蓄熱步進(jìn)式加熱爐在軋鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用

黃　強(qiáng),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(jìn)式加熱爐在軋鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用

黃強(qiáng),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(jìn)式加熱爐在軋鋼廠生產(chǎn)中的應(yīng)用，論述了其工作原理、蓄熱單元的應(yīng)用及改進(jìn)、水封槽應(yīng)用實(shí)踐中的問題及改進(jìn)措施。

【關(guān)鍵詞】加熱爐;蓄熱單元;水封槽

1　前言

蓄熱式燃燒技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，進(jìn)入90年代由于制造技術(shù)的進(jìn)步及能源價(jià)格的不斷上漲，以高爐煤氣為主要燃料的蓄熱式燃燒技術(shù)因?yàn)槭置黠@的節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)以及減少污染物排放的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，而被迅猛地推廣到全國(guó)的鋼坯加熱爐上。蓄熱式燃燒技術(shù)有效地突破了低熱值燃料用于高溫爐窯的難點(diǎn)，解決了點(diǎn)火燃困難和余熱回收不充分等兩方面的重大技術(shù)問題某鋼廠從2000年左右已經(jīng)開始應(yīng)用蓄熱步進(jìn)式加熱爐，從應(yīng)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(jìn)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(chǎn)節(jié)奏等，現(xiàn)設(shè)備技術(shù)人員逐一解決了遇到上述問題，使蓄熱步進(jìn)式加熱爐得以高效平穩(wěn)運(yùn)行，從中也積累了一些經(jīng)驗(yàn)。本文就其蓄熱步進(jìn)式加熱爐工作原理、蓄熱單元、水封槽談?wù)剮c(diǎn)認(rèn)識(shí)。

2　工作原理

某鋼廠用了3臺(tái)不同種類的蓄熱式軋鋼加熱爐。蓄熱室結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其基本原理是一樣的。以北京北島能源技術(shù)發(fā)展有限公司設(shè)計(jì)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(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的助燃空氣經(jīng)換向系統(tǒng)分別進(jìn)入右側(cè)通道，而后由下向上通過蓄熱室。預(yù)熱后的煤氣和空氣從右側(cè)噴口噴出并混合燃燒，燃燒產(chǎn)物對(duì)鋼坯進(jìn)行加熱后進(jìn)入左側(cè)噴口，在蓄熱室進(jìn)行熱交換將大部分熱量留給蓄熱體后，溫度約200益左右進(jìn)入換向機(jī)構(gòu)，然后經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣。幾分鐘后控制系統(tǒng)發(fā)出指令，換向機(jī)構(gòu)動(dòng)作，空氣、煤氣同時(shí)換向?qū)⑾到y(tǒng)變?yōu)锽狀態(tài)，此時(shí)空氣和煤氣從左側(cè)噴口噴出并混合燃燒，右側(cè)噴口作為煙道，在排煙機(jī)的作用下，高溫?zé)煔馔ㄟ^蓄熱體后排出，一個(gè)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?qū)饬鞣指畛珊苄〉臍饬魍ǖ?，氣流在蓄熱體中流過時(shí)，形成強(qiáng)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(dǎo)熱性好，加之換向系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)特，可實(shí)現(xiàn)頻繁快速的換向。因此，每小時(shí)蓄熱體可達(dá)20耀3O個(gè)周期。高溫?zé)煔饨?jīng)蓄熱體后，在很短的行程(600耀800 mm)內(nèi)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(jīng)蓄熱體在相同路徑內(nèi)可分別預(yù)熱到比煙氣溫度低100益左右，溫度效率高達(dá)85豫以上。為實(shí)現(xiàn)換向式燃燒所特殊設(shè)計(jì)的換向系統(tǒng)在5~20 s內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)空氣、煤氣和煙氣的換向動(dòng)作，保證安全運(yùn)行，換向瞬間關(guān)閉煤氣，待換向動(dòng)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(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)簡(jiǎn)單。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由氣缸驅(qū)動(dòng)，工作平穩(wěn)可靠。其動(dòng)作由一套專門的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它具有定溫?fù)Q向、定時(shí)換向、超溫報(bào)警、程序動(dòng)作、自動(dòng)保護(hù)等一系列功能。若排煙溫度達(dá)到或超過溫度警戒線時(shí)，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)切斷煤氣、空氣和排煙機(jī)，全系統(tǒng)自鎖，防止因超溫造成設(shè)備損壞。

