加熱爐汽化系統(tǒng)技術(shù)改造及優(yōu)化

吳新忠 （天津冶金軋一鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300201)

加熱爐汽化系統(tǒng)技術(shù)改造及優(yōu)化

吳新忠 （天津冶金軋一鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300201)

天津軋一聯(lián)升帶鋼有限公司連續(xù)推鋼式加熱爐經(jīng)常發(fā)生裂管、塌爐事故，通過分析并經(jīng)理論計(jì)算確定問題發(fā)生的原因主要是由于爐內(nèi)縱、橫水管管徑偏小;加熱爐支撐耐火磚墻受推鋼時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)易松散而失去支撐作用;爐尾區(qū)域汽化回路汽化循環(huán)效果差;爐尾縱水管沒有拉緊裝置等。針對(duì)上述原因提出了技術(shù)改造方案并實(shí)施，通過加大水管管徑、增加橫支撐水管和爐尾縱水管拉緊裝置、增加縱水管上耐熱滑塊厚度和調(diào)整汽化回路布局，使問題得到有效解決。

加熱爐 冷卻 水管 強(qiáng)度 校核 支撐 汽化系統(tǒng) 優(yōu)化

1 引言

眾所周知，汽化系統(tǒng)是連續(xù)推鋼式加熱爐中一個(gè)重要組成部分，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響加熱爐的生產(chǎn)效率和安全運(yùn)行。天津軋一聯(lián)升帶鋼有限公司的加熱爐是一座120 t/h連續(xù)推鋼式加熱爐，其原設(shè)計(jì)的汽化系統(tǒng)的縱水管采用爐頭及爐尾兩側(cè)進(jìn)水，在沿加熱爐爐長(zhǎng)方向的中間區(qū)域，抽頭與汽化系統(tǒng)的汽包相連，構(gòu)成兩頭進(jìn)、中間出的汽化循環(huán)的模式。汽化系統(tǒng)的橫水管支撐采用的是丁字管雙橫水管支撐結(jié)構(gòu)，且丁字管內(nèi)部帶有導(dǎo)流管。該加熱爐汽化系統(tǒng)自2009年以來，經(jīng)常出現(xiàn)縱、橫水管開裂、下彎塌爐等事故，幾乎每?jī)蓚€(gè)月都會(huì)出現(xiàn)一次因加熱爐縱、橫水管開裂或下彎塌爐而被迫停爐的事件，直接影響該熱軋帶鋼生產(chǎn)線產(chǎn)量的進(jìn)一步提高。針對(duì)上述情況，通過認(rèn)真分析研究，找出了癥結(jié)所在，提出了針對(duì)性的技術(shù)改造方案。2010年7月份，完成了對(duì)該生產(chǎn)線加熱爐汽化系統(tǒng)的優(yōu)化及技術(shù)改造。到目前為止，已經(jīng)運(yùn)行了將近一年，汽化系統(tǒng)運(yùn)行良好，加熱爐工作正常，汽化系統(tǒng)優(yōu)化及技術(shù)改造取得了令人滿意的效果。

2 汽化系統(tǒng)縱、橫水管強(qiáng)度校核

對(duì)于加熱爐汽化系統(tǒng)頻繁發(fā)生裂管與塌爐事故的原因進(jìn)行了初步分析，認(rèn)為原設(shè)計(jì)所選管徑偏小，縱水管冷卻效果欠佳，受熱負(fù)荷偏大造成縱水管支撐強(qiáng)度達(dá)不到使用要求。為驗(yàn)證分析結(jié)果，對(duì)該汽化系統(tǒng)縱、橫水管強(qiáng)度進(jìn)行了理論計(jì)算與校核。

2.1 縱水管強(qiáng)度計(jì)算的原則

以兩根橫水管中心距（即跨度L)之間的縱水管管段為計(jì)算對(duì)象;當(dāng)裝爐鋼坯尺寸大小不同時(shí)，以最大的鋼坯尺寸的重量計(jì)算;爐內(nèi)每排推料各縱水管受力大小相等。

