加熱爐W 型輻射管延長使用壽命探討

劉增倫，辛士根，馬曉璇

（河鋼集團邯鋼公司邯寶冷軋廠，河北 邯鄲 056000）

W 形輻射管具有有效加熱面積大，燃料利用率高，控制和操作相對簡單等優點。它需要較少的燃燒器，并且相應的管設計簡單，因此，最常用于大型連續式帶鋼熱處理爐。由于裝機使用量大，加上使用和維護不當造成各主要退火爐輻射管損耗量非常大。根據公開文獻資料，如：鞍鋼冷軋廠1 號和3 號連續熱鍍鋅在2003 年末開始試生產，4 號和5 號連續熱鍍鋅在2005 年初開始試生產，2130 連續退火機組在2006 年初開始試生產，幾條生產線的退火爐均采用W 型輻射管進行加熱。其中的1 號和3 號鍍鋅線總計有54 根W 型輻射管，使用不到一年時間輻射管全部開裂；4 號和5 號鍍鋅線輻射管使用不到兩年，發現有23 根輻射管變形破裂；2130 連續退火機組使用不到三年，發現有1/3 輻射管損壞[2]。

邯寶連退線加熱系統由DREVER 公司設計，輻射管使用的是非對稱W 型輻射管，安裝數量為378 套，交錯安裝在加熱區域兩側。輻射管直徑200mm，厚度8mm，總長度3411mm，第一根管、第一個彎頭和第二個管材質25Cr 35Ni，其余25Cr 20Ni。燒嘴控制系統采用KROM SCHRODER 公司燒嘴控制單元，燒嘴采用Elster LBE 燒嘴系統，燃燒介質為混合煤氣，熱值在1800（±100）Kcal/Nm3,每根輻射管功率約160Kw/h，采用鼓-抽式燃燒形式，助燃空氣經同流換熱器預熱后進入輻射管。2015 年邯寶連退線發現共計有19 根輻射管存在問題，占總數5%多，2010年投產至今通過大修已更換數十根輻射管，耗費很大。

1 輻射管失效的影響

輻射管失效影響加熱爐加熱效率和爐內氣氛，進而影響加熱爐加熱能力和產品退火質量。輻射管的失效模式主要包括變形和破裂，如圖1 和圖2 所示。輻射管的變形會影響熱輻射的均勻性，而不會提高帶鋼的均勻加熱和退火質量。輻射管的破裂具有較大的破壞作用，主要影響爐壓的控制和爐露點的控制。在正常情況下，熱爐中的HNX 保護氣體將被排氣風扇連續抽出并排出，從而導致烤箱壓力降低，為了維持熔爐中的正常壓力，系統會重新加壓，這會增加NH 保護氣的流量并消耗更多的能量。根據實際生產經驗，在鼓式燃燒系統中，由于損壞煙囪和其他原因，在某些輻射管中會出現正壓。露點較高的煙氣和一些燃燒空氣進入爐內，導致爐內出現露點,爐中還原氣氛的增加和破壞是有害的。

圖1 開焊變形

圖2 破裂

2 W型輻射管的失效原因分析

有文獻研究認為，輻射管失效的主要原因是在使用過程中燃燒氣氛和燃燒形式的不良造成輻射管內存在以下化學反應，導致輻射管的機械性能降低。①滲碳反應、使輻射管變脆，抗蠕變能力降低；②滲氮反應，使輻射管變脆，抗熱能力降低；③氧化反應，文獻[2]對輻射管（材質MORE1）開裂處內管壁沉積著的腐蝕產物化學成份進行了分析。可以相信，更多的腐蝕產物沉積在輻射管破裂區域的內管壁表面上。分析了腐蝕產物的成分，主要是Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3等。上述測試結果表明，輻射管的內表面主要由氧化腐蝕產物組成，而輻射管的內表面則被氧化。氧化物層在輻射管的底部剝落，這無助于熱“輻射”，熱量積聚，并且輻射管在高溫的作用下腐蝕和破裂。

一般情況下，輻射管受到燃氣高溫影響，必然產生熱膨脹，由于四根直管的膨脹長度及受熱溫度不同，熱膨脹后產生內應力，內應力與管間的連接桿相互作用，導致抗蠕變性最小處即輻射管薄弱（特別是直管與彎管）的焊口處和溫差較大處出現變形和破裂，輻射管常見的破裂處即在第一根直管和彎管焊口處。

3 輻射管主要性能及改善措施

輻射管的性能基于管的熱效率，管壁溫度均勻性和煙道氣中的NOx 排放量（主要估算值），此外同流換熱器的換熱效率、煙氣排放溫度以及二次氣體通入量等也是重要的指標，各項性能指標改善和優化，國內外有很多學者從各個方面進行了研究和探索，其核心目的就是提高加熱效率和延長輻射管壽命。

輻射管材質是影響輻射管壽命的主要因素，輻射管采用耐熱鋼主要基礎成份是鉻鎳合金，為了提高材質的抗蠕變能力，通過優化金屬成份及配比改善輻射管的性能來增加輻射管使用壽命，有研究表明，在制造時添加金屬元素W 可以提高輻射管的抗熱等級[3]。

管壁溫度分布均勻性是輻射管最重要的一個性能指標，影響輻射管表面溫度沿長度方向的均勻性性能的主要因素是輻射管的設計構造和附件參數選擇，文獻[6]研究了W 型輻射管表面溫度均勻性并繪制了曲線，通過觀測與分析，輻射管最高溫度一般在燃燒器火焰頭部，溫度均勻性的主要影響因素是燃燒速度和火焰長度，輻射管兩個重要附件燃燒器和換熱器的設計決定了混合煤氣的噴射速度、空氣噴射速度、二次氣卷吸量等參數，這些參數對燃燒速度和火焰長度影響較大。根據諸多文獻對輻射管管壁溫度分布的研究以及實際生產中輻射管開裂和變形的部位的對比，可以發現開裂部分多數在輻射管第一個彎頭部即火焰溫度最高處。

