蓄熱步進式加熱爐在軋鋼生產中的應用

黃　強,瞿春龍,陳振偉(江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇江陰，214400）

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蓄熱步進式加熱爐在軋鋼生產中的應用

黃強,瞿春龍,陳振偉
(江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇江陰，214400）

【摘要】介紹了蓄熱步進式加熱爐在軋鋼廠生產中的應用，論述了其工作原理、蓄熱單元的應用及改進、水封槽應用實踐中的問題及改進措施。

【關鍵詞】加熱爐;蓄熱單元;水封槽

1　前言

蓄熱式燃燒技術起源于20世紀80年代，進入90年代由于制造技術的進步及能源價格的不斷上漲，以高爐煤氣為主要燃料的蓄熱式燃燒技術因為十分明顯的節(jié)能降耗優(yōu)勢以及減少污染物排放的環(huán)保優(yōu)勢，而被迅猛地推廣到全國的鋼坯加熱爐上。蓄熱式燃燒技術有效地突破了低熱值燃料用于高溫爐窯的難點，解決了點火燃困難和余熱回收不充分等兩方面的重大技術問題某鋼廠從2000年左右已經開始應用蓄熱步進式加熱爐，從應用之初到現(xiàn)在期間遇到了不少問題，有的是燃燒系統(tǒng)蓄熱單元出現(xiàn)問題從而影響燃燒效率，有的是步進系統(tǒng)水封槽在工況條件下氧化鐵皮較多出現(xiàn)卡死從而影響生產節(jié)奏等，現(xiàn)設備技術人員逐一解決了遇到上述問題，使蓄熱步進式加熱爐得以高效平穩(wěn)運行，從中也積累了一些經驗。本文就其蓄熱步進式加熱爐工作原理、蓄熱單元、水封槽談談幾點認識。

2　工作原理

某鋼廠用了3臺不同種類的蓄熱式軋鋼加熱爐。蓄熱室結構有通道式、燒嘴式兩種；蓄熱體有小球和蜂窩體兩種。不論采用何種結構，其基本原理是一樣的。以北京北島能源技術發(fā)展有限公司設計的加熱爐為例，其蓄熱系統(tǒng)由蓄熱體、換向系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其工作原理見圖l。

圖1　高效蓄熱式加熱爐工作原理

在A狀態(tài)下煤氣和來自鼓風機的助燃空氣經換向系統(tǒng)分別進入右側通道，而后由下向上通過蓄熱室。預熱后的煤氣和空氣從右側噴口噴出并混合燃燒，燃燒產物對鋼坯進行加熱后進入左側噴口，在蓄熱室進行熱交換將大部分熱量留給蓄熱體后，溫度約200益左右進入換向機構，然后經引風機排入大氣。幾分鐘后控制系統(tǒng)發(fā)出指令，換向機構動作，空氣、煤氣同時換向將系統(tǒng)變?yōu)锽狀態(tài)，此時空氣和煤氣從左側噴口噴出并混合燃燒，右側噴口作為煙道，在排煙機的作用下，高溫煙氣通過蓄熱體后排出，一個換向周期完成。

本系統(tǒng)所采用的蓄熱體為小球，眾多的小球將氣流分割成很小的氣流通道，氣流在蓄熱體中流過時，形成強烈的紊流區(qū)，有救地沖破了蓄熱體表面的附面層，由于球徑很小，傳熱半徑小、熱阻小、密度高、導熱性好，加之換向系統(tǒng)設計獨特，可實現(xiàn)頻繁快速的換向。因此，每小時蓄熱體可達20耀3O個周期。高溫煙氣經蓄熱體后，在很短的行程(600耀800 mm)內可將煙氣降至l50益左右排放。下一周期常溫煤氣和空氣流經蓄熱體在相同路徑內可分別預熱到比煙氣溫度低100益左右，溫度效率高達85豫以上。為實現(xiàn)換向式燃燒所特殊設計的換向系統(tǒng)在5~20 s內同時實現(xiàn)空氣、煤氣和煙氣的換向動作，保證安全運行，換向瞬間關閉煤氣，待換向動作完成后再打開，避免煤氣和煙氣中的殘氧相遇，防止爆炸。其結構緊湊，維護簡單。執(zhí)行機構由氣缸驅動，工作平穩(wěn)可靠。其動作由一套專門的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，它具有定溫換向、定時換向、超溫報警、程序動作、自動保護等一系列功能。若排煙溫度達到或超過溫度警戒線時，將發(fā)出報警信號，并自動切斷煤氣、空氣和排煙機，全系統(tǒng)自鎖，防止因超溫造成設備損壞。

3　蓄熱單元應用及改進

蓄熱單元是整個蓄熱燃燒系統(tǒng)重要組成部分。如果蓄熱單元不能正常工作將使整個燃燒系統(tǒng)趨于癱瘓。蓄熱單元包括蓄熱體、蓄熱室及其組成部分。按照蓄熱室結構有通道式、燒嘴式兩種。由于氣體流經蓄熱體的方向分為豎流與平流，而蓄熱體有小球和蜂窩體兩種。該單位采用的通道式蓄熱室為裝有小球的豎流式，而燒嘴式蓄熱室為裝有蜂窩體的平流式。