2.2 強(qiáng)度校核

遵循上述原則進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。

2.2.1 已知條件

該加熱爐裝爐鋼坯最大尺寸為：180 mm×330 mm×6 000 mm（主要考慮鋼坯的厚度，其寬度不受影響);該汽化系統(tǒng)原設(shè)計(jì)爐內(nèi)的縱水管與橫水管均采用?127×22 mm無縫鋼管，橫水管由雙根水管下帶丁字管與單根水管組成;加熱段及均熱段相鄰的兩根橫水管之間的距離為：L=2 320 mm，中間兩根縱水管之間的中心距為：1 700 mm，兩邊的兩根縱水管之間的中心距為：1 500 mm;爐內(nèi)支撐每排擺料縱水管根數(shù)：n= 4;鋼坯裝爐最大單重：g=2 798 kg。

2.2.2 理論計(jì)算

（1) 加熱段與均熱段一根縱水管承受的總荷重

2.2.3 強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)論

（1)當(dāng)縱水管選用?127×22 mm無縫鋼管時(shí)，其斷面系數(shù)Wx＞W(wǎng)'x，滿足要求，但是ε=0.206%，其大于0.2%，不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要用比其管徑大的無縫鋼管來作為該座加熱爐的縱水管。

（2)當(dāng)縱水管采用?133×22 mm無縫鋼管時(shí)，其斷面系數(shù) Wx＞W(wǎng)'x，且 ε=0.176%，此時(shí) ε＜0.2%，滿足要求，其富余量為：（0.2-0.176)/0.2=12%，符合設(shè)計(jì)要求。

該加熱爐加熱段與均熱段的橫水管經(jīng)過計(jì)算，其強(qiáng)度基本符合設(shè)計(jì)要求（考慮到改造投資總體費(fèi)用，橫水管管徑?jīng)]有做相應(yīng)的改造)。

3 汽化系統(tǒng)塌爐、縱水管開裂事故原因分析

經(jīng)過更深入的研究及技術(shù)分析，發(fā)現(xiàn)該加熱爐的汽化系統(tǒng)存在的不足主要包括以下幾個(gè)方面。

（1)爐內(nèi)縱、橫水管選用管徑為?127×22 mm無縫鋼管。該汽化系統(tǒng)縱水管采用自加熱爐兩側(cè)進(jìn)水、中間抽頭的循環(huán)模式，循環(huán)倍率偏小，循環(huán)動(dòng)力不足，而且原設(shè)計(jì)所選水管的管徑偏小，使得縱水管無法獲得足夠的冷卻，其承受的熱負(fù)荷偏大，造成縱水管支撐強(qiáng)度達(dá)不到使用要求，是導(dǎo)致該加熱爐高溫區(qū)域縱橫水管下彎以及爐內(nèi)縱、橫水管管體強(qiáng)度疲勞開裂的一個(gè)重要原因。

（2)加熱爐預(yù)熱段約有15 m長(zhǎng)的區(qū)域，其四根縱水管支撐強(qiáng)度不夠。在預(yù)熱段約有15 m長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)沒有橫水管支撐，而是依靠用耐火磚砌筑而成的連續(xù)墻來支撐縱水管。由于在推鋼過程中，難免發(fā)生震動(dòng)現(xiàn)象，砌筑耐火磚墻受震動(dòng)導(dǎo)致其砌磚松散，支撐作用弱化乃至消失，造成預(yù)熱段縱水管下彎。該區(qū)域的縱水管下彎后，致使推鋼時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)現(xiàn)象加劇，又會(huì)使縱水管進(jìn)一步下彎。

