Φ26.408m環(huán)形加熱爐的設(shè)計特點

劉林峰

中冶東方工程技術(shù)有限公司，山東青島266555

摘要 從爐型結(jié)構(gòu)、燃燒方式等方面簡單介紹了Φ26.408m環(huán)形加熱爐的設(shè)計特點。

關(guān)鍵詞 環(huán)形加熱爐；爐型結(jié)構(gòu)；設(shè)計特點

中圖分類號TK22 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）61-0048-02

1概述

攀鋼集團成都鋼鐵有限責任公司A-R軋管機組重建工程新建1座環(huán)形加熱爐，主要生產(chǎn)品種有普碳鋼、中低合金鋼和不銹鋼，年加熱連鑄圓管坯24.7萬噸。受工廠條件限制，該加熱爐采用了高爐煤氣和天然氣兩種燃料，采用了蓄熱燃燒和常規(guī)燃燒兩種燃燒方式。

2環(huán)形加熱爐主要技術(shù)參數(shù)

爐型：單面加熱、多段供熱的環(huán)形連續(xù)加熱爐；爐子用途：管坯穿孔前加熱；原料：連鑄圓管坯；管坯規(guī)格：直徑：Φ180mm，Φ220mm，Φ280mm，Φ310mm；長度：1 200mm~4 500mm； 最大單重：2 666kg；管坯裝爐溫度：20℃；管坯加熱溫度：1240℃~1 280℃；出爐管坯溫度均勻性：縱向±10℃，徑向±5℃；爐子產(chǎn)量：最大135t/h；出料節(jié)奏：最快125支/h；燃料及發(fā)熱值：天然氣，熱值8 300×4.18kJ/Nm3； 高爐煤氣，熱值800×4.18 kJ/Nm3；單位熱耗：1.46GJ/t(低合金鋼、最大產(chǎn)量，出爐溫度為1 250℃時) ；燒咀形式：預(yù)熱段及加熱段采用蓄熱式燒嘴；均熱段采用爐頂平焰燒嘴；爐底機械型式：雙層框架梯形結(jié)構(gòu)；爐內(nèi)布料：單排：長度＞2 200mm；雙排：長度≤2 200mm；并采用可變布料角；爐子尺寸：爐底中心線平均直徑：26 408mm；爐底寬度：4 930mm；爐膛內(nèi)寬：5 280mm；裝出料爐門中心線夾角：15°。

3環(huán)形加熱爐主要設(shè)計特點

3.1燃燒方式的確定

根據(jù)工廠所給定的燃料條件，結(jié)合本生產(chǎn)線無縫鋼管生產(chǎn)的加熱工藝特點，在預(yù)熱段、加熱I段、加熱II段、加熱III段選用空煤氣蜂窩體雙蓄熱的蓄熱式燃燒方式，以滿足鋼坯加熱溫度的要求。在均熱I段、均熱II段選用天然氣平焰燒嘴的常規(guī)燃燒技術(shù)以保證鋼坯長度方向的溫度均勻性。煙氣中的余熱大部分通過空煤氣蓄熱式燒嘴將熱量回收，少部分煙氣（約占煙氣總量的20%）通過爐尾煙道煙囪排出，以保證爐尾不供熱段的爐膛溫度，滿足不銹鋼和合金鋼的加熱制度的要求。根據(jù)本生產(chǎn)線的加熱工藝特點，宜采用單面加熱、多點供熱的環(huán)形加熱爐滿足管坯加熱溫度的要求。采用多點供熱、控制靈活的燃燒系統(tǒng)，可根據(jù)不同鋼種、規(guī)格的加熱工藝，建立不同的爐溫制度，以適應(yīng)各自的加熱要求。根據(jù)不銹鋼和高合金鋼的加熱特點，通過多段控制來靈活的滿足加熱要求。環(huán)形加熱爐可根據(jù)產(chǎn)量、規(guī)格的不同，靈活調(diào)節(jié)爐內(nèi)裝鋼量，以避免低產(chǎn)和更換規(guī)格時管坯在爐時間過長而導(dǎo)致過度氧化和脫碳。選用空煤氣雙蓄熱和常規(guī)燃燒相結(jié)合的燃燒方式，通過合理控制煙氣流向，有效控制爐尾排煙溫度，以適應(yīng)合金鋼和不銹鋼加熱時對低溫區(qū)加熱速度的要求。

