數(shù)字化蓄熱式步進(jìn)梁加熱爐在棒材生產(chǎn)中的應(yīng)用與分析

朱 寧, 張玉峰

(東北特鋼集團(tuán)北滿(mǎn)特殊鋼有限責(zé)任公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161041)

大棒合金鋼生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為45萬(wàn)t，為保證鋼坯加熱質(zhì)量，特別是滿(mǎn)足棒材軋機(jī)對(duì)鋼坯斷面和長(zhǎng)度方向溫度梯度的要求，均熱段可在950～1 250℃范圍內(nèi)任意溫度保溫；保溫末期坯料溫差≤30℃等問(wèn)題，配備兩座步進(jìn)梁式加熱爐，燃料為冷發(fā)生爐煤氣，該步進(jìn)梁式加熱爐采用數(shù)字化蓄熱式燃燒技術(shù)。

加熱爐基本尺寸：裝出料輥道中心線(xiàn)間距35 000mm，加熱爐砌體外形長(zhǎng)度31 400mm，加熱爐內(nèi)寬6 600mm，裝出料輥道上表面標(biāo)高+6 100mm。

1 爐型結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

(1)爐型結(jié)構(gòu)設(shè)置4段，從進(jìn)料端至出料端分別為預(yù)熱段、第一加熱段、第二加熱段和均熱段。為了更有效地控制各段爐溫，段與段之間設(shè)置無(wú)水冷隔墻。預(yù)熱段不供熱，且爐頂壓下。3個(gè)供熱段均為上下供熱，可分別調(diào)節(jié)熱負(fù)荷。約60%的煙氣在排煙機(jī)抽力作用下，通過(guò)蓄熱式燃燒單元的蓄熱室排出，剩余的煙氣在煙筒抽力作用下，通過(guò)設(shè)置在爐子進(jìn)料端爐頂?shù)呐艧熆谂懦觥?/p>

表1 加熱爐基本參數(shù)

(2)這是一種多點(diǎn)供熱、多點(diǎn)排煙、分散排煙與集中排煙相結(jié)合的步進(jìn)梁加熱爐爐型結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)大的靈活性，可以組織多種供熱制度和溫度制度，能夠滿(mǎn)足合金鋼加熱的多種加熱制度的要求，對(duì)于多品種小批量生產(chǎn)，以及保溫待軋等特殊情況都具有高度的適應(yīng)能力。

(3)不供熱的預(yù)熱段爐頂壓下，有利于強(qiáng)化爐氣與鋼坯表面之間的對(duì)流傳熱，充分利用燃燒產(chǎn)物的顯熱，也有利于減少加熱段向預(yù)熱段的輻射傳熱，更好地控制爐尾溫度。

(4)爐底支撐梁和步進(jìn)機(jī)構(gòu)分為前后2段，每段可以單獨(dú)運(yùn)行，所以能夠更好地滿(mǎn)足易脫碳鋼減少高溫下停留時(shí)間、快速出爐的需要。

2 加熱爐工藝描述

2.1 裝爐準(zhǔn)備

從連鑄輥道送來(lái)的鋼坯在爐外的入爐輥道上自動(dòng)測(cè)量長(zhǎng)度，超長(zhǎng)、超短、彎曲度過(guò)大的鋼坯被剔除，合格鋼坯繼續(xù)前進(jìn)并在輥道上按照布料圖自動(dòng)定位，等待入爐。

2.2 鋼坯裝爐

當(dāng)允許裝料的信號(hào)到達(dá)、裝鋼輥道已經(jīng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)、裝料端爐內(nèi)有放置1塊鋼坯的空位、裝料爐門(mén)打開(kāi)到指定位置、步進(jìn)梁處于下位時(shí)，裝鋼機(jī)在下位前進(jìn)，將鋼坯推正，然后上升托起鋼坯，前進(jìn)到達(dá)設(shè)定位置，而后下降，把鋼坯放在固定梁上，在下位返回原位，裝料爐門(mén)關(guān)閉，完成裝料。

2.3 鋼坯在爐內(nèi)運(yùn)行

步進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)是周期性的，運(yùn)行軌跡是矩形，如圖1所示。

