选地，该设备还包括在预加热腔和加热腔之间的用于引入加力燃烧空气的装置，由该装置引入的空气的量足以使得预加热腔包含不具有还原能力的气体。
与图1的设备相比，由于显著减小了预加热区域，本发明具有允许实现长度较小的设备的优点。
与图2的设备相比，在金属薄板沿着线性路径行进的情况下，本发明具有更简易的优点。
与所有描述过的设备相比，本发明允许显著减少能量损失并显著提高能量效率，这主要是通过使用换热燃烧器组件和取消热交换器来获得的。
因此，如果例如图1中示出的设备具有约50％的总能量效率，那么与图4中示出的类型相似的设备将大大超过60％。
所有这些优点都是通过结合使用直线路径、使用通过喷射预加热的装置、使用换热型明火燃烧器以及使用通过预加热装置对指定温度的调节而获得的。更确切地，利用换热燃烧器以便获得比现有技术排出的燃烧气体高得多的温度。事实上，在所有已知应用中，不论在氧化气氛下或还原气氛下工作，换热燃烧器都产生温度约150℃的燃烧气体。部分由于这个原因，所有已知的换热燃烧器(其中也包括在文献JP-2001/304539中描述的类型的换热燃烧器)都实施为将燃烧气体排出到大气中。在本发明的范围内，燃烧器以相反方式工作，以获得优选地约为400℃的、允许直接用于在预加热腔中喷射热气的热气温度。
通过阅读在后面对实施例的描述将更好地理解本发明的其它特征和优点，在附图中，图1到图3已经描述过了，图4是以示意形式示出的根据本发明的设备的示意图。
图4的设备包括一定数量的与图1相似的部分。
因此，金属薄板1进入包括第一腔2和第二腔4的炉6中，第一腔2在氧化的或者至少不具有还原能力的环境下工作，第二腔4具有还原燃烧气氛。金属薄板的入口8只能让第一腔2的气氛(即不包含CO的无毒气氛)通过，这是由于通过入口10借助管路12引入了加力燃烧空气。在面对燃烧器16通过后，金属薄板以指定温度经由出口14离开炉。这些燃烧器由线路18供给燃料以及由线路20供给空气。最终在入口8附近排出的气体通过与例如气道相连的管路24离开设备。
图4的设备的其它特征与图1不同。
首先，预加热腔2包括用于预加热的如后面所述由加热腔4供给热气的热气喷射装置11。
每个明火燃烧器16都连接到与参照图3描述的换热块306相似的换热块26。加力燃烧空气的入口28与参照图3描述的入口308相似。彼此面对布置的两个燃烧器16和16’以参照图3描述的方式串联工作。
在第一实施方式中，通过在换热块26上游的入口28引入的加力燃烧空气的量可足以使得由燃烧器排出的气体总不具有还原能力。在这种情况下，燃烧器利用过量的加力燃烧空气工作。
在一变型中，在换热块的上游或下游，将还原能力传感器(未示出)结合到燃烧器，以便该传感器允许对引入每个燃烧器的加力燃烧空气的量进行调节。以这种方式，优化了热效率并且将燃烧器的能量消耗减小到了最低程度。
尽管加力燃烧反应释放出额外的热量(尤其是通过在还原燃烧气氛中燃烧CO)，由换热块26排出的气体的温度仍足够低(在对金属薄板而言不需要有还原燃烧气氛的温度)以便能够通过排出燃烧气体的管路31的鼓风机30而被传送给可调三通阀32和热气喷射装置11。在需要提取燃烧气体的所有情况下，鼓风机的存在还允许利用这些气体获得的动压力来提高通过喷射进行预加热的热效率。这也促使提高了本发明的目的系统的效率。
还示出了用于在炉6的出口处确定金属薄板1的指定温度的温度传感器34。调节电路(未示出)根据由传感器34确定的温度来控制调节三通阀32的操纵装置36。以这种方式，可以以较快的反应速度来调节用于在装置11中预加热的由燃烧器排出的气体的量，这是有必要的，因为金属薄板在炉中的速度较快。
图4的设备的加热腔4的长度与图1的设备的加热腔104的长度相似。与之相对，图4的设备的预加热腔2却比图1的设备的预加热腔102短得多。
与图2示出的设备中金属薄板的之字形通过的复杂设备相反，图4的设备允许在炉内由一些辊子局部简单支承的金属薄板1的线性通过。与图2中的在燃烧气体和用来给金属薄板预加热的气体之间需要热交换器的设备相反，由于有两种不同的气氛，在预加热腔中的一种气氛可以是氧化的且在燃烧意义上是不还原的，而在加热腔中的另一种气氛在燃烧意义上是还原的，所以燃烧气体可直接用来预加热。
本发明的另一优点是，由于预加热到较高温度和由于燃烧器的换热块的热效率的提高(热效率可达到80％)，所以如果将该用于预加热燃烧空气的系统与在污染物排放方面的高性能技术(例如无火焰的氧化作用)相结合，则排出的烟气可包含较少量的氮氧化物NOx，例如对烟气中3％的氧气而言在常规条件下低于200mg/m³。此外，由于这些性能好的燃烧器的热效率提高，所以可以在减少燃料消耗和降低氮氧化物排放的情况下更快地加热金属薄板并因此获得生产率的提高。
虽然在加热金属带的应用中描述了本发明，但该加热可形成实际上的热处理，而不是热处理(例如退火)之前的简单操作。
由于所消耗燃料和排放的减少以及安全性的提高，因此本发明不仅从效益和成本的角度，而且从化石资源保存和环境保护的角度具有显著的优点。