（3)爐尾區(qū)域有一汽化回路，其上升管路中存在一段向下傾斜約30°的管路，增加了汽化系統(tǒng)循環(huán)阻力，不利于管內(nèi)汽、水混合物循環(huán)。在這一回路中，靠近爐尾第一根橫水管原設(shè)計(jì)采用單管支撐，其支撐強(qiáng)度不足，加之該回路汽化系統(tǒng)冷卻效果不佳，容易造成該座加熱爐爐尾處第一根單橫水管下彎。

（4)在加熱爐爐尾處，該汽化系統(tǒng)的四根縱水管沒有設(shè)拉緊裝置。當(dāng)加熱爐自常溫升至1 250～1 300℃的正常使用溫度時(shí)，據(jù)熱脹冷縮原理，縱水管沿爐長(zhǎng)方向會(huì)伸長(zhǎng)30～50 mm（此數(shù)據(jù)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)值)。爐尾側(cè)作為消耗膨脹量的自由端，在推鋼的過程中，由于四根縱水管沒有設(shè)拉緊裝置，也就無法采用拉桿提供的外力來克服其因摩擦力造成的往前的推動(dòng)力。另外，縱水管因受熱而造成的伸長(zhǎng)量處于自由狀態(tài)，縱水管在推鋼的過程中發(fā)生形變，這是造成縱水管下彎的一個(gè)重要因素。

4 汽化系統(tǒng)技術(shù)改造

4.1 汽化系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化原則

汽化系統(tǒng)循環(huán)多數(shù)采用自然循環(huán)，循環(huán)動(dòng)力來自上升管與下降管管內(nèi)介質(zhì)密度差而形成的動(dòng)力壓頭，該動(dòng)力壓頭必須大于循環(huán)回路中的各項(xiàng)阻力總和。在設(shè)計(jì)中要使汽包放置在足夠的高度上，以盡量加大動(dòng)力壓頭，汽包的中心線與橫水管中心線之間的落差一般不小于10 m。應(yīng)特別注意管路拐彎的位置所選用彎頭的彎曲半徑一般需要大于4倍的管徑。汽化系統(tǒng)循環(huán)回路總長(zhǎng)度一般不大于130 m。在每一循環(huán)回路中，均以管路最短、最順暢為原則，上升管以不允許往下傾斜為原則，以防循環(huán)不暢。

4.2 氣化系統(tǒng)改造內(nèi)容

（1)將爐內(nèi)4根縱水管由原來的?127 mm×22 mm更換為?133 mm×22 mm，縱水管管徑增大，從而增加了冷卻能力、循環(huán)倍率和循環(huán)動(dòng)力，提高了縱水管支撐強(qiáng)度。

（2)將原來預(yù)熱段縱水管上的整根40 mm×40 mm的耐熱方鋼滑道更改為縱水管上間斷鋪設(shè)的40 mm（寬)×76 mm（高)×200 mm（長(zhǎng))的Cr25Ni20型耐熱鋼滑塊作為滑道，滑道上的滑塊之間的間隔為20～30 mm。調(diào)整其標(biāo)高，使之與加熱段、均熱段保持一致。由于滑塊厚度增加并采用優(yōu)質(zhì)耐熱鋼，提高了滑道使用壽命。滑塊之間的間隔使得鋼坯與爐內(nèi)加熱氣氛的接觸更加充分，加熱的均勻性有所提高，相應(yīng)提高了鋼坯加熱質(zhì)量，進(jìn)一步節(jié)約了能源。

（3)在預(yù)熱段新增兩組單管橫水管，作為此區(qū)域的縱水管主要支撐，具體詳見圖1。

（4)新增一組循環(huán)回路，汽包原來用于在汽化循環(huán)初期作引射的下降管部位內(nèi)存有孔板式汽水分離器，現(xiàn)將該部位改為新增循環(huán)回路的上升管入口，將汽包原來預(yù)留的一管口作為汽化循環(huán)初期作引射所用的下降管入口。