圖1 步進(jìn)梁循環(huán)曲線(xiàn)

周期運(yùn)行前，步進(jìn)梁停①點(diǎn)位，周期運(yùn)行時(shí)根據(jù)運(yùn)行動(dòng)作時(shí)間表，步進(jìn)梁首先由①點(diǎn)位向②點(diǎn)位做上升運(yùn)動(dòng),中間有加速、減速過(guò)程，將鋼坯輕輕托起。

當(dāng)步進(jìn)梁上升到達(dá)②點(diǎn)位后,開(kāi)始水平運(yùn)動(dòng)。當(dāng)步進(jìn)梁到達(dá)③點(diǎn)位后,再由③點(diǎn)位向④點(diǎn)位作下降運(yùn)動(dòng)，中間經(jīng)過(guò)加、減速過(guò)程，將鋼坯輕放于固定梁上。

當(dāng)步進(jìn)梁到達(dá)④點(diǎn)位后,給出加熱爐可以出鋼信號(hào)。然后步進(jìn)梁由④點(diǎn)位回到①點(diǎn)位，完成一個(gè)正循環(huán)，將鋼坯向出料段輸運(yùn)了一個(gè)行程。

通過(guò)步進(jìn)梁的周期運(yùn)行，將入爐鋼坯一步一步地向出料端輸運(yùn)。加熱爐步進(jìn)機(jī)構(gòu)最小出鋼周期45s，行程330mm。

2.4 鋼坯出爐

在軋機(jī)要鋼信號(hào)得到確認(rèn)，步進(jìn)系統(tǒng)接收到正循環(huán)動(dòng)作指令后，步進(jìn)梁開(kāi)始上升，托起鋼坯，按上升速度控制要求完成上升動(dòng)作。步進(jìn)梁上升到位后，在聯(lián)鎖保證條件下，步進(jìn)梁開(kāi)始前進(jìn)。

步進(jìn)梁前進(jìn)時(shí)，出料輥道停止運(yùn)轉(zhuǎn)，出料爐門(mén)處關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)步進(jìn)梁到達(dá)最前位置后開(kāi)始下降，將鋼坯放在固定梁上，步進(jìn)梁由低位返回。出料爐門(mén)打開(kāi)，出鋼機(jī)在下位前進(jìn)，前進(jìn)到位后上升托起鋼坯，后退到設(shè)定位置，再下降，將鋼坯放在出爐輥道上，由低位返回原位，出料爐門(mén)關(guān)閉，完成出料。

當(dāng)出料位置有料，活動(dòng)梁處于下位時(shí),接到要鋼信號(hào)，此時(shí)出料爐門(mén)開(kāi)啟達(dá)到設(shè)定位置后，出鋼機(jī)前進(jìn)到達(dá)爐內(nèi)設(shè)定位置后上升托起鋼坯，后退到輥道設(shè)定位置，而后下降將鋼坯放到出爐輥道上，由低位返回原位，出料爐門(mén)關(guān)閉，完成出料。

2.5 裝料和出料保護(hù)

裝鋼輥道、裝鋼機(jī)、裝料爐門(mén)、步進(jìn)梁采用PLC進(jìn)行邏輯控制。在裝鋼時(shí)裝鋼輥道停止轉(zhuǎn)動(dòng)、裝料爐門(mén)打開(kāi)、步進(jìn)梁處于下位、裝鋼位有空位方可裝鋼。當(dāng)出鋼時(shí)，出鋼輥道停止轉(zhuǎn)動(dòng)、出料爐門(mén)打開(kāi)、步進(jìn)梁處于下位、出鋼位有坯料方可出鋼。鋼坯的裝出料操作、計(jì)數(shù)和物料跟蹤以及與軋機(jī)的信息交換，均通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)、順序、聯(lián)鎖與邏輯控制，實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)管理。

3 數(shù)字化蓄熱式燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)是火焰爐的核心，直接決定了爐子是否能滿(mǎn)足工藝要求以及爐子的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。該步進(jìn)式加熱爐采用的燃燒系統(tǒng)是數(shù)字化蓄熱式燃燒系統(tǒng)，不同于常規(guī)燃燒未進(jìn)行數(shù)字化的燃燒方式。