首先，談一談氣體流經蓄熱體的均勻性問題。豎流式氣體進人蓄熱室下方集氣箱后由下而上流經蓄熱體，這種結構確實易引起氣流分布不均。加熱爐在停爐檢修時明顯可見蓄熱室內蓄熱小球層出現(xiàn)風槽，即小球靠近蓄熱室壁處有一明顯的下凹。判斷為氣體流經蓄熱層時因分布不均和附壁效應，使靠近蓄熱室壁處的氣流大于中間，將小球推向蓄熱室中央，產生凹槽。風槽的產生對蓄熱室的正常運行十分不利。由于風槽處氣體流動阻力小，大量氣體流經風槽，只有部分蓄熱體發(fā)揮了作用。針對上述情況，需對煤氣蓄熱體結構形狀進行改進。由于之前蓄熱室小球的安裝方式為自由方式，且小球蓄熱體厚度比較均勻，根據檢修現(xiàn)場判斷以及先前經驗，對蓄熱體小球安裝方式進行限制，在小球上部安裝有耐高溫的金屬蓖板，總體上是中間偏低，四周偏高，整個蓄熱體上部結構呈倒錐形。實踐證明在檢修時這次改進充分考慮氣體分布的均勻性問題，效果比較明顯，蓄熱室的蓄熱效率較之前有很大提高，這對氣體流量大的集中換向系統(tǒng)尤其如此，系統(tǒng)運行的比較穩(wěn)定。

其次,檢修時也經常發(fā)現(xiàn)蓄熱小球的板結堵塞和蜂窩體(或擋板磚)通氣孔堵塞。原因主要是FeO在高溫下沉積物呈熔融狀態(tài)，而且黏度高，易粘附在小球和擋板磚上，同時它與煤氣中的雜質、耐材和小球發(fā)生反應，生成低熔點物質，極易附在蓄熱體上，使小球結塊。蓄熱室中的雜物主要來自煤氣，少量來自爐內加熱鋼坯產生的氧化鐵皮。根據此分析結論，我們著重對煤氣的灰分要進行嚴格控制，第一在上游管路系統(tǒng)對高爐煤氣進行有效過濾，第二在各換向閥前煤氣進氣口安裝有過濾網。實踐證明，以上改進措施能有效控制煤氣內的雜物，會使蓄熱體大量板結和堵塞現(xiàn)象消除，可見煤氣的純凈度對蓄熱體的蓄熱效率也是至關重要的。

另外，蓄熱體在用了一段時間后會出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，也導致只有部分蓄熱體發(fā)揮了作用。這一方面大大減少了蓄熱體的蓄熱功效，使氣體的預熱溫度下降，熱效率降低；另一方面由于整體蓄熱能力下降，排煙溫度居高不下。排煙溫度過高對換向系統(tǒng)的安全運行是十分危險的，同時排煙溫度高又進一步影響對爐壓的控制。在裝有小球的豎流式通道蓄熱室中，蓄熱體的坍塌主要是由于處于蓄熱室底部承重的金屬蓖板在高溫下極易燒化，后經對金屬蓖板的材質進行改進，材質在加入耐高溫合金后效果十分明顯。而在裝有蜂窩體的平流式燒嘴蓄熱室中，蜂窩體燒損坍塌的現(xiàn)象也屢見不鮮。其破損原因可歸納為兩個方面。（1）氧化鐵皮降低了蓄熱體耐火度；（2）爐內燃燒區(qū)高溫輻射和個別情況下不完全燃燒的廢氣進入蓄熱體出現(xiàn)二次燃燒造成損壞。目前已有機構對該現(xiàn)象進行研究，主要是對蜂窩體結構進行改進，而實際效果還有待檢驗。

4　水封槽的應用以及改進

4.1步進系統(tǒng)水封槽的組成、作用

步進式加熱爐的基本特征是：原料依靠爐底可移動的步進梁做矩形軌跡的往復運動，把固定梁上的原料一步一步地由進料端輸送到出料端。移動梁的運動還是可逆的，當軋機或工藝線上其他設備因故障要停爐檢修或其他情況需要將原料退出爐子時，移動梁可以做逆向工作，把原料由裝料端退出爐外。步進移動梁運動軌跡示意圖見圖2。

圖2　步進移動梁運動軌跡示意圖

根據步進爐的結構特點，為解決爐底密封和工藝排渣兩大問題，水封槽系統(tǒng)便應運而出。水封槽由槽體、裙罩、刮渣板組成。其中裙罩與刮渣板是安裝在爐底鋼結構上，是固定的。而槽體是安裝在移動框架上，與移動梁一起做步進運動。平時槽體內放滿一定水位的水，使水淹沒刮渣板和部分裙罩，通過大氣壓作用從而形成有效密封，使爐內氣體不外泄，同時盛滿水的槽體可以堆積適量氧化鐵皮，通過刮渣板，使在一個步進周期內把槽內氧化鐵皮刮出。

