蓄熱式燃燒技術(shù)在熱連軋步進(jìn)式加熱爐上的應(yīng)用

趙 鈺

(山西太鋼工程技術(shù)有限公司 山西太原030009)

·節(jié)能降耗·

蓄熱式燃燒技術(shù)在熱連軋步進(jìn)式加熱爐上的應(yīng)用

趙 鈺①

(山西太鋼工程技術(shù)有限公司 山西太原030009)

太鋼2250mm熱連軋廠四號板坯加熱爐采用蓄熱式燃燒技術(shù)，從根本上提高了加熱爐的能源利用率，既減少了污染物的排放，又節(jié)約了能源。另外，蓄熱式燃燒技術(shù)的采用，強(qiáng)化了加熱爐內(nèi)的爐氣循環(huán)，保證爐子的溫度場均勻，提高鋼坯加熱質(zhì)量，效果非常顯著。

蓄熱式燃燒技術(shù) DHCR(連鑄坯) 火焰輻射強(qiáng)度 脈沖燃燒

1 前言

太鋼不銹鋼股份有限公司2250mm熱軋廠于2006年6月已建成三座260t/h步進(jìn)梁式加熱爐，全部采用低NOX常規(guī)燒嘴,控制方式為脈沖控制。由于太鋼公司能源與環(huán)保問題日益突出，因此公司決定新建4#加熱爐，在燃燒系統(tǒng)上采用低NOX蓄熱式燒嘴+脈沖控制，使2250mm熱軋廠具備4座加熱爐生產(chǎn)，完成公司200萬t不銹鋼和200萬t普碳鋼的年生產(chǎn)能力。

2 主要技術(shù)條件

2.1 板坯規(guī)格

厚度：不銹鋼180mm～200mm，碳鋼230mm～250mm；

寬度：不銹鋼1000mm～2100mm，碳鋼1000mm～2150mm；

長度：4800mm～12000mm；

標(biāo)準(zhǔn)坯：不銹鋼200mm×1250mm×10500mm，碳鋼230mm×1250mm×10500mm；

重量：最大單重40t。

2.2 板坯加熱溫度

入爐溫度：冷裝：20℃，熱裝：400℃以上，DHCR：900℃～950℃。

出爐溫度：碳鋼：1250℃(板坯表面)，奧氏體不銹鋼：1280℃(板坯表面)。

鐵素體不銹鋼：1150℃(板坯表面)。

3 4#加熱爐能力的確定

由于4#加熱爐基礎(chǔ)是在建設(shè)1#、2#、3#加熱爐時(shí)已經(jīng)預(yù)留，因此爐長已確定。根據(jù)工藝要求，加熱爐應(yīng)滿足鋼坯DHCR(連鑄坯)，又可用于CCR(冷裝)、HCR(熱裝)?？紤]到采用DHCR時(shí)需要保持連鑄和軋機(jī)生產(chǎn)的穩(wěn)定，因此加熱爐在軋機(jī)換輥等情況下要求有一定的緩沖能力。4#加熱爐采用長行程裝鋼機(jī)方式，緩沖段長度～8m，長行程裝鋼機(jī)最大行程10.7m。

根據(jù)工藝要求，按碳鋼標(biāo)準(zhǔn)坯冷裝時(shí)的加熱爐產(chǎn)量為260t/h計(jì)算，加熱爐的有效長度為43m。

加熱爐的生產(chǎn)能力如下：(最長坯230mm×1250mm×12000mm)。

碳鋼：額定產(chǎn)量260t/h(標(biāo)準(zhǔn)坯230mm×1250mm×10500mm)。最大產(chǎn)量300t/h。

奧氏體不銹鋼：額定產(chǎn)量190t/h(標(biāo)準(zhǔn)坯200mm×1250mm×10500mm)。最大產(chǎn)量220t/h。

鐵素體不銹鋼：額定產(chǎn)量215t/h(標(biāo)準(zhǔn)坯200mm×1250mm×10500mm)。最大產(chǎn)量245t/h。

4 不銹鋼加熱爐的特點(diǎn)和加熱爐設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想

4.1 不銹鋼加熱爐的特點(diǎn)