3.1 數(shù)字化蓄熱式燃燒方式與其它燃燒方式的對(duì)比

3.1.1 數(shù)字化燃燒方式

數(shù)字化燃燒方式與常規(guī)燃燒方式根本區(qū)別是調(diào)節(jié)供熱量的手段不同。

常規(guī)燃燒方式。供熱量的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變?nèi)剂虾涂諝忾y門(mén)的開(kāi)度，進(jìn)而改變?nèi)剂虾涂諝獾牧髁縼?lái)實(shí)現(xiàn)的?；鹧媸沁B續(xù)的，火焰特性隨供熱量大小而改變。

數(shù)字化燃燒方式。供熱量的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變?nèi)紵龝r(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。火焰不是連續(xù)的，是斷續(xù)的，火焰特性(如：尺寸、動(dòng)量、溫度分布、空燃比等)不隨供熱量大小而改變。所以，數(shù)字化燃燒方式具有兩個(gè)主要特點(diǎn)：(1)始終保持穩(wěn)定的、滿(mǎn)足工藝要求的最佳火焰特性，有利于減小爐內(nèi)溫差，提高爐溫均勻性。(2)供熱能力的調(diào)節(jié)比相當(dāng)大，一般可達(dá)1∶10以上，適用于要求供熱量調(diào)整幅度很大的場(chǎng)合。

3.1.2 蓄熱式燃燒方式

現(xiàn)代蓄熱式燃燒方式是將小型蓄熱室與燃燒器有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成蓄熱式自身預(yù)熱式燒嘴。依靠蓄熱體的蓄熱與放熱，將排煙溫度降低到150～180℃，可以將空氣預(yù)熱到1 000℃以上。與空氣(煤氣)不預(yù)熱、或采用金屬換熱器預(yù)熱、包括換熱式自身預(yù)熱式燒嘴在內(nèi)的燃燒方式相比，具有兩個(gè)最重要的特點(diǎn)：(1)具有更高的理論燃燒溫度，從而高溫爐可以使用像高爐煤氣這樣的低熱值燃料，并且可以加快鋼坯的加熱速度，縮短加熱時(shí)間。(2)具有更高的煙氣余熱回收率、燃料節(jié)約率,更低的溫室氣體排放率，因而可以進(jìn)一步降低加熱爐的單位熱耗指標(biāo)，進(jìn)一步提高熱效率。但是，常規(guī)蓄熱式燃燒方式仍然是采用連續(xù)調(diào)節(jié)方式調(diào)整供熱量的大小。

3.1.3 數(shù)字化蓄熱式燃燒方式

數(shù)字化蓄熱式燃燒方式是將蓄熱式燃燒方式與數(shù)字化控制方式有機(jī)結(jié)合在一起形成的，集兩者的優(yōu)勢(shì)于一身，所以兼?zhèn)鋬烧叩奶攸c(diǎn)：(1)始終保持最佳火焰特性。(2)供熱能力的調(diào)節(jié)比相當(dāng)大。(3)具有更高的理論燃燒溫度。(4)具有更高的燃料節(jié)約率和更低的溫室氣體排放率。

3.2 數(shù)字化蓄熱式燃燒單元

數(shù)字化蓄熱式燃燒系統(tǒng)由若干個(gè)數(shù)字化蓄熱式燃燒單元和一套專(zhuān)用的數(shù)字化蓄熱式燃燒控制系統(tǒng)組成。該數(shù)字化蓄熱式燃燒單元由一個(gè)(或一組)空氣蓄熱室、一個(gè)(或一組)空氣噴嘴、一個(gè)(或一組)煤氣噴嘴、三臺(tái)手動(dòng)金屬密封調(diào)節(jié)閥、一臺(tái)雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空、煙氣動(dòng)三通閥和一臺(tái)煤氣氣動(dòng)快切閥組成，簡(jiǎn)稱(chēng)為燃燒單元。

全爐采用上下組合式空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴；通過(guò)控制蓄熱系統(tǒng)的排煙管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)蓄熱室的排煙溫度及爐膛壓力；蓄熱燒嘴采用全分散換向系統(tǒng)，爐壓穩(wěn)定，調(diào)節(jié)靈活，保障連續(xù)生產(chǎn)；燃燒系統(tǒng)由蓄熱式燒嘴、換向裝置、煤氣系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等幾部分組成。