3　蓄熱單元應(yīng)用及改進(jìn)

蓄熱單元是整個(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)有通道式、燒嘴式兩種。由于氣體流經(jīng)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(jīng)蓄熱體的均勻性問題。豎流式氣體進(jìn)人蓄熱室下方集氣箱后由下而上流經(jīng)蓄熱體，這種結(jié)構(gòu)確實(shí)易引起氣流分布不均。加熱爐在停爐檢修時(shí)明顯可見蓄熱室內(nèi)蓄熱小球?qū)映霈F(xiàn)風(fēng)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(jīng)蓄熱層時(shí)因分布不均和附壁效應(yīng)，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(chǎn)生凹槽。風(fēng)槽的產(chǎn)生對(duì)蓄熱室的正常運(yùn)行十分不利。由于風(fēng)槽處氣體流動(dòng)阻力小，大量氣體流經(jīng)風(fēng)槽，只有部分蓄熱體發(fā)揮了作用。針對(duì)上述情況，需對(duì)煤氣蓄熱體結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行改進(jìn)。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(jù)檢修現(xiàn)場(chǎng)判斷以及先前經(jīng)驗(yàn)，對(duì)蓄熱體小球安裝方式進(jìn)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(gè)蓄熱體上部結(jié)構(gòu)呈倒錐形。實(shí)踐證明在檢修時(shí)這次改進(jìn)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(duì)氣體流量大的集中換向系統(tǒng)尤其如此，系統(tǒng)運(yùn)行的比較穩(wěn)定。

其次,檢修時(shí)也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)蓄熱小球的板結(jié)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(shí)它與煤氣中的雜質(zhì)、耐材和小球發(fā)生反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)物質(zhì)，極易附在蓄熱體上，使小球結(jié)塊。蓄熱室中的雜物主要來(lái)自煤氣，少量來(lái)自爐內(nèi)加熱鋼坯產(chǎn)生的氧化鐵皮。根據(jù)此分析結(jié)論，我們著重對(duì)煤氣的灰分要進(jìn)行嚴(yán)格控制，第一在上游管路系統(tǒng)對(duì)高爐煤氣進(jìn)行有效過濾，第二在各換向閥前煤氣進(jìn)氣口安裝有過濾網(wǎng)。實(shí)踐證明，以上改進(jìn)措施能有效控制煤氣內(nèi)的雜物，會(huì)使蓄熱體大量板結(jié)和堵塞現(xiàn)象消除，可見煤氣的純凈度對(duì)蓄熱體的蓄熱效率也是至關(guān)重要的。

另外，蓄熱體在用了一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，也導(dǎo)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(yù)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(duì)換向系統(tǒng)的安全運(yùn)行是十分危險(xiǎn)的，同時(shí)排煙溫度高又進(jìn)一步影響對(duì)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(jīng)對(duì)金屬蓖板的材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，材質(zhì)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(gè)方面。（1）氧化鐵皮降低了蓄熱體耐火度；（2）爐內(nèi)燃燒區(qū)高溫輻射和個(gè)別情況下不完全燃燒的廢氣進(jìn)入蓄熱體出現(xiàn)二次燃燒造成損壞。目前已有機(jī)構(gòu)對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行研究，主要是對(duì)蜂窩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，而實(shí)際效果還有待檢驗(yàn)。

4　水封槽的應(yīng)用以及改進(jìn)

4.1步進(jìn)系統(tǒng)水封槽的組成、作用

步進(jìn)式加熱爐的基本特征是：原料依靠爐底可移動(dòng)的步進(jìn)梁做矩形軌跡的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把固定梁上的原料一步一步地由進(jìn)料端輸送到出料端。移動(dòng)梁的運(yùn)動(dòng)還是可逆的，當(dāng)軋機(jī)或工藝線上其他設(shè)備因故障要停爐檢修或其他情況需要將原料退出爐子時(shí)，移動(dòng)梁可以做逆向工作，把原料由裝料端退出爐外。步進(jìn)移動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖見圖2。

圖2　步進(jìn)移動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

根據(jù)步進(jìn)爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為解決爐底密封和工藝排渣兩大問題，水封槽系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)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(jié)構(gòu)上，是固定的。而槽體是安裝在移動(dòng)框架上，與移動(dòng)梁一起做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。平時(shí)槽體內(nèi)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?fàn)t內(nèi)氣體不外泄，同時(shí)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(gè)步進(jìn)周期內(nèi)把槽內(nèi)氧化鐵皮刮出。