1)不銹鋼的加熱曲線與碳鋼明顯不同。不銹鋼要求在600℃升溫緩慢，因此不銹鋼的加熱曲線更平緩。

2)不銹鋼加熱需精確控制鋼坯的出爐溫度，并保證鋼坯表面和中心的溫度均勻。因此對加熱爐出爐目標(biāo)溫度的控制要求更高。

3)由于不銹鋼在加熱過程中易產(chǎn)生粘結(jié)性氧化鐵皮，因此嚴(yán)格而靈活的爐內(nèi)氣氛控制，是保證軋制產(chǎn)品表面質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)(最長坯230mm×1250mm×12000mm)。

4)考慮到不銹鋼在爐時(shí)間較長，為防止鋼坯在爐內(nèi)的下彎，加熱爐的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮爐內(nèi)水梁和立柱的合理布置。

4.2 蓄熱式加熱爐設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想

1)為了保證加熱爐在加熱質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保及其它經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)方面達(dá)到國際先進(jìn)水平，設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想為：滿足鋼坯加熱工藝要求,方便操作工人檢修及維護(hù),環(huán)保減排，節(jié)能降耗。

(1)步進(jìn)梁式加熱爐的設(shè)計(jì)符合“工藝要先進(jìn)、設(shè)備要可靠、產(chǎn)品要一流、環(huán)境要達(dá)標(biāo)、造價(jià)要合理”的項(xiàng)目設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想。

(2)爐子設(shè)計(jì)以滿足高附加值的不銹鋼板坯的加熱質(zhì)量要求為主要依據(jù)，但同時(shí)兼顧碳鋼板坯的產(chǎn)量及直接熱裝的要求。

(3)在加熱過程中存在著不銹鋼和碳鋼的產(chǎn)品規(guī)格轉(zhuǎn)換，因此要求爐子具有很大的靈活性、溫度控制L1級的精確性和快速響應(yīng)性。

(4)由于碳鋼有直接熱裝工藝，要求加熱爐在裝爐上必須滿足連續(xù)的供坯工藝，盡量減少連鑄坯下線的出現(xiàn)，同時(shí)在生產(chǎn)過程控制L2級上滿足DHCR的要求。

(5)在節(jié)能方面，采用高溫空氣預(yù)熱器技術(shù)和蓄熱式燃燒技術(shù)。

(6)L1級燃燒控制方面，采用先進(jìn)的模糊控制技術(shù)，提高加熱爐溫度控制的響應(yīng)性。

(7)采用鋼坯溫度自適應(yīng)功能的加熱爐數(shù)學(xué)模型，最大限度保證加熱質(zhì)量。

(8)在L2控制方面，采用熱裝支持技術(shù)，盡可能地提高DHCR比例。

2)蓄熱式加熱爐技術(shù)特點(diǎn)。本蓄熱式加熱爐實(shí)質(zhì)上是高效蓄熱式換熱器與常規(guī)加熱爐的結(jié)合體，主要由加熱爐爐體、蓄熱室、換向系統(tǒng)以及燃料、供風(fēng)和排煙系統(tǒng)構(gòu)成。

本次燃燒系統(tǒng)采用的是空氣蓄熱燃燒技術(shù)?？蓪⒖諝忸A(yù)熱到800℃～1100℃左右， 煙氣排放溫度低于150℃,將余熱回收率提高70%～90%，達(dá)到余熱回收的極限(見圖1)。

圖1 蓄熱式燒嘴工作原理圖

其優(yōu)勢表現(xiàn)在下面幾個方面：

(1)爐溫更加均勻： 一方面，由于煤氣和空氣在爐膛內(nèi)彌散燃燒，肉眼觀察無明顯火焰，因此，爐溫更均勻，而且無局部高溫區(qū)；另一方面，由于在每一對蓄熱室中都是燃燒側(cè)和排煙側(cè)隔幾分鐘就交替換位，因此，不存在燒偏的情況，使?fàn)t子兩側(cè)溫度均勻。由于爐溫分布均勻，加熱質(zhì)量大大改善，產(chǎn)品合格率大幅度提高。

