大型環形加熱爐的設計

羅 磊，程治培

(重慶賽迪工業爐有限公司，重慶400013)

1 引言

國內某無縫鋼管集團φ258mm無縫鋼管熱連軋工程新建管坯加熱用環形加熱爐一座，機組生產外徑φ114 mm～φ273.1mm、壁厚4.1mm～40mm、長度4.877m～14.63m的石油套管管料、高壓鍋爐用無縫鋼管、結構用無縫鋼管等高合金管成品，年產量50萬噸。為滿足機組產量和產品質量的要求，本著先進設計、節省投資、節能環保、高效高質的設計原則，結合我公司對大型環形加熱爐的設計經驗和現場實踐，為業主提供高質量、低能耗、長壽命的環形加熱爐產品。

2 環形加熱爐的主要設計參數

管坯外徑:φ200mm～φ300mm

管坯長度:1.6m～4.8m

加熱能力:135t/h(avg)、240t/h(max)

管坯入爐溫度:室溫

管坯出爐溫度:1 250℃ ～1 280℃

爐子中徑:D0=45 000 mm

爐底寬度:B0=5 044 mm

爐膛內寬:B1=5 588 mm

3 環形加熱爐的工藝流程

環形加熱爐由旋轉爐底、爐墻和爐頂等組成。管坯首先送到爐前裝料輥道上，在裝料輥道上停止定位，等待裝爐。接到裝料信號后，裝料爐門打開，裝鋼機將裝料輥道上的管坯送到爐內指定位置，然后裝料機回到裝料起始位置，裝料爐門關閉，旋轉爐底按要求轉動，并將已加熱好的管坯送到出料爐門位置。接到軋線要鋼信號后，出料爐門打開，出鋼機將管坯取出并放到出料輥道/臺架上，送往軋線軋制，完成管坯的裝爐、加熱、出爐過程。

4 環形加熱爐供熱段的設計和各段供熱比例的分配

對于環形加熱爐的整體設計，采用我公司開發的《環形加熱爐熱過程數學模型計算機離線仿真軟件》進行爐內管坯熱過程的模擬和計算，通過模型繪制出不同規格和材質的管坯在爐內運行的升溫曲線，設置合理的供熱段和加熱制度。

圖1 直徑φ200mm管坯加熱計算結果

本項目管坯條件在外徑和長度方向上的變化較大，導致環形加熱爐的供熱負荷有較大波動。根據這個特點結合模擬計算，在供熱分段、各段的能力分配及調節能力上進行了充分考慮，環形加熱爐分7個爐溫控制段，從出料到裝料分為:均熱段、加熱四段、加熱三段、加熱二段、加熱一段、預熱二段和預熱一段。較多的爐溫控制段可以在生產高品質合金鋼時更加精確的控制爐溫，嚴格控制升溫曲線;當生產小、短規格管坯時，環形加熱爐供熱負荷減小，這時可以切斷前面的預熱段，節省燃料消耗。同時在滿足產量要求的前提下設置較長的不供熱的熱回收段，利用煙氣余熱和熱爐底將管坯預熱，降低爐尾排煙溫度，提高燃料利用率，降低能耗。通過仿真模型軟件的計算，在滿足加熱質量的前提下，確定出了各段合理的供熱比例分配。同時該軟件還能根據管坯規格和材質的變化，結合升溫曲線要求計算出各段的最佳爐溫設定，為以后的日常生產提供可靠的技術支持。

5 環形加熱爐燃燒系統

為了適應管坯加熱產量變化較大的特點，在分段和供熱比例充分考慮的基礎上對各段的調節能力進行了優化。環形加熱爐均熱段采用平爐頂結構，平焰燒嘴安裝在均熱段平爐頂上，通過氣流的高速旋轉和流體的附壁效應，形成穩定的平火焰，從而使整個平爐頂構成均勻的溫度場，對管坯進行均勻的輻射傳熱。加熱段和預熱段采用低NOx調焰燒嘴側向供熱，該燒嘴能很好地保證火焰長度，大調節比，同時具有小能力時火焰剛度好，燃燒完全，調節靈活，煙氣中NOx含量低等優點。

