能源與環(huán)境問題給鋼鐵企業(yè)和陶瓷工業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展帶來限制性影響，節(jié)能降耗和減少排放是企業(yè)技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。工業(yè)爐是工業(yè)加熱的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于高溫工業(yè)。工業(yè)爐是高耗能設(shè)備。在工業(yè)窯爐的節(jié)能過程中，除了熱源改造、燒結(jié)工藝改造、燃燒工藝改造和窯爐結(jié)構(gòu)改造外，窯爐用耐火材料和窯具耐火材料性能的好壞對工業(yè)窯爐的節(jié)能效果有著決定性影響。工業(yè)窯爐中熱量消耗基本上可以分解為產(chǎn)品吸收的熱量、窯具吸收的熱量、煙氣帶走的熱量、窯壁和窯車吸收的熱量、窯體散熱損失的熱量等幾個部分，其中僅僅用于產(chǎn)品吸收的熱量是有效能量。我國的能源利用率較低，工業(yè)爐的熱效率平均為 30%，其中鍛造爐為 5%～20%，熱處理爐為 8%~25%，連續(xù)加熱爐的熱效率稍高一些，也只有 30%~55%，與國際上工業(yè)爐的熱效率平均為 50%以上相比有較大的差距。
為應(yīng)對能源形勢的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，工業(yè)爐節(jié)能降耗是發(fā)展的必然趨勢。工業(yè)爐節(jié)能與窯襯耐火材料的技術(shù)進(jìn)步、窯爐技術(shù)設(shè)計和施工密切相關(guān)。窯襯耐火材料在工業(yè)窯爐中的節(jié)能作用是通過多種窯襯耐火材料與隔熱保溫材料組合，采用耐火絕熱一體化輕質(zhì)耐火材料作為窯體結(jié)構(gòu)材料，使窯體減少散熱損失和蓄熱損失達(dá)到節(jié)能目的。窯襯耐火材料與隔熱保溫材料組合有多種途徑，本研究從傳熱角度出發(fā)，計算分析采用幾種不同熱導(dǎo)率窯襯耐火材料結(jié)構(gòu)組合，對其進(jìn)行包括熱流密度和外表面溫度的變化等傳熱分析，為優(yōu)化工業(yè)爐窯襯耐火材料組合和研究耐火節(jié)能一體化結(jié)構(gòu)以及發(fā)展新型節(jié)能型耐火材料提供技術(shù)依據(jù)。
軋鋼加熱爐爐壁熱傳導(dǎo)計算
軋鋼生產(chǎn)能耗約占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)總能耗的十分之一, 其中 75%～80%消耗于各種加熱爐，軋鋼加熱爐的熱效率對鋼鐵廠軋制工序的能耗起著至關(guān)重要的作用。通過傳熱計算分析采用輕質(zhì)保溫材料對爐壁散熱的影響。軋鋼爐為連續(xù)加熱爐爐型，因此計算時不考慮爐襯材料的蓄熱，只分析工作狀態(tài)下通過爐墻的散熱。
1.1 傳熱計算模型
熱量通過爐襯材料由爐墻內(nèi)壁向外壁傳遞方式為導(dǎo)熱傳熱，爐墻外壁對周圍環(huán)境的傳熱方式是對流和輻射同時存在，由于爐墻外表面溫度較低（一般＜ 100 ℃），對流為主要傳熱方式，其總傳熱量為輻射傳熱和對流傳熱量之和，即：
為便于對復(fù)雜的傳熱現(xiàn)象進(jìn)行綜合計算，一般將公式統(tǒng)一為以下形式：
式中，Q－傳熱量(W)；h－爐墻外側(cè)對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；A－爐墻面積(m2)；tb－爐墻外壁溫度(℃)；tf－爐墻外側(cè)空氣溫度，即環(huán)境溫度(℃)；C0－絕對黑體的輻射系數(shù)，5.68 W/(m2·K4)；ε－爐墻外壁的黑度；φ－輻射角系數(shù)；α－對流輻射綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。