(2)燃料選擇范圍更大。采用蓄熱式燃燒技術(shù)，空氣預(yù)熱溫度由過去的400℃～600℃可提高到800℃～1100℃。由于燃料的理論燃燒溫度大幅度提高，使燃料的選擇范圍更大。特別是可燃用3344kJ/m3以下的低熱值燃料，如高爐煤氣或其他低熱值劣質(zhì)燃料。

(3)大幅度節(jié)能:由于煙氣經(jīng)蓄熱體后溫度降低到150℃以下，將煙氣的絕大部分顯熱傳給了助燃空氣及煤氣，做到了煙氣余熱的“極限回收”，因此，爐子燃料消耗量大幅度降低。NOX生成量更低。

(4)降低金屬氧化燒損: 低氧燃燒的另一個好處是可降低被加熱金屬的氧化燒損。此外，蓄熱式燃燒還可以提高火焰輻射強(qiáng)度，強(qiáng)化輻射傳熱，提高爐子產(chǎn)量。

5 加熱爐爐型的確定

1)爐型符合板坯高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、氧化燒損少的要求

綜合加熱質(zhì)量和節(jié)能兩方面因素，在4#加熱爐設(shè)計(jì)中，采用了預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段為蓄熱燃燒、均熱段為常規(guī)燃燒的新型組合蓄熱供熱方案：上部均熱段采用平焰燒嘴，下部均熱段采用常規(guī)側(cè)向低NOX燒嘴脈沖供熱；其它各供熱段采用側(cè)向蓄熱式燒嘴供熱。充分適應(yīng)不同鋼種、不同產(chǎn)量的加熱要求，對鋼坯實(shí)行有效靈活的加熱。

2)根據(jù)不銹鋼加熱的特點(diǎn)，采取了保證加熱質(zhì)量的措施

(1)不銹鋼在爐時(shí)間長，要求在低溫緩慢加熱。

加熱爐在供熱能力配置考慮有較大的調(diào)節(jié)范圍，可適應(yīng)不同鋼種在不同產(chǎn)量下的不同加熱制度。

(2)由于部分不銹鋼在高溫下強(qiáng)度低，在加熱爐水梁布置、墊塊大小等方面均采取了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證板坯懸臂小，墊塊壓痕小。

(3)步進(jìn)框架動作輕緩，對鋼坯實(shí)現(xiàn)輕抬、輕放，防止不銹鋼表面產(chǎn)生劃痕。

(4)由于不銹鋼對溫度準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，同時(shí)為了減少氧化燒損，采用先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)。

3)適應(yīng)連鑄連軋工藝的要求

(1)加熱爐裝料采用最大行程～10m的長行程裝機(jī)，碳鋼直接熱裝生產(chǎn)時(shí)可將鋼坯直接裝入爐內(nèi)～8m的位置，在連鑄板坯直接熱裝時(shí)能提供適當(dāng)?shù)木彌_時(shí)間以滿足軋機(jī)解決短時(shí)故障或換輥的需要，盡量減少熱坯下線的出現(xiàn)。

(2)采用先進(jìn)的L2熱裝支持功能，盡可能提高熱裝比。

4)加熱爐滿足低耗、節(jié)能的要求

(1)爐體砌筑采用復(fù)合爐襯，強(qiáng)化絕熱，減少熱損失，節(jié)能，提高爐子使用壽命。

(2)爐底水梁和立柱采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少管底比，并采用雙重絕熱包扎，節(jié)能效果好。

(3)爐底水梁、立柱采用汽化冷卻，有效防止水梁立柱內(nèi)壁結(jié)垢，提高梁、柱的使用壽命，同時(shí)又可產(chǎn)生蒸汽供生產(chǎn)和生活利用。

