某鋼廠連續(xù)退火爐燃燒狀態(tài)的診斷及優(yōu)化

戴彩平

(江蘇德龍鎳業(yè)有限公司，江蘇 鹽城 224600)

某鋼廠退火機(jī)組的連續(xù)退火爐(以下簡稱退火爐)，主要用作硅鋼脫碳退火。脫碳退火是取向鋼非常重要的生產(chǎn)工序，脫碳退火過程對以后高斯織構(gòu)的生成，對硅酸鎂玻璃膜的形成都起到關(guān)鍵的作用[1]。

在進(jìn)行某鋼種的生產(chǎn)過程中，退火爐無法使帶鋼加熱到退火工藝要求的峰值溫度。這是由于輻射管加熱段(RTF段)爐溫嚴(yán)重偏低，產(chǎn)品鋼加熱工藝要求在RTF爐段出口側(cè)帶鋼溫度達(dá)到1 120 ℃，而實(shí)際生產(chǎn)中只達(dá)到了1 000 ℃左右，最低時(shí)僅只有800～900 ℃，帶鋼峰值溫度達(dá)不到工藝要求，使得后續(xù)熱處理工藝無法依照產(chǎn)品鋼的退火溫度曲線進(jìn)行，嚴(yán)重影響了該產(chǎn)品鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 輻射管加熱段燃燒狀況診斷

1.1 連續(xù)退火爐工藝概況

連續(xù)退火爐是為了滿足帶鋼退火工藝要求、加快退火生產(chǎn)節(jié)奏而將帶鋼的加熱、均熱、冷卻以及涂層干燥等爐段連接起來，集表面清洗、退火、平整(矯直)、精整等工序于一體，以使帶鋼的脫碳退火等各項(xiàng)熱處理工藝能夠快速連續(xù)進(jìn)行的熱處理爐[2]。帶鋼退火工藝過程在退火爐內(nèi)進(jìn)行，退火工藝是影響帶鋼質(zhì)量及性能的至關(guān)重要原因。該退火爐爐型結(jié)構(gòu)及對應(yīng)爐段的帶鋼熱處理工藝如圖1所示。

圖1 連續(xù)退火爐爐型結(jié)構(gòu)及帶鋼退火過程

由于該產(chǎn)品鋼無法達(dá)到退火工藝要求的峰值溫度，在實(shí)際生產(chǎn)中，只能通過降低帶鋼走板速度來滿足帶鋼的加熱負(fù)荷，帶鋼走板速度由15 m/min降低到10 m/min。這樣就延長了帶鋼加熱時(shí)間，減緩了生產(chǎn)節(jié)奏。但有時(shí)即使延長加熱時(shí)間，增加燒嘴熱負(fù)荷，帶鋼的加熱溫度仍然達(dá)不到工藝要求，這就嚴(yán)重影響了帶鋼的加熱質(zhì)量和產(chǎn)量。針對峰值溫度偏低的現(xiàn)象，需對RTF段供熱系統(tǒng)燃燒狀態(tài)進(jìn)行診斷，找出爐溫偏低的原因。

1.2 供熱系統(tǒng)診斷

RTF段位于NOF段之后，將帶鋼間接加熱至退火峰值溫度。RTF段長為6.4 m，采用鼓抽式自身預(yù)熱輻射管燒嘴加熱，共8支燒嘴分別在爐子兩側(cè)布置。各支燒嘴前設(shè)有空氣、煤氣流量手動調(diào)節(jié)閥，采用焦?fàn)t煤氣為燃料。帶鋼在該段被強(qiáng)化加熱。此段長度較短，熱負(fù)荷較高，其供熱系統(tǒng)工作狀況的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品鋼能否達(dá)到工藝要求的退火過程。

進(jìn)行供熱系統(tǒng)診斷，首先對該段各燒嘴的空煤氣流量和壓力等參數(shù)進(jìn)行測定，以此分析各燒嘴的燃燒狀態(tài)和加熱情況。測量各支燒嘴前的空氣壓力、煤氣壓力和排煙溫度，利用煙氣分析儀在各支輻射管排煙管對煙氣成分進(jìn)行分析，在燒嘴前空氣、煤氣管道測壓孔對燒嘴前空煤氣壓力進(jìn)行測定，并利用K型測溫電偶測量排煙溫度，測定結(jié)果如表1所示。

表1 RTF段燃燒系統(tǒng)測試結(jié)果

通過空煤氣壓力測試，發(fā)現(xiàn)八支燒嘴前的煤氣壓力大小不等，部分燒嘴前的煤氣壓力與其他燒嘴相比都存在較大差異。因每支燒嘴燃料系統(tǒng)的管徑一致，燒嘴型號相同，壓力不等則說明供給各支燒嘴的煤氣流量不相等，使得燒嘴供熱不均。

