中小棒軋線(xiàn)加熱爐關(guān)鍵共性技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張強(qiáng)國(guó) 魏世昭 謝堯奎

(湖南華菱湘鋼有限公司)

隨著近年下游加工市場(chǎng)對(duì)中、小規(guī)格特鋼圓鋼產(chǎn)品要求提高，越來(lái)越趨向產(chǎn)品表面零缺陷、尺寸公差高精度、規(guī)格多元化、成本和工序節(jié)減化、生產(chǎn)智慧化方向發(fā)展。為優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，某廠(chǎng)在預(yù)留地區(qū)新建一條國(guó)際先進(jìn)國(guó)內(nèi)一流的中小棒特鋼生產(chǎn)線(xiàn)，并與上游連鑄車(chē)間直接對(duì)接。車(chē)間主要生產(chǎn)Φ20～90 mm，產(chǎn)量60萬(wàn)t/a的高端圓鋼棒材產(chǎn)品。進(jìn)一步提升了公司棒線(xiàn)產(chǎn)品檔次，使棒線(xiàn)材產(chǎn)品逐步向高技術(shù)、高質(zhì)量、高附加值的方向過(guò)渡，打造國(guó)內(nèi)一流的“精品棒線(xiàn)材生產(chǎn)基地”及中南汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)基地。配套建設(shè) 1 座步進(jìn)梁汽化冷卻加熱爐，根據(jù)不同鋼種的要求，鋼坯在步進(jìn)梁加熱爐內(nèi)加熱至950～1 200 ℃，額定生產(chǎn)能力為合金結(jié)構(gòu)鋼150 t/h(冷坯)，普通軸承鋼120 t/h(冷坯)，滾珠軸承鋼80 t/h(冷坯)。坯料規(guī)格：

連鑄坯：280 mm×280 mm×6 000 mm；150 mm×150 mm×12 000 mm；

軋制坯：150 mm×150 mm×12 000 mm；Φ150 mm×12 000 mm。

煤氣種類(lèi)：轉(zhuǎn)爐煤氣，熱值5 700 kJ/m3。

1 中小棒加熱爐的工藝特點(diǎn)

1.1 大斷面坯料的加熱特點(diǎn)

對(duì)于大斷面坯料，由于透熱速率小，加熱時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)加熱質(zhì)量要求也更嚴(yán)格，因此要選擇合適的爐型來(lái)保證坯料的加熱質(zhì)量。對(duì)大斷面坯料，加熱段要求配備有足夠的供熱量，以滿(mǎn)足坯料加熱初期的升溫要求，同時(shí)要求有足夠長(zhǎng)的均熱段，以保證加熱質(zhì)量要求。但對(duì)于低熱值燃料，要保證爐溫和加熱質(zhì)量，預(yù)熱段不能過(guò)長(zhǎng)，否則影響坯料的加熱。

1.2 軸承鋼的加熱特點(diǎn)

在爐長(zhǎng)一定的情況下，要盡可能快地將坯料升溫至1 000 ℃以上，使得坯料能夠在高溫狀態(tài)下有足夠的在爐時(shí)間進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散。因此，在加熱段要配有足夠的供熱量，并留有足夠的富裕能力；均熱段的供熱負(fù)荷要具有較大的調(diào)節(jié)能力，當(dāng)生產(chǎn)軸承鋼時(shí)，均熱段在較低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，以適應(yīng)軸承鋼的加熱特點(diǎn)。

1.3 合金鋼的加熱特點(diǎn)

合金鋼有嚴(yán)格的入爐溫度要求，在爐時(shí)間長(zhǎng)，要求入爐溫度低。因此，加熱段的供熱負(fù)荷要具有較大的調(diào)節(jié)能力；當(dāng)生產(chǎn)這類(lèi)鋼種時(shí)，一加熱段低負(fù)荷運(yùn)行。同時(shí)二加和均熱段配有足夠的供熱量(足夠的長(zhǎng)度)，能滿(mǎn)足合金工具鋼在均熱段快速達(dá)到出爐溫度的工藝要求，即實(shí)現(xiàn)以爐頭燒鋼為主的靈活的加熱制度。

其它鋼種的加熱制度，可通過(guò)調(diào)節(jié)爐溫，完全能夠滿(mǎn)足加熱要求。為此，加熱爐設(shè)置了7個(gè)溫度區(qū)，即預(yù)熱段(不供熱)、一加熱段上、一加熱段下、二加熱段上、二加熱段下、均熱段上、均熱段下，以適應(yīng)不同鋼種的加熱需求。各段之間的爐頂及爐底設(shè)置了隔墻，以便更好地控制出爐坯料溫度滿(mǎn)足工藝要求。加熱段全部采用側(cè)加熱低NOx無(wú)焰燒嘴，均熱段上采用低NOx平焰燒嘴，均熱段下采用低NOx無(wú)焰端燒嘴。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于保證加熱質(zhì)量的同時(shí)，還具有較大的操作靈活性。