(4)設(shè)置高效金屬管狀空氣預(yù)熱器，可把助燃空氣預(yù)熱至～600℃，有效回收煙氣余熱，大量節(jié)約燃料。

(5)采用蓄熱式燒嘴，可使除均熱段的各供熱段的空氣溫度預(yù)熱至1000℃～1150℃，節(jié)約燃料。

6 爐型結(jié)構(gòu)及基本尺寸和技術(shù)指標(biāo)

6.1 爐型結(jié)構(gòu)(見圖2)

圖2 蓄熱式加熱爐爐體圖

采用端部裝料和端部出料方式。

為了適應(yīng)不同鋼種、不同產(chǎn)量的加熱要求，全爐共9個供熱段進(jìn)行爐溫自動控制：預(yù)熱段上下2段，一、二加熱段各上下2段，上均熱段前后2段，下均熱1段。加熱爐均熱段采用傳統(tǒng)供熱方式，上部采用爐頂平焰燒嘴的供熱方，下部采用新型低NOX側(cè)調(diào)焰燒嘴。其余各段為蓄熱式燒嘴，有效節(jié)約能耗。

6.2 加熱爐基本尺寸

裝出料輥道中心距：50000mm

加熱爐砌體全長：44700mm

加熱爐有效長度：43000mm

加熱爐砌體寬度：13672mm

加熱爐內(nèi)寬：12700mm

煙囪高度： 100m

煙囪出口直徑：φ4000mm

表1 主要技術(shù)指標(biāo)一覽表

7 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

7.1 概述

加熱爐自動化系統(tǒng)的范圍,從加熱爐區(qū)板坯稱重、核對輥道開始至出爐輥道為止。

自動化系統(tǒng)分成二級：

L1級：即電控系統(tǒng)和儀控系統(tǒng)，主要完成加熱爐的順控、板坯的定位控制、裝鋼機(jī)和出鋼機(jī)的APC、步進(jìn)梁控制、加熱爐燃燒控制、介質(zhì)的測量和控制等。

L2級：即過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要完成加熱爐的材料跟蹤、優(yōu)化燃燒設(shè)定計(jì)算和數(shù)據(jù)處理及熱裝作業(yè)的處理。

7.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想和特點(diǎn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮系統(tǒng)功能的完備和技術(shù)先進(jìn)性,采用儀電一體化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電控、儀控和過程控制系統(tǒng)通過星型交換式快速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；電控儀控系統(tǒng)與傳動設(shè)備及現(xiàn)場儀表通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議和分層網(wǎng)絡(luò)，充分保證整個系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，并且系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充也非常方便。

8 項(xiàng)目運(yùn)行

項(xiàng)目實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)了傳動控制、燃燒控制的全自動化操作。實(shí)現(xiàn)機(jī)械電氣設(shè)備的自動化操作，包括裝出料輥道、裝出鋼設(shè)備、步進(jìn)機(jī)械等。在燃燒控制方面，實(shí)現(xiàn)了溫度的精確控制，改善了爐膛氣氛、溫度場的分布，達(dá)到了從溫度、流量、壓力控制的整體系統(tǒng)的穩(wěn)定，適應(yīng)了太鋼生產(chǎn)節(jié)奏快、鋼種多、加熱制度復(fù)雜的要求。