八支燒嘴煙氣中的氧含量為12%～14%，CO含量為0，這說明各燒嘴的助燃空氣量偏大，同時(shí)各支燒嘴的排煙溫度較高，均在500 ℃以上。多余空氣帶走大量物理熱，造成很大的熱損失。

1.3 測試診斷結(jié)果分析

經(jīng)過對RTF段診斷測試，發(fā)現(xiàn)該段供熱系統(tǒng)存在部分燒嘴前煤氣壓力偏低，燒嘴空煤氣配比不合理等問題。針對這些問題，從燃燒狀況優(yōu)化的角度出發(fā)，制定解決措施。

1)部分燒嘴前煤氣壓力偏低

由于RTF段8支燒嘴的空煤氣管道均是通過主管道直接分送到各支燒嘴，煤氣從大管徑大的主管流到小管徑的支管，壓力損失增大。加上各支燒嘴距離主管道的位置遠(yuǎn)近不同，燒嘴的空煤氣支管的走向和長度又不盡相同，煤氣流至各支燒嘴時(shí)的壓力損失也不同。

燒嘴燃料為焦?fàn)t煤氣，在輸送過程中焦?fàn)t煤氣中的灰塵和有害物質(zhì)(焦油)可能會對管道造成堵塞和損壞，應(yīng)對煤氣輸送管道進(jìn)行檢查。

2)燒嘴空煤氣配比不合理

測試發(fā)現(xiàn)，燒嘴煙氣中氧含量很高，達(dá)到了12%以上。燒嘴燃料為低位熱值1.51×104kJ/m3(標(biāo)準(zhǔn))的焦?fàn)t煤氣。經(jīng)現(xiàn)場取樣，分析煤氣成分，計(jì)算其理論空氣需要量L0為3.653 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn))，理論煙氣量V0為4.406 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn))。煙氣中氧含量較高，說明助燃空氣過量。由于輻射管加熱段各支燒嘴并未安裝空氣、煤氣流量計(jì)量裝置，空煤氣配比只能通過煙氣成分進(jìn)行推算。因煙氣中不含可燃成分，燃料完全燃燒，當(dāng)煙氣中氧含量為12%時(shí)，空氣過剩系數(shù)偏高，助燃空氣量偏大。多余空氣帶走大量的物理熱，降低火焰溫度，燃燒效率偏低，造成很大的熱損失，需進(jìn)行燃燒狀態(tài)優(yōu)化，提高燃燒效率。

2 燃燒狀態(tài)優(yōu)化

2.1 煤氣壓力偏低問題的解決

煤氣上游主管道的壓力一直保持穩(wěn)定，而部分燒嘴存在煤氣壓力偏低的問題，說明煤氣流經(jīng)各支管的壓力損失存在差異。利用廠內(nèi)管道檢修，對RTF段燃燒系統(tǒng)的煤氣管道系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)查。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，部分煤氣管道內(nèi)壁積灰嚴(yán)重，并且煤氣管道上有的控制閥門結(jié)焦。檢查時(shí)從管道法蘭連接開口處流出許多灰塵等物，從管口向管內(nèi)觀察，發(fā)現(xiàn)管壁四周附有非常疏松的厚約0.8 mm的層狀物，輕輕觸動層狀物，即發(fā)生脫落，成為片狀或粉狀。收取管內(nèi)脫落物作化學(xué)分析和電子探針成分分析，煤氣管內(nèi)的沉積物成分主要是硫磺與硫酸鐵形式的沉積物。硫來自煤氣，鐵來自于鋼基。煤氣中的硫沉積在鋼管內(nèi)表面并形成硫磺，還有部分硫在氧的作用下又與鋼基反應(yīng)，形成硫酸鐵。因此，管道腐蝕與煤氣中過高的濃度硫有密切關(guān)系，同時(shí)也可能由于煤氣中混有少量的游離氧，導(dǎo)致硫酸鐵的形成，使鋼管內(nèi)壁腐蝕。

由于煤氣管道粉狀雜物較多，不僅煤氣管道堵塞，燒嘴噴口也可能被雜物堵塞，因此首先對煤氣管道進(jìn)行了清理和吹掃，減少煤氣壓力損失，使燒嘴前的煤氣壓力恢復(fù)正常。同時(shí)將每臺燒嘴拆卸，清理燒嘴煤氣噴頭，以保持燒嘴良好工況。

2.2 燃燒狀態(tài)的調(diào)試

RTF段的各支輻射管燒嘴燃燒狀況較差，空煤氣配比不合理，熱效率偏低。而熱效率與煙氣中的CO、O2、CO2含量以及排煙溫度、供熱負(fù)荷等因素有關(guān)。通過測量煙氣中CO、O2、CO2的含量來調(diào)節(jié)空氣過剩系數(shù)，使燃燒效率達(dá)到最高。在現(xiàn)場調(diào)試過程中，利用煙氣成分分析確定輻射管燒嘴的最佳燃燒效率點(diǎn)，在保證燃料完全燃燒的前提下，使實(shí)際助燃空氣量盡量接近于理論空氣量，減少多余的空氣帶走熱量，改善燒嘴燃燒狀態(tài)。