3.2 裝出料方式的確定

一般環(huán)形加熱爐均采用夾鉗式裝、出料機進行裝、出料，本加熱爐同樣采用夾鉗式裝、出料機的方式裝出料。采用行程可調(diào)的夾鉗式裝料機，將管坯從上料機構(gòu)上夾到環(huán)形爐的爐底上，以滿足爐內(nèi)同時裝有不同規(guī)格的管坯時調(diào)整管坯坯距。夾鉗式裝料機的動作由PLC在線控制。采用行程可調(diào)的夾鉗式出料機將環(huán)形爐爐底上已轉(zhuǎn)到出料爐門處的管坯夾出爐外。夾鉗式出料機的動作由PLC在線控制。

3.3 爐型結(jié)構(gòu)及燃燒系統(tǒng)

環(huán)形爐采用六段供熱、四段爐溫制度。即不供熱的余熱回收段、預(yù)熱段、加熱段和均熱段。以環(huán)形加熱爐的裝料爐門和出料爐門為兩個端點，在有效爐長上設(shè)有六個供熱段，六段爐溫自動控制，充分適應(yīng)不同鋼種（特別是不銹鋼和合金鋼）和規(guī)格的管坯的加熱要求。爐內(nèi)設(shè)有三道隔墻：1）在裝料爐門和出料爐門之間的爐膛設(shè)有隔墻，此處設(shè)置隔墻的主要作用是防止低溫管坯區(qū)對高溫管坯區(qū)及高溫出爐管坯的吸熱，從而保證已加熱好的管坯的出爐溫度；2）在裝料爐門與煙氣出口之間的爐膛設(shè)置隔墻，煙氣出口處為負壓，為防止爐膛從裝料爐門吸入大量的冷空氣，造成熱量損耗和氧化燒損的增加，必須設(shè)置此隔墻；3）在均熱段靠近出料爐門處爐膛設(shè)置隔墻.此處隔墻主要是防止出料時對均熱段爐膛溫度的影響。隔墻采用水冷梁支撐耐火澆注料整體澆注隔墻。

在環(huán)形爐爐尾設(shè)置煙道口，通過煙道將一部分煙氣由煙囪自然排出爐外。在煙道內(nèi)設(shè)置爐壓控制閘板，爐膛壓力采用自動控制方式，確保爐膛微正壓操作，減少管坯的氧化燒損。爐子留有較長的熱回收段和能夠靈活控制的預(yù)熱段，可以根據(jù)加熱管坯鋼種（特別是不銹鋼和高合金鋼）和規(guī)格的不同，靈活操作，使裝料段爐溫降低，滿足加熱工藝要求，同時節(jié)約能耗。環(huán)形爐的燃燒系統(tǒng)主要由蓄熱燒嘴、平焰燒嘴、換向系統(tǒng)、空煤氣管道系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)組成。各段燒嘴的供熱能力是通過熱工計算確定的，在確定各段燒嘴的供熱能力時考慮了一定的富余能力，便于各段爐溫制度的調(diào)節(jié)。各供熱段燒嘴數(shù)量及供熱能力分配見表1。

預(yù)熱段、加熱I段、加熱II段、加熱III段采用空煤氣蓄熱式燒嘴。加熱爐內(nèi)外環(huán)側(cè)墻每個柱間布置一組空氣和煤氣蓄熱燒嘴，上層為空氣燒嘴，下層為煤氣燒嘴，這樣在管坯表面形成一層煤氣保護層，隔絕爐內(nèi)助燃空氣，有效減少鋼坯的氧化燒損。實現(xiàn)燒嘴的小能力多點供熱。這樣既有利于各段溫度的調(diào)整控制，又節(jié)省空間，保證內(nèi)外環(huán)燒嘴對稱布置，充分發(fā)揮蓄熱燃燒的優(yōu)勢。燒嘴部分是由箱體、蓄熱體和噴口磚組成。箱體是放置蓄熱體的設(shè)備，也是熱交換的區(qū)域。它的外殼是由型鋼及鋼板焊接而成，四壁由輕質(zhì)低水泥澆注料砌筑而成，中間堆放蓄熱體。加熱爐共布置24對空煤氣蓄熱燒嘴。