3.3 供熱分配和燒嘴布置

全爐共設(shè)置60個(gè)蓄熱式燒嘴，分別布置在一加熱段、二加熱段和均熱段。所有燒嘴全部安裝在爐子的側(cè)墻上。各段燒嘴能力按額定供熱量的115%配置。

表2 供熱分配和燒嘴布置

3.4 燒嘴結(jié)構(gòu)

縮短鋼坯在高溫區(qū)的停留時(shí)間和減少鋼坯表面的氧氣含量對(duì)降低燒損和減少表面脫碳十分重要；在單蓄熱時(shí)燃?xì)饬鞴删o貼鋼坯表面，在鋼坯的表面形成保護(hù)性氣氛。燒嘴由空氣蓄熱噴口、發(fā)生爐煤氣噴口組合而成，上加熱，煤氣噴口在下，空氣噴口在上；下加熱，煤氣噴口在上，空氣噴口在下；盡量在鋼坯的上下表面形成還原性氣氛，降低氧化燒損和表面脫碳。

燒嘴結(jié)構(gòu)及材質(zhì)保證有足夠長(zhǎng)的使用壽命。燒嘴與爐墻之間的結(jié)合部處理得當(dāng)，既要方便安裝，又要杜絕冒火現(xiàn)象的出現(xiàn)。

蓄熱式燒嘴采用雙流股蓄熱式燒嘴形式，強(qiáng)化爐溫的均勻性。既考慮低熱值燃?xì)獾娜紵旌蠁?wèn)題，保證煤氣的完全燃盡，又實(shí)現(xiàn)爐膛溫度的均勻性。

燃燒噴口是燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，設(shè)計(jì)上選擇最優(yōu)的氣體出口速度以及混合噴射角度。既確保燃?xì)庠跔t內(nèi)充分燃盡，不會(huì)在對(duì)面的蓄熱體內(nèi)繼續(xù)燃燒而對(duì)其造成損壞，同時(shí)又合理促成低氧燃燒的實(shí)現(xiàn)，避免出現(xiàn)局部的高溫過(guò)熱。既強(qiáng)化爐溫的均勻性，減少NOX等有害氣體的生成，又減小高溫下脫碳情況的發(fā)生。

3.5 蓄熱體

蓄熱體采用陶瓷蜂窩體。高溫段材質(zhì)為高純鋁質(zhì)材料，保證有較高的耐火度和良好的抗渣性，低溫段材質(zhì)為堇青石，堇青石的特點(diǎn)是在低于1 000℃的工況下具有較好的抗腐蝕和耐急冷急熱性。蜂窩體的前端增加高鋁質(zhì)擋磚，增加蜂窩體的堆放穩(wěn)定性，減少高溫爐膛對(duì)蜂窩體的輻射。

3.6 換向系統(tǒng)

空氣—煙氣換向系統(tǒng)采用全分散換向方式。換向閥門(mén)全部為氣動(dòng)，以潔凈的壓縮空氣作為動(dòng)力源，氣源壓力不低于0.4MPa。全爐60個(gè)蓄熱式燒嘴，共采用30臺(tái)用于空—煙氣換向的三通換向閥，30只煤氣快速切斷閥。每套燒嘴使用1套換向系統(tǒng)，不致于像集中式換向那樣要將出現(xiàn)問(wèn)題的那一段全部停下來(lái),保證操作的連續(xù)性和生產(chǎn)穩(wěn)定性。換向閥可以與燃燒噴口之間就近布置，縮短了換向閥與噴口之間的換向盲區(qū)，最大限度減少了交叉污染帶來(lái)的不安全因素。采用時(shí)序換向方式，每套換向裝置換向時(shí)對(duì)爐壓的影響大為減小，精確控制了各部分爐溫、爐壓，提高了爐子的控制性能和鋼坯加熱質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

步進(jìn)式加熱爐自2009年投產(chǎn)至今，運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好，采用數(shù)字化蓄熱式燃燒方式達(dá)到了大幅節(jié)能的效果，同時(shí)減少污染物排放。經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著。