分別對八支輻射管燒嘴燃燒狀況進(jìn)行調(diào)試。對燒嘴的空煤氣配比進(jìn)行調(diào)整，在保證滿負(fù)荷生產(chǎn)，煤氣總流量為150 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))的前提下，對每支燒嘴的助燃空氣量進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)監(jiān)測煙氣成分，確保煙氣中不含有可燃成分。經(jīng)過多次調(diào)整，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，測得各支燒嘴燃燒狀況如表2所示。

表2 調(diào)節(jié)后各燒嘴測試結(jié)果

通過調(diào)試，RTF段各支燒嘴的燃燒狀況趨于一致，各支燒嘴的嘴前空氣壓力和煤氣壓力基本一致。通過煙氣成分分析發(fā)現(xiàn)，煙氣中的殘氧量降低到1.8%～2.2%。按煙氣中氧含量最高2.2%計(jì)，空氣過剩系數(shù)大幅減小，提高了燒嘴燃燒效率，改善了加熱狀況。

3 調(diào)試結(jié)果驗(yàn)證

為對退火爐燃燒狀態(tài)診斷及調(diào)試后的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了拖偶試驗(yàn)測試帶鋼的溫度變化過程。將直徑2.5 mm，長度65 m的K型鎧裝熱電偶采取特殊方式固定在產(chǎn)品鋼帶上，隨鋼帶進(jìn)入爐內(nèi)進(jìn)行溫度檢測，取得產(chǎn)品鋼退火溫度曲線，如圖2所示。

圖2 拖偶試驗(yàn)溫度曲線

根據(jù)退火工藝需要，在RTF段末端產(chǎn)品鋼需被加熱到峰值溫度1 130 ℃，而拖偶試驗(yàn)測試的帶鋼在RTF段末端最高溫度值達(dá)到了1 113 ℃。由于在測試電偶上加蓋了厚1 mm的保護(hù)鋼片，因保護(hù)鋼片吸熱引起“導(dǎo)熱誤差”，使得熱電偶的測試溫度略微偏低，這并不影響完整數(shù)據(jù)曲線的取得，實(shí)際帶鋼的表面溫度應(yīng)略高于測試溫度。

退火爐RTF段末端安裝了測溫槍，用于測量帶鋼在此點(diǎn)的溫度，測試期間測溫槍記錄帶鋼經(jīng)過此點(diǎn)時(shí)溫度在1 120～1 130 ℃。這與拖偶試驗(yàn)的測量結(jié)果相差極小，這也驗(yàn)證了該處非接觸式紅外測溫儀所測溫度數(shù)據(jù)的可靠性。

4 結(jié) 語

由于退火爐RTF段熱處理峰值溫度偏低，不能滿足產(chǎn)品鋼退火工藝的要求，嚴(yán)重影響了硅鋼廠產(chǎn)品鋼的生產(chǎn)。在解決此問題的過程中，對該段輻射管燒嘴 進(jìn)行了各項(xiàng)參數(shù)的診斷測試和分析，發(fā)現(xiàn)燒嘴存在嚴(yán)重的燃燒狀態(tài)不佳、空煤氣配比不合理等問題。針對這些問題，從燒嘴燃燒機(jī)理、燃燒介質(zhì)特性以及輻射管燒嘴結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行深入研究。經(jīng)燃燒狀態(tài)優(yōu)化，結(jié)果如下：

(1)煤氣管道內(nèi)壁積灰堵塞使得部分燒嘴前煤氣壓力偏低，堵塞現(xiàn)象是由于焦?fàn)t煤氣中的硫化物所引起。這說明焦?fàn)t煤氣的現(xiàn)有用氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不符合退火爐實(shí)際生產(chǎn)條件，應(yīng)著手解決煤氣質(zhì)量問題。同時(shí)應(yīng)強(qiáng)化煤氣管道的維護(hù)清掃，每季度煤氣管道需清理一次，才能保證煤氣管道的疏通和流量孔板的正常。

(2)RTF段輻射管燒嘴燃燒狀態(tài)改善，經(jīng)燃燒狀態(tài)優(yōu)化，降低了空氣過剩系數(shù)，燒嘴煙氣中的氧含量由12%降低到2%，燃燒效率提高。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于漏氣、吸氣以及操作不當(dāng)?shù)仍蛴锌赡苁箍諝膺^剩系數(shù)偏離其合理值，因此必須經(jīng)常對輻射管燒嘴燃燒狀態(tài)進(jìn)行跟蹤。

(3)提高RTF段熱處理溫度，產(chǎn)品鋼在線速度為15 m/min時(shí)，在RTF段末端退火峰值溫度達(dá)到了1 113 ℃，比診斷調(diào)試之前提高了100 ℃，滿足退火工藝需要。