（5)在預(yù)熱段砌筑連續(xù)墻，并在連續(xù)墻上放置20個(gè)鑄造的圓弧形管托來輔助支撐此區(qū)域的縱、橫水管，增加其支撐強(qiáng)度，解決加熱爐預(yù)熱段因連續(xù)墻支撐強(qiáng)度不足而造成墻體松散的問題。

（6)將原爐尾處一組循環(huán)回路中存在的往下傾斜約30°的一段上升管改為向上傾斜的管段，減小了循環(huán)阻力，增加了該循環(huán)回路循環(huán)倍率。

（7)將爐尾原來第一根單橫水管支撐改為雙橫水管支撐，兩個(gè)橫水管采用上下結(jié)構(gòu)，兩者之間用40 mm的方鋼進(jìn)行連接固定，提高了爐尾橫水管的支撐強(qiáng)度，解決第一根單橫水管下彎的問題。

圖1 技術(shù)改造前氣化系統(tǒng)示意圖

（8)在爐尾增設(shè)四根拉緊裝置，其一端與縱水管相連接，另一端與推鋼機(jī)基礎(chǔ)相固定，中間設(shè)有松緊螺母，來調(diào)整縱水管因熱脹冷縮造成的伸縮。在推鋼過程中，由于將原設(shè)計(jì)的縱水管尾部由自由端改為固定端，消除了在推鋼過程中因縱水管向前蠕動(dòng)造成縱水管下彎的隱患。

5 改造效果

在成功地實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)改造以后，該加熱爐已正常運(yùn)行一年半，其汽化系統(tǒng)所存在問題均得到有效解決，汽化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，目前四根縱水管及所有橫水管的平直度均在國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。改造后，生產(chǎn)臺(tái)時(shí)利用率和鋼坯加熱質(zhì)量得到提高，月產(chǎn)量由改造前每月5萬多噸提高到了每月7萬多噸，月產(chǎn)量屢創(chuàng)新高。因生產(chǎn)效率的提高，節(jié)約了生產(chǎn)成本，經(jīng)初步計(jì)算，噸鋼節(jié)約能耗約3～5 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。本次技術(shù)改造達(dá)到了預(yù)期技術(shù)改造的設(shè)計(jì)效果。

圖2 技術(shù)改造后氣化系統(tǒng)示意圖

6 結(jié)束語

連續(xù)推鋼式加熱爐汽化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響著加熱爐生產(chǎn)率及安全運(yùn)行。合理的配置汽化系統(tǒng)所用管路、改進(jìn)易損部位的材質(zhì)和構(gòu)造有助于設(shè)備穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，改善加熱質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

Technical Modification and Optimization of Reheating Furnace Vaporization System

Wu Xinzhong

Through analysisand theoreticalcirculation,the causes of supporting tube cracking and furnace collapse accidents of pusher-type continuous heating furnace at Tianjin Zhayi-Liansheng Steel Strip Company were recognized to be small diameter of longitudinal and horizontal supporting tube,supporting refractory block wall collapse because of vibration when steel billets were pushed,bad vaporizing circulation effects of vaporization loop at furnace tail area and no tension apparatus of longitudinal supporting tube at furnace tail,etc.Technological reformation scheme was put forward and implemented,the problems were solved effectively through increasing supporting tube diameter,adding horizontal support tube and tension apparatus of longitudinal supporting tube at furnace tail,increasing the thickness of heat-resisting slider above the longitudinal supporting tube and rearrange vaporization loop,etc.

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（收稿 2011-12-02 編輯 潘娜)

吳新忠，男，2005年畢業(yè)于河北理工大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，工程師，自2005年7月進(jìn)入天津冶金軋一鋼鐵集團(tuán)有限公司工作至今，從事過多次熱軋帶鋼熱能方面的基建工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等工作，現(xiàn)任天津冶金軋一鋼鐵集團(tuán)有限公司經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)部部長(zhǎng)。