以上公式適合已知爐墻外壁溫度時熱損失計算。在無法測得該數(shù)據(jù)時，可根據(jù)爐膛內(nèi)壁溫度計算爐墻的溫度場分布。加熱爐爐墻傳熱為第三類邊界條件的穩(wěn)態(tài)多層平壁傳熱模型，爐殼鋼板較薄（僅為幾毫米），其熱導(dǎo)率 λ 為 54 W/(m·K)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于耐火材料的熱導(dǎo)率，因此鋼板的傳熱熱阻可忽略不計。
單位時間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量稱為熱流密度 q， q = ∫ −λ ∂t dx (W/m)。∂x
熱流密度是向量，由高溫到低溫的方向為正，與溫度梯度相反。爐墻單位面積的熱損失，即爐膛內(nèi)壁通過爐襯傳給加熱爐周圍環(huán)境的熱流密度數(shù)值為：
式中，t1－爐墻內(nèi)壁溫度(℃)；tf－爐墻外側(cè)空氣溫度，即環(huán)境溫度(℃)；δi－第 i 層爐襯材料的厚度(m)；λi－第 i 層爐襯材料的熱導(dǎo)率，W/(m·K)。爐墻的綜合傳熱系數(shù) k 為
不同爐襯的界面溫度為
熱導(dǎo)率 λ 是熱工計算非常重要的參數(shù)，λ 數(shù)值受溫度影響，典型的軋鋼加熱爐爐襯厚度為 400~500 mm，以爐墻內(nèi)表面溫度為 1250 ℃和爐襯厚度為 450 mm 為例計算，爐襯結(jié)構(gòu)分別為：爐襯結(jié)構(gòu)Ⅰ為全重質(zhì)耐火澆注料；爐襯結(jié)構(gòu)Ⅱ為 50 mm 纖維板+400 mm 澆注料的復(fù)合爐襯；爐襯結(jié)構(gòu)Ⅲ為 100 mm 纖維板+115 mm 輕質(zhì)粘土保溫磚+235 mm 澆注料的復(fù)合爐襯；爐襯Ⅳ為105 mm 纖維板+230 mm JM23 絕熱保溫磚+115 mm輕質(zhì)莫來石耐火磚。爐襯材料的計算熱導(dǎo)率按各自平均工作溫度下的熱導(dǎo)率取值。爐墻外壁的對流輻射綜合傳熱系數(shù)，取 15~20 W/(m2·K) [2]，爐墻外壁空氣溫度即車間溫度取值 25 ℃，計算結(jié)果如表 2 所示。由表 2 可知采用復(fù)合爐襯Ⅳ的爐墻散熱為采用全重質(zhì)澆注料爐襯結(jié)構(gòu)Ⅰ的 8%左右。與爐襯結(jié)構(gòu)Ⅰ相比，相同厚度的爐 墻，爐襯結(jié)構(gòu)Ⅱ在 400 mm 厚的低水泥澆注料加貼 50 mm 耐火纖維后，熱流密度大幅度下降，僅450 mm 全澆注料爐襯的 50%。國內(nèi)許多加熱爐的節(jié)能改造方式為在原有爐襯加貼耐火纖維，即收到了較好的節(jié)能效果。
1250 ℃軋鋼加熱爐爐墻的一維溫度場。可以看出軋鋼爐 4 種爐襯的爐墻外表面溫度分別為357，123，79 和 51 ℃。爐襯結(jié)構(gòu)Ⅰ和爐襯結(jié)構(gòu)Ⅱ的外表面爐墻溫度太高顯然不符合 GB/T 3486-93 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。目前軋鋼加熱爐的爐襯結(jié)構(gòu)一般是復(fù)合爐襯Ⅲ即纖維、輕質(zhì)磚和重質(zhì)低水泥澆注料的復(fù)合爐襯結(jié)構(gòu)。考慮到初始投資、使用壽命和節(jié)能的綜合效益，軋鋼
加熱爐的爐襯結(jié)構(gòu) 105 mm 纖維板+230 mm JM23 絕熱保溫磚+115 mm 輕質(zhì)莫來石耐火磚將具有更好的節(jié)能效果。