2 幾項(xiàng)關(guān)鍵共性技術(shù)的提出

2.1 低熱值轉(zhuǎn)爐煤氣在常規(guī)加熱爐上的應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐煤氣是轉(zhuǎn)爐煉鋼的副產(chǎn)品，每噸鋼能回收約70～130 m3，熱值為5 000 ～9 000 kJ/m3。轉(zhuǎn)爐煤氣熱值低，不能單獨(dú)用作加熱爐的燃料。為了實(shí)現(xiàn)公司焦?fàn)t煤氣緊缺情況下的煤氣平衡，擬采用轉(zhuǎn)爐煤氣作為加熱爐燃料。為了使?fàn)t溫達(dá)到1 250 ℃以上，采取如下技術(shù)手段：

(1)保證轉(zhuǎn)爐煤氣熱值大于5 500 kJ/m3。湘鋼共有3個(gè)煉鋼廠(chǎng)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐煤氣通過(guò)OG系統(tǒng)除塵后輸送到2個(gè)5萬(wàn)m3和1個(gè)8萬(wàn)m3的轉(zhuǎn)爐煤氣柜內(nèi)貯存。煉鋼廠(chǎng)的轉(zhuǎn)爐煤氣回收量平均為125 m3/h，平均熱值5 800 kJ/m3。但是轉(zhuǎn)爐煤氣的熱值在整個(gè)回收過(guò)程中變化較大，在吹氧初期，轉(zhuǎn)爐煤氣中CO含量高，熱值高；在吹氧末期，轉(zhuǎn)爐煤氣中CO含量低，熱值低。為了盡可能的保證轉(zhuǎn)爐煤氣熱值不低于5 500 kJ/m3，在3個(gè)轉(zhuǎn)爐煤氣柜前和柜后設(shè)置連通管，保證轉(zhuǎn)爐煤氣混勻。

(2)煤氣和空氣實(shí)現(xiàn)雙預(yù)熱。常規(guī)加熱爐采用轉(zhuǎn)爐煤氣為燃料，理論燃燒溫度低，不能滿(mǎn)足鋼坯加熱溫度要求，因此煤氣和空氣雙預(yù)熱，提高理論燃燒溫度，改善燃燒過(guò)程，實(shí)現(xiàn)低熱值煤氣在常規(guī)中小棒軋鋼加熱爐上的應(yīng)用。當(dāng)空氣預(yù)熱溫度400 ℃，煤氣預(yù)熱溫度200 ℃，煤氣熱值5 500 kJ/m3時(shí)，爐膛溫度可達(dá)1 359 ℃，能滿(mǎn)足鋼坯加熱溫度要求。煤氣熱值、煤氣預(yù)熱溫度與燃燒溫度的關(guān)系見(jiàn)表1。

2.2 煙氣的余熱極限回收

采用空氣、煤氣雙預(yù)熱，不僅實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱的有效利用，節(jié)約燃料消耗，同時(shí)提高了理論燃燒溫度，改善了燃燒過(guò)程，使低熱值轉(zhuǎn)爐煤氣的著火更可靠。

在煤氣預(yù)熱器后增設(shè)蒸汽過(guò)熱器，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的極限利用，提高蒸汽品質(zhì)，減少蒸汽輸送過(guò)程中的冷凝損失。過(guò)熱蒸汽并入蒸汽主干網(wǎng)上，送公司余熱電站發(fā)電。平均噸鋼蒸汽回收量約50 kg，噸鋼發(fā)電8 kWh，增加效益4元/t。

表1 煤氣熱值、煤氣預(yù)熱溫度與燃料溫度的關(guān)系

2.3 優(yōu)化水梁設(shè)計(jì)，降低管底比

加熱爐水梁設(shè)計(jì)是改善加熱質(zhì)量，降低梁熱損失的關(guān)鍵。除了采用常規(guī)的錯(cuò)位梁設(shè)計(jì)理念外，采用大錯(cuò)位設(shè)計(jì)，從原來(lái)的錯(cuò)位量200 mm增加到300 mm，基本消除水梁遮蔽效應(yīng)造成的水梁黑印；根據(jù)坯料規(guī)格情況，創(chuàng)造性采用了一種新型的水梁布置型式，大大節(jié)省了投資，降低了管底比，減少了水梁散熱損失。采用優(yōu)化后的水梁設(shè)計(jì)方案后，水梁重量減輕14%，減少了水梁、墊塊、澆注料及施工費(fèi)用；鋼坯水梁黑印減輕，加熱質(zhì)量明顯改善；冷卻水帶走的熱量減少，爐子熱效率提高1%。原設(shè)計(jì)水梁與改進(jìn)設(shè)計(jì)水梁如圖1和圖2所示。