均熱I段、均熱II段采用平焰燒嘴頂部供熱，平焰燒嘴具有燃燒穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的特點。助燃空氣呈強旋流帶動煤氣旋轉(zhuǎn)噴出，配合喇叭口形燒嘴磚形成緊貼爐頂向四周均勻伸展的圓盤形火焰，空煤氣混合均勻，火焰輻射能力強，可保證爐寬方向溫度場均勻且易于維持爐底正壓。加熱爐共布置24個平焰燒嘴。換向系統(tǒng)是蓄熱式加熱爐的關(guān)鍵系統(tǒng)，本方案采用全分散換向系統(tǒng)。空煤氣蓄熱燒嘴用三通換向閥進行換向，每兩個空氣蓄熱燒嘴配置1個空氣三通換向閥，每兩個煤氣蓄熱燒嘴配置1個煤氣三通換向閥。既保證了燒嘴的靈活控制，又節(jié)約了成本。環(huán)形爐共布置有24只空氣三通換向閥和24只煤氣三通換向閥。換向閥的主要功能有：定時換向，定溫換向，手動換向，超溫報警，動作異常報警等。當換向閥閥位異?；蜷L時間動作不到位時，顯示屏上會出現(xiàn)報警指示燈閃爍并指示故障點所在位置，伴隨蜂鳴器報警，系統(tǒng)作出相應(yīng)的應(yīng)急反應(yīng)或人工干預(yù)。為避免蓄熱系統(tǒng)在換向過程中引起爐壓等參數(shù)波動過大，在換向控制中采用不同步換向方式，這樣加熱爐的爐壓控制更為容易。

爐子的供風系統(tǒng)采用兩臺節(jié)能型風機，一用一備。在風機吸風口設(shè)置有消聲器。電機采用變頻調(diào)速控制，以調(diào)節(jié)空氣流量和壓力，確保風機在合理的工作范圍內(nèi)，防止發(fā)生喘震。由助燃風機供給的冷空氣其中四路通過換向閥后接至預(yù)熱段和加熱段相應(yīng)的蓄熱式燒嘴上，完成熱交換后噴入爐內(nèi)燃燒。另一路經(jīng)過煙道內(nèi)的空氣換熱器后分兩路分別接至均熱I段、均熱II段各平焰燒嘴空氣支管。六個供熱段分別配置各段段管，單獨測量和調(diào)節(jié)各段流量。每段空氣段管上都安裝有流量計和自動調(diào)節(jié)閥。

蓄熱燒嘴用的高爐煤氣和平焰燒嘴用的天然氣通過工廠管網(wǎng)分別接至爐前。高爐煤氣總管上分別設(shè)有一道煤氣無泄漏電動蝶閥、一道電動盲板閥、一道快速切斷閥。高爐煤氣總管最低點設(shè)置手動排水裝置，由人工定期排除管道內(nèi)積水至就近排水溝內(nèi)。在天然氣總管上分別設(shè)有一道無泄漏手動蝶閥、一道手動盲板閥、一道快速切斷閥和一道自動壓力調(diào)節(jié)閥，以保證天然氣內(nèi)網(wǎng)壓力滿足系統(tǒng)要求。煤氣總管分四路分別進入各段管，再由數(shù)根管道接至相應(yīng)的蓄熱式燒嘴前。天然氣總管分兩路進入均熱段段管后分別接至平焰燒嘴煤氣支管上。各段段管上均設(shè)有流量計和自動調(diào)節(jié)閥，單獨測量和調(diào)節(jié)各段流量。在空、煤氣（天然氣）壓力過低或風機電源故障以及違規(guī)操作等事故情況下通過快切閥來切斷煤氣供應(yīng)，保證爐子的安全生產(chǎn)。排煙系統(tǒng)包括排煙機、排煙管路、地下煙管和煙囪。由于采用蓄熱加常規(guī)的燃燒方式，一部分煙氣由爐尾經(jīng)地下煙管、煙囪排入大氣，在煙道內(nèi)設(shè)置空氣換熱器和煙道閘板。煙道閘板采用鑄鐵轉(zhuǎn)動閘板，由電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動，其執(zhí)行機構(gòu)與爐壓信號聯(lián)鎖，以控制爐膛壓力保持微正壓。另一部分煙氣從空煤氣蓄熱式燒嘴出來，溫度已降至200℃以下，流經(jīng)換向閥、煙管和排煙機，分別打入各自的鋼煙囪排出。蓄熱燃燒系統(tǒng)分別設(shè)置1臺空氣側(cè)排煙機和1臺煤氣側(cè)排煙機。在排煙管路上排煙機入口前設(shè)有煙溫檢測和自動調(diào)節(jié)閥，其執(zhí)行機構(gòu)與爐壓檢測信號聯(lián)鎖，用來控制爐膛壓力。在車間廠房外設(shè)置2座鋼煙囪和一座混凝土煙囪，2座鋼煙囪分別用于排出蓄熱燃燒系統(tǒng)的空氣側(cè)和煤氣側(cè)煙氣，混凝土煙囪用于排出流經(jīng)爐尾不供熱段的煙氣。