4.2水封槽結構的改進

鑒于步進式爐子特點，故爐底設計時考慮在每根移動支撐梁活動區(qū)域留有類似鍵槽形的孔，以便于移動梁能很好地托著坯料完成步進運動。另外為更好的延長加熱爐的使用周期，在爐底上設計有很多工藝排渣口，但由于生產效率以及產量的節(jié)節(jié)攀高，同時出現(xiàn)了兩個問題，第一：由于爐底是固定的，在留有移動梁的活動空間以及排渣口空間，導致在步進系統(tǒng)在工作時，鋼坯燒損的氧化鐵皮會順著這些空間間隙掉落，短時間內氧化渣得到堆積而不能及時清理會導致步進梁經常不到位或卡死。第二：由于爐底留有豁口，這些豁口在正常情況下通過水封槽內的水保持爐內氣氛密封。但是由于水封槽出現(xiàn)異常卡死后，槽內氧化渣堆積過多或槽體破損從而導致水位降低，這樣導致較長時間爐內氣氛不密封，影響加熱效率，爐內煤氣有外泄會造成重大安全事故，同時外泄的高溫爐氣也會烤壞爐底步進系統(tǒng)設備。

針對上述情況問題，設備技術人員經過半年多的觀察、研究和總結，發(fā)現(xiàn)了這些問題的根源，并很快利用加熱爐大修對水封槽進行了改進。

首先，根據觀察和總結，發(fā)現(xiàn)爐底堆積的氧化鐵皮量呈梯度分布，均熱段的比加熱段、預熱段多地多，特別是在出料懸臂輥道下方的特別多，而在該處恰有一排總計四個工藝排渣口排出氧化鐵皮進入水封槽。由于該處位于水封槽頭部，而且該處漏的氧化鐵皮占水封槽總量的60%左右，大大加大了水封槽的排渣負擔，經常出現(xiàn)該處刮渣板損壞，氧化鐵皮過多出現(xiàn)步進梁卡死或不到位，槽體破損漏水等一系列聯(lián)鎖故障，大大影響了實際軋制生產節(jié)奏。根據上述情況，工程技術人員進行了大膽改進。第一對上面四個工藝排渣口的最終流向進行改變，原來設計時是在較理想的生產節(jié)奏下排入水封槽的，現(xiàn)重新安裝爐底排渣口，使該處的氧化鐵皮直接排到爐底基礎地面，并使該排渣口安裝有耐材和密封材料，在保證順暢排渣的同時具有一定的密封性。第二同時對水封槽槽體和刮渣板進行改進，為保證該排渣口順利安裝，對槽體和刮渣板進行了瘦身縮短，對原來位于該排渣口的槽體進行外科手術式的切除。水封槽排渣口改進示意圖見圖3

圖3　水封槽排渣口改進示意圖

其次由于水封槽總計有四排，而只有總的進水管和排水管，每排水封槽之間通過一個水管相連，以保證四個槽的水位一致。該結構能很好保證水封槽正常工作狀況下運行，但一旦遇到槽體破損或水封槽氧化鐵皮堆積，槽與槽之間的水管經常堵塞，導致部分槽體水位不足，從而導致水封槽不密封。現(xiàn)我們對每個槽體都安裝有相對獨立的進水、排水系統(tǒng)，而原來的相互間的水管還是保留，這樣能最大化保證每個水封槽在各種狀況下水位要求，且相互之間不受影響，能有效的避免了上述出現(xiàn)的各種問題。

5　結束語

蓄熱步進式加熱爐改進后的

主要特征及優(yōu)點如下：加熱爐將燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、蓄熱室與爐體有機地結合于一體，以比表面積極高而體積極小的蓄熱體。結構緊湊的換向系統(tǒng)以及極低的排煙溫度為特征，以全高爐煤氣為燃料，爐內溫度高，水封槽排渣的高效，完全能夠滿足鋼坯軋制前的加熱及產量要求。改造后極大地降低了設備故障時間，大大提高了加熱爐的生產效率。使燃燒系統(tǒng)效率更高，燃燒溫度均勻，大幅度節(jié)能降耗，燃燒產物排放量下降。

[參考文獻]

[1]蔡喬方等.加熱爐[M].北京:冶金工業(yè)出版社.1986.

[2]張懷銀等.空氣、高爐煤氣雙蓄熱燃燒技術在沙鋼加熱爐上的應用[J].工業(yè)爐.2006.7.

供排水

Application of Regenerative Walking Beam Heating Furnace in Steel Rolling Process

Huang Qiang, Qu Chunlong, Chen Zhenwei
(Jiangyin Xingcheng Special Steel Co., Ltd., Jiangyin, Jiangsu 214400, China)

[Abstract]The application of regenerative walking beam heating furnace in rolling mill is introduced. The working principle, application and improvement of the regenerative unit and problems in application of water seal tank and improvement measures are discussed.

[Keywords]heating furnace; regenerative unit; water seal tank

作者簡介：黃強（1980-），男，工程師，現(xiàn)從事中板（爐卷軋鋼）設備管理工作。

收稿日期：2015-08-17

【中圖分類號】TG15

【文獻標識碼】B

【文章編號】1006-6764（2015）10-0052-04