8.1 板坯加熱質(zhì)量

8.1.1 黑印溫差

保證指標(biāo)：粗軋結(jié)束時(shí)設(shè)置在輥道上面的溫度檢測器中：

95%的板坯最大溫差≤30℃；

80%的板坯最大溫差≤25℃；

60%的板坯最大溫差≤20℃；

單個水梁黑印溫差≤19℃；

平均水梁黑印溫差≤19℃。

8.1.2 內(nèi)外及首尾溫差

t1-t2或t3-t2≤30℃；

t4-t1或t1-t7≤30℃；

t5-t2或t2-t8≤30℃；

t6-t3或t3-t9≤30℃；

板坯上表面與中心溫度之差≤30℃。

8.2 氧化燒損率

碳鋼≤0.7%；不銹鋼≤0.4%。

經(jīng)過功能考核，爐子指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)值。

圖3 板坯內(nèi)外及首尾溫差示意圖

8.3 單位熱耗

碳鋼1212kJ/kg；

奧氏體不銹鋼：1280kJ/kg。

9 節(jié)能效果

由于采用蓄熱式燃燒技術(shù)，4#爐在相同的產(chǎn)量及相同煤氣熱值條件下，爐子的燃耗由1.295GJ/t降為1.212GJ/t。

燃?xì)夤?jié)約量：

(1.295GJ/t-1.212GJ/t)×140萬t/年

=11.62萬GJ/年

依據(jù)0.03412噸標(biāo)煤/GJ，則年節(jié)約標(biāo)煤：

11.62萬GJ/年×0.03412噸標(biāo)煤/GJ

=0.396萬噸標(biāo)煤/年

10 結(jié)論

太鋼2250mm熱軋廠4#加熱爐目前已投入正常生產(chǎn)，并且各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明，蓄熱式燃燒技術(shù)加脈沖控制在大型不銹鋼板坯加熱爐上應(yīng)用是可行的，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低燃耗、減少污染將發(fā)揮重大作用，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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·業(yè)界動態(tài)·

我國耐高溫耐高壓球體轉(zhuǎn)動接頭研制取得突破性進(jìn)展

2015年6月26日北京市京球節(jié)能新技術(shù)有限公司研制的高溫高壓球體轉(zhuǎn)動接頭進(jìn)行不間斷試驗(yàn),取得了突破性的進(jìn)展。球體轉(zhuǎn)動接頭的核心部位就在于密封圈的使用壽命，目前國內(nèi)生產(chǎn)的球體轉(zhuǎn)動接頭所用密封圈是以聚四氟乙烯為主要基材摻入不同比例的銅粉或碳粉混合而成，而聚四氟乙烯在溫度達(dá)到260℃時(shí)要產(chǎn)生變化、327℃時(shí)要分解，因此它適用于工作溫度為0～220℃之間，之所以廣泛使用聚四氟乙烯作為密封圈的主要基材，是因?yàn)槠渚哂辛己玫乃苄?、耐磨性、潤滑性及?dǎo)熱性。在工作溫度高于220℃、壓力高于2.5Mpa其使用壽命會急劇下降達(dá)不到密封的要求，使密封圈的工作溫度、壓力受到極大的變形限制。所以，目前國內(nèi)在高溫(220-450℃)高壓(4.0-8.2Mpa)領(lǐng)域并沒有適用的產(chǎn)品。而此次研制成功的的新產(chǎn)品，適用于這種高溫高壓環(huán)境的球體轉(zhuǎn)動接頭。

京球公司產(chǎn)品是為出口歐洲市場的工業(yè)爐研制的，公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在預(yù)研下一代適用溫度和壓力更高的球體轉(zhuǎn)動接頭產(chǎn)品，保持國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先地位,擴(kuò)大國際市場份額。

Application of Regenerative Combustion Technique in Walking-beam Furnace of Hot Continuous Rolling

Zhao Yu

(The Engineering Technology Co., Ltd. of TISCO，Taiyuan 030009)

2250mm hot continuouse rolling plant of Taiyuan iron and steel No.4 slab heating furnace using regenerative combustion technology, and fundamentally improve the energy efficiency of the heating furnace, both to reduce the pollutant emissions, and save the energy. In addition, the adoption of regenerative combustion technology, strengthen the circulation of furnace gas in reheating furnace, ensure uniform temperature field of the furnace, improve the quality of billet heating, the effect is very significant.

Regenerative combustion technology DHCR Flame radiation intensity Pulse combustion

趙鈺，女，1963年出生，畢業(yè)于太鋼鋼院，工程師

TG307

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.04.011

2015-03-27)