3.4 爐體主要部位耐火材料的選擇

環(huán)形爐的爐墻、爐頂和爐底內(nèi)襯均采用性能良好的耐火澆注料整體澆注而成，外層采用雙層輕質(zhì)隔熱材料進行絕熱，從而組成復(fù)合砌體，以提高爐子的整體性、密封性和隔熱性，獲得最小的熱損失和最大的爐襯壽命。爐墻和爐頂耐火內(nèi)襯材料由緊固在爐子金屬結(jié)構(gòu)上的金屬錨固件和耐火錨固磚來固定，爐底內(nèi)外環(huán)邊緣用預(yù)制塊砌筑。爐頂：共分為三層，總厚度330mm。工作層根據(jù)使用部位的溫度不同，高溫段選用低水泥澆注料，低溫段選用粘土質(zhì)澆注料，既保證了整體性能，又做到了經(jīng)濟適用。中層是輕質(zhì)澆注料，起隔熱作用。最外層是硅酸鋁纖維毯，絕熱效果好。爐頂砌體中設(shè)有高鋁質(zhì)錨固磚，澆筑時埋入澆注料中，作為骨架承受整個吊掛爐頂?shù)闹亓?。爐墻：共分為四層，總厚度494mm。工作層根據(jù)使用部位的溫度不同，高溫段選用低水泥澆注料，低溫段選用粘土質(zhì)澆注料，經(jīng)濟適用并且性能穩(wěn)定可靠。接著是一層0.6的輕質(zhì)粘土磚，起隔熱作用，減少熱損失。最外面兩層分別是硅鈣板和硅酸鋁纖維毯，用于絕熱。內(nèi)外環(huán)爐墻中均設(shè)有錨固磚，防止爐墻向內(nèi)傾倒，錨固磚用耐熱鋼扣件牢固的吊掛在側(cè)墻鋼板上。爐底：共分為五層，總厚度620mm。最上面的工作層采用低水泥澆注料整體澆注。澆注料下面是一層普通粘土磚，兩層輕質(zhì)粘土質(zhì)，起隔熱作用，隔斷工作層和絕熱層。最外層是硅鈣板，起絕熱作用。爐底內(nèi)外邊緣用和工作層材質(zhì)相同的低水泥澆注料預(yù)制塊砌筑，保證爐底耐磨抗渣，提高爐底整體使用壽命。