邯寶連退線輻射管結構設計上采用的是非對稱W 型輻射管，材質方面，輻射管第一根直管、第一個彎頭和第二個直管的材質是25Cr 35Ni，其余的是25Cr 20Ni。根據學者對溫度沿長度方向的分布進行的實驗研究，輻射管最高溫度出現在第一個直管末端與第一根彎管接口處，由于輻射管受熱膨脹，高溫處機械強度下降，在內應力和拉桿與重力共同作用下產生蠕變，導致拉桿處焊口開裂造成輻射管變形，或者薄弱處開裂。

為了提高輻射管的整體性能，許多科學家將他們的研究方法從單個優化的燃燒器設計，轉換為優化的新管設計，目的是允許更多的返回煙氣參與燃燒和再循環，以改善燃燒狀況，目的是使管壁均勻熱流并減少有害物質。改善輻射管表面溫度均勻性的主要措施是減小燃燒速度增大火焰長度，有實驗表明通入燃燒后的煙氣即二次氣可以控制火焰長度，通過調節二次燃燒氣的通入量調節火焰長度降低燃燒速度，可以大大改善輻射管管壁溫度分布提高輻射管表面溫度的均勻性。

4 提高輻射管壽命的主要措施

4.1 根據燃燒質量，優化空燃比

在輻射管燃燒系統中，空燃比是影響熱效率的最重要因素，它決定燃料的燃燒程度，并對燃燒后煙道氣中的殘留一氧化碳和氧氣有直接影響。

邯寶連續回油管空燃比的設定以華白比氣為標準，所確定出的系數根據發熱量的變化以及轉換后的空氣量和燃燒量而變化，其中殘留氧氣設置對應于負荷設置。獲得針對噴射器數量的校正因子的乘積，并且控制器調節風扇流量以獲得期望的空燃比，亦即空燃比與煤氣熱值、負載和可燃燒嘴數量直接相關。

有研究表明，煙氣中過剩氧含量在3.8%～4.2%時，此時燃燒溫度最高且廢氣中殘留的CO 值少，燃燒的熱效率最高。空燃比不佳時，當氧含量過剩較多時，空氣壓力流量大，風速快，加大了燃氣的混合強度，燃燒速度快，造成局部溫度高。若混合強度太大，則混合時間太短，火焰短，輻射管表面溫度的分布就會不均勻，并且多余的空氣帶走大量的熱量，加熱效率較低；當過剩氧含量不足時，會造成CO 燃燒不充分燃燒效率低，多余的CO 在煙氣管道中燃燒，進而導致廢氣溫度高，對換熱器的使用壽命造成不利影響，還會造成預熱空氣溫度高，增加了NOx 的產生。如果攪拌強度太低，則攪拌時間會很長，火焰會花費太長時間。結果，煙道氣出口處的氣體不會燃燒掉，甚至從輻射管的出口處也有火焰，這降低了輻射管的熱效率。由于空燃比例不合適，不僅會造成欠燃燒或者過燃燒導致過量的空氣帶走部分熱量降低熱效率，而且由于燃燒氣氛的異常會加速輻射管內各種氧化腐蝕等反應。

4.2 加強狀態檢測，確保燃燒系統附件正常

燃燒系統的主要是由燃燒器、換熱器和輻射管三部分組成的，燃燒器和換熱器任何一個子系統出現故障都會對輻射管的整體壽命產生影響，燃燒器主要由點火燒嘴和配風盤組成，配風盤作用是使空氣產生沿管壁方向的湍流，增大空氣和燃氣的混合區域，減小混合速度，延長火焰長度，配風盤由于環形縫隙比較狹窄容易造成阻塞，對燃燒速度影響較大，應及時檢查定期維護；換熱器主要是利用煙氣余熱對助燃空氣預熱來提高余熱回收，換熱器破損后對助燃空氣通入量、二次氣卷入量、輻射管內負壓值均有影響，當燃燒器或換熱器出現故障后，會破壞輻射管內正常的燃燒狀態，影響輻射管使用壽命和降低加熱效率，當輻射管處于正常生產模式時，輻射管的工作狀態可以從輻射管的空氣、氣壓、流量和煙氣成分中反映出來。

4.3 加強點檢維護，保證可燃燒嘴數量

由于空燃比的設定值是與著火燒嘴數量成正比例關系，因此，在一個區域中，可用燒嘴中，不能點燃的燒嘴對空燃比的影響比較大，燃燒系統中，燃燒器燒嘴的火焰由燒嘴點火控制器控制，由于火焰及安全閥原因經常導致點火系統關閉，處于高溫冷卻狀態的輻射管空氣預熱后進入輻射管形成氧化環境，不僅降低了加熱效率，對輻射管的壽命也是不利的。因此，加強點檢維護及時處理出現故障的點火系統，對提高輻射管壽命有一定的幫助。

4.4 保證排煙系統負壓正常

對于推拉式燃燒系統，輻射管內的負壓對于延長火焰長度有一定的影響，對輻射管最高溫度有影響，當輻射管熱負荷提高時，由于負荷增大，煤氣和助燃空氣量增大，或空氣預熱溫度高時，應增加輻射管的排煙抽力，保證管壁溫度分布均勻，避免管子局部高溫，影響管子的使用壽命。

5 結語

通過分析輻射管性能指標的影響因素，找到了影響輻射管壽命的主要因素，在實際生產中，按照以上解決措施及要求進行管理和維護，有效地提高了輻射管使用壽命，對提高產品的質量和經濟效益有較大的幫助。