4.2水封槽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

鑒于步進(jìn)式爐子特點(diǎn)，故爐底設(shè)計(jì)時(shí)考慮在每根移動(dòng)支撐梁活動(dòng)區(qū)域留有類似鍵槽形的孔，以便于移動(dòng)梁能很好地托著坯料完成步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。另外為更好的延長(zhǎng)加熱爐的使用周期，在爐底上設(shè)計(jì)有很多工藝排渣口，但由于生產(chǎn)效率以及產(chǎn)量的節(jié)節(jié)攀高，同時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)問題，第一：由于爐底是固定的，在留有移動(dòng)梁的活動(dòng)空間以及排渣口空間，導(dǎo)致在步進(jìn)系統(tǒng)在工作時(shí)，鋼坯燒損的氧化鐵皮會(huì)順著這些空間間隙掉落，短時(shí)間內(nèi)氧化渣得到堆積而不能及時(shí)清理會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)梁經(jīng)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(nèi)的水保持爐內(nèi)氣氛密封。但是由于水封槽出現(xiàn)異?？ㄋ篮螅蹆?nèi)氧化渣堆積過多或槽體破損從而導(dǎo)致水位降低，這樣導(dǎo)致較長(zhǎng)時(shí)間爐內(nèi)氣氛不密封，影響加熱效率，爐內(nèi)煤氣有外泄會(huì)造成重大安全事故，同時(shí)外泄的高溫爐氣也會(huì)烤壞爐底步進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備。

針對(duì)上述情況問題，設(shè)備技術(shù)人員經(jīng)過半年多的觀察、研究和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了這些問題的根源，并很快利用加熱爐大修對(duì)水封槽進(jìn)行了改進(jìn)。

首先，根據(jù)觀察和總結(jié)，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(yù)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(jì)四個(gè)工藝排渣口排出氧化鐵皮進(jìn)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(fù)擔(dān)，經(jīng)常出現(xiàn)該處刮渣板損壞，氧化鐵皮過多出現(xiàn)步進(jìn)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(shí)際軋制生產(chǎn)節(jié)奏。根據(jù)上述情況，工程技術(shù)人員進(jìn)行了大膽改進(jìn)。第一對(duì)上面四個(gè)工藝排渣口的最終流向進(jìn)行改變，原來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)是在較理想的生產(chǎn)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(chǔ)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(shí)具有一定的密封性。第二同時(shí)對(duì)水封槽槽體和刮渣板進(jìn)行改進(jìn)，為保證該排渣口順利安裝，對(duì)槽體和刮渣板進(jìn)行了瘦身縮短，對(duì)原來(lái)位于該排渣口的槽體進(jìn)行外科手術(shù)式的切除。水封槽排渣口改進(jìn)示意圖見圖3

圖3　水封槽排渣口改進(jìn)示意圖

其次由于水封槽總計(jì)有四排，而只有總的進(jìn)水管和排水管，每排水封槽之間通過一個(gè)水管相連，以保證四個(gè)槽的水位一致。該結(jié)構(gòu)能很好保證水封槽正常工作狀況下運(yùn)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(jīng)常堵塞，導(dǎo)致部分槽體水位不足，從而導(dǎo)致水封槽不密封?，F(xiàn)我們對(duì)每個(gè)槽體都安裝有相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)水、排水系統(tǒng)，而原來(lái)的相互間的水管還是保留，這樣能最大化保證每個(gè)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(jié)束語(yǔ)

蓄熱步進(jìn)式加熱爐改進(jìn)后的

主要特征及優(yōu)點(diǎn)如下：加熱爐將燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、蓄熱室與爐體有機(jī)地結(jié)合于一體，以比表面積極高而體積極小的蓄熱體。結(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǎn)量要求。改造后極大地降低了設(shè)備故障時(shí)間，大大提高了加熱爐的生產(chǎn)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(chǎn)物排放量下降。

[參考文獻(xiàn)]

[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(shù)在沙鋼加熱爐上的應(yīng)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(jiǎn)介：黃強(qiáng)（1980-），男，工程師，現(xiàn)從事中板（爐卷軋鋼）設(shè)備管理工作。

收稿日期：2015-08-17

【中圖分類號(hào)】TG15

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1006-6764（2015）10-0052-04