3.5 環(huán)縫和水封裝置

為了保證爐底運轉(zhuǎn)良好，在環(huán)形爐轉(zhuǎn)動的爐底和固定的內(nèi)外環(huán)爐墻之間留有一定的縫隙，即環(huán)縫。環(huán)形爐工作時，環(huán)形的爐底受熱后向外膨脹，故在冷態(tài)時，爐子的外環(huán)縫要比內(nèi)環(huán)縫的縫隙大一些。綜合考慮各因素，本設(shè)計外環(huán)縫確定為145mm，內(nèi)環(huán)縫確定為75mm。爐子工作時，為了避免爐內(nèi)熱氣體溢出爐外和外界冷空氣吸入爐內(nèi)，應(yīng)盡可能保證爐子嚴密，所以應(yīng)對環(huán)形爐的內(nèi)外縫進行密封，本環(huán)形爐的密封采用水封。水封裝置由水封槽、活動刀、固定刀組成。水封槽安裝在內(nèi)外環(huán)的立柱上，活動刀安裝在爐底上，隨爐底一起轉(zhuǎn)動，固定刀安裝在爐墻上不動，在活動刀底部裝有刮渣板，這樣在爐底轉(zhuǎn)動時環(huán)縫落入水封槽內(nèi)的氧化鐵皮和其它一些雜質(zhì)，隨著轉(zhuǎn)動的活動刀和固定的水封槽之間相對運動，逐步被刮到水封槽上的漏斗處，最后通過漏斗定期清渣，用小車運走。水封槽為可拆卸式，便于檢修和更換。水封槽內(nèi)的水位采用溢流控制。

3.6 環(huán)縫和水封裝置

為了保證爐底運轉(zhuǎn)良好，在環(huán)形爐轉(zhuǎn)動的爐底和固定的內(nèi)外環(huán)爐墻之間留有一定的縫隙，即環(huán)縫。環(huán)形爐工作時，環(huán)形的爐底受熱后向外膨脹，故在冷態(tài)時，爐子的外環(huán)縫要比內(nèi)環(huán)縫的縫隙大一些。外環(huán)縫為145mm，內(nèi)環(huán)縫為75mm。

爐子工作時，為了避免爐內(nèi)熱氣體溢出爐外和外界冷空氣吸入爐內(nèi)，應(yīng)盡可能保證爐子嚴密，所以應(yīng)對環(huán)形爐的內(nèi)外縫進行密封，本環(huán)形爐的密封采用水封。水封裝置由水封槽、活動刀、固定刀組成。水封槽安裝在內(nèi)外環(huán)的立柱上，活動刀安裝在爐底上，隨爐底一起轉(zhuǎn)動，固定刀安裝在爐墻上不動，在活動刀底部裝有刮渣板，這樣在爐底轉(zhuǎn)動時環(huán)縫落入水封槽內(nèi)的氧化鐵皮和其它一些雜質(zhì)，隨著轉(zhuǎn)動的活動刀和固定的水封槽之間相對運動，逐步被刮到水封槽上的漏斗處，最后通過漏斗定期清渣，用小車運走。

3.7 余熱利用，降低能耗

預(yù)熱段、加熱I段、加熱II段、加熱III段燃料為高爐煤氣，采用雙蓄熱空煤氣燃燒技術(shù)。蓄熱燒嘴內(nèi)蓄熱體采用蜂窩體結(jié)構(gòu)，蜂窩體根據(jù)工作溫度的差別采用兩種不同的材質(zhì)，高溫部分采用剛玉莫來石材質(zhì)，低溫部分采用堇青石材質(zhì)。蜂窩體通道采用矩形結(jié)構(gòu)，通道間壁厚度加厚處理以提高強度，延長使用壽命。蜂窩體在線維護時更換速度快，檢修容易，蓄熱利用率高。通過蓄熱燒嘴把空煤氣預(yù)熱至約1 000℃，有效地回收煙氣余熱，大大降低燃料消耗，同時又利用了低熱值的高爐煤氣。

均熱I段、均熱II段燃料為天然氣，采用平焰燒嘴頂部供熱，燃燒后的煙氣通過爐尾設(shè)置的常規(guī)煙道排出，在爐尾煙道內(nèi)設(shè)置有帶插入件的金屬管狀空氣換熱器。插入件式金屬管狀換熱器與一般換熱器相比，具有傳熱效率高、體積小、氣密性好、維護方便等特點。換熱器材質(zhì)在低溫段采用滲鋁的20g無縫鋼管，高溫段采用0Cr17不銹鋼管。進換熱器的煙溫約為600℃~750℃，可將空氣預(yù)熱至約450℃，充分利用了煙氣余熱，降低了能耗。

參考文獻

[1]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1996，8.

[2]《鋼鐵廠工業(yè)爐設(shè)計參考資料》編寫組.鋼鐵廠工業(yè)爐設(shè)計參考資料.冶金工業(yè)出版社，1979，5.