6 環形加熱爐抵消膨脹的措施

由于環形加熱爐的弧形結構特點決定了爐底、內外環砌體及鋼結構的結構形式必須采取措施，才能解決因膨脹問題造成砌體破壞、鋼結構變形等問題。通過我們設計和制造大型環形加熱爐的豐富經驗和實踐總結，對本環形加熱爐采取了以下措施:

內、外環砌體與轉動爐底的合理間隙:內環和外環與轉動爐底間隙不一樣，冷態下內環砌體與爐底間隙較外環砌體與爐底間隙小，其差值足以保證在熱態工作情況下，內、外環與爐底間隙相接近。

上層爐底鋼結構設計分成若干個扇形塊，塊間留出膨脹間隙，以減小膨脹造成的變形;同時與爐底鋼板間采用單側兩相鄰邊焊接，另側兩相鄰邊不焊接，使其充分膨脹，減少因膨脹產生的變形。下層鋼結構與上層鋼結構間采用可滑動設計，吸收上層鋼結構的熱膨脹變形，爐底熱膨脹不會影響到下層鋼結構以及爐底傳動支撐設備，提高設備穩定性;在上下層之間的內環設置有定位擋塊，對上層的膨脹量進行控制。

7 環形加熱爐爐體砌筑材料的選擇

根據環形加熱爐不同爐體部位的工作條件的特點，對爐底、側墻、爐頂采用了不同的砌筑材料組成和厚度，同時均采用復合隔熱材料，具有密封性好、熱損失少、壽命長等特點，同時保證爐殼表面溫度在合理范圍內。

爐底由于旋轉全部都會在高溫環境下工作，而且還需要承受管坯重量，加之氧化鐵皮的侵蝕，所以對爐底工作面要求抗熱震穩定性好，較強的抗壓強度和良好的抗氧化鐵皮侵蝕能力，設計從工作面開始由上往下為:抗渣澆注料、耐火磚、隔熱磚、纖維板。

爐墻由于工作溫度沿出料方向逐漸升高，將爐墻分為高溫區和低溫區，在滿足生產要求前提下采用不同的砌筑材料。設計采用從爐內至外分別為:澆注料(分區)、隔熱磚、纖維板。

爐頂采用錨固磚吊掛的形式，跟爐墻工作情況類似，爐頂在設計時也合理的分為高溫區和低溫區，在滿足生產要求前提下采用不同的砌筑材料。設計采用從爐內至外分別為:澆注料、纖維毯、纖維澆注料。

8 環形加熱爐余熱利用

環形加熱爐屬于高溫連續加熱爐，爐尾排煙溫度在780℃左右，仍然具有很高的熱能。為了實現節能降耗，降低排煙溫度。我們在環形加熱爐煙道內設置了空氣預熱器和余熱鍋爐，見圖2。

煙氣首先通過空氣預熱器將助燃空氣預熱至480℃，降低排煙溫度至400℃左右。我公司設計的插入件管式預熱器具有傳熱效率高，體積小，氣密性好，維護方便的特點。同時在解決預熱器壽命、熱變形、低溫腐蝕等方面采用了獨特有效的技術。

圖2 環形加熱爐余熱利用示意圖

經過預熱器后的煙氣仍然具有較高的熱量，我們設計了余熱鍋爐進一步對熱量進行回收利用，在降低排煙溫度的同時產生蒸汽，并入車間管網以備使用。最終經余熱利用后的排煙溫度降低至250℃以下，達到國家對排煙溫度規范要求。

9 結束語

該環形加熱爐已于2011年順利交付使用，目前業主反映使用良好，各項指標滿足了軋線工藝要求:管坯加熱溫度均勻，平均溫差±10℃以內;基于多段設計，該環形加熱爐對管坯的適應性較高，完全能夠滿足生產;合理的余熱利用保證了較低的能耗;整體指標先進，業主給予了極高的評價。我們也將繼續在設計上不斷優化和完善，努力為業主提供高產、優質、低耗、環保的環形加熱爐。