圖1 原水梁

圖2 改進(jìn)型水梁

2.4 高溫段水梁墊塊采用金屬玻璃墊塊

傳統(tǒng)的水梁墊塊材質(zhì)一般選用Cr25Ni20、Co20和Co50(或Co40)，熔點(diǎn)在1 380～1 420 ℃，室溫到熔點(diǎn)金相組織均為奧氏體，而奧氏體組織在壓應(yīng)力下會(huì)產(chǎn)生塑性變形。在1 300～1 420 ℃高溫氣氛中，墊塊承壓強(qiáng)度迅速下降，由于鋼坯不是直的，只有部分墊塊或墊塊局部承壓，所以表面被鋼坯壓出凹坑，棱角被壓變形等。而墊塊表面一旦有凹坑出現(xiàn)，來(lái)自鋼坯的氧化鐵皮迅速在凹坑中聚集并長(zhǎng)大，氧化鐵皮的硬度超過(guò)紅鋼坯硬度，會(huì)在鋼坯下表面頂出凹坑。

對(duì)取下的瘤狀物化驗(yàn)分析，氧化物以層疊狀壓在一起，冷態(tài)下質(zhì)地較硬，不同層主要元素都是氧和鐵，但其他成分略有不同，可以判斷出瘤狀物為氧化鐵皮積累所成，并非短時(shí)間內(nèi)突然形成。氧化鐵皮與墊塊上的結(jié)瘤物化學(xué)成分(原子百分?jǐn)?shù))為O∶Cr∶Mn∶Fe=56.24%∶0.78%∶3.17%∶39.81%。結(jié)瘤物中含有Cr、Mn等元素，含有鉻、錳等元素的鋼加熱溫度較高，而Co50和Co40的熔點(diǎn)為1 380～1 420 ℃，超過(guò)這個(gè)溫度范圍，氧化鐵皮在墊塊表面容易粘連，這也顯示了爐膛溫度越高墊塊結(jié)瘤越明顯。

高溫金屬玻璃材質(zhì)熔點(diǎn)達(dá)1 750 ℃，由于玻璃結(jié)構(gòu)的材料在熔點(diǎn)前基本沒(méi)有塑性變形，且抗氧化性能極限使用溫度為1 500 ℃，最大承壓能力是傳統(tǒng)鈷合金的4.5倍，因此金屬玻璃墊塊有更好的高溫使用性能。爐溫在1 500 ℃以下，墊塊不會(huì)損壞，表面不會(huì)被高溫熔化，不會(huì)形成表面結(jié)瘤。

采用金屬玻璃墊塊可以增加墊塊高度，改善鋼坯下表面加熱條件，提高加熱質(zhì)量；可以提高墊塊使用壽命，延長(zhǎng)加熱爐檢修周期，提高爐子作業(yè)率；可以適應(yīng)更高的爐膛溫度，特別在不銹鋼、硅鋼、大方坯、特厚板坯等加熱爐上有更好的性?xún)r(jià)比。

2.5 水梁澆注施工的改進(jìn)

加熱爐水梁遮蔽效應(yīng)對(duì)鋼坯水梁黑印有較大的影響。傳統(tǒng)的水梁絕熱采用雙層包扎模式，一般內(nèi)層采用32 mm厚的纖維毯壓縮成20 mm厚包扎，外層搗打50～60 mm厚澆注料。水梁上面采用圓弧過(guò)渡，如圖3右側(cè)水梁所示。

圖3 加熱爐水梁澆注

圓弧過(guò)渡的澆注料頂面易堆積氧化鐵皮，堆積過(guò)高后氧化鐵皮被鋼坯壓入澆注料內(nèi)，損壞澆注料層。同時(shí)圓弧過(guò)渡的澆注型式增大遮蔽角，減弱水梁接觸部位輻射傳熱，水梁黑印加重。

為了減輕遮蔽角過(guò)大對(duì)鋼坯加熱過(guò)程中水梁黑印的影響，對(duì)水梁澆注施工進(jìn)行改進(jìn)。水梁頂面采用大斜面設(shè)計(jì)，大傾角的水梁澆注斜面設(shè)計(jì)不僅減小了遮蔽角，同時(shí)使氧化鐵皮無(wú)法停留在水梁澆注料上表面，保護(hù)水梁不受氧化鐵皮侵蝕和損壞，減輕了遮蔽效應(yīng)對(duì)鋼坯下表面加熱質(zhì)量的影響。大斜面澆注料設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4所示。

3 效益及效果

3.1 節(jié)能

由于加熱爐采用低管底比、大錯(cuò)位的水梁設(shè)計(jì)方案，煤氣、空氣、蒸汽三預(yù)熱實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的極限回收，加熱爐雖采用低熱值的轉(zhuǎn)爐煤氣做燃料，但爐子熱耗比同爐型采用高熱值的混合煤氣加熱爐還低，冷坯時(shí)單耗達(dá)1.08 GJ/t，爐子熱效率70%；蒸汽回收率50 kg/t；軋制工序能耗35 kgce/t。

圖4 大斜面澆注料設(shè)計(jì)

3.2 改善質(zhì)量

低管底比、大錯(cuò)位梁設(shè)計(jì)以及大斜面澆注料面設(shè)計(jì)，改善了水冷黑印，鋼坯溫度均勻性大幅提高，軋制過(guò)程中軋制力平穩(wěn)。

3.3 節(jié)省投資

在保證工藝要求、設(shè)備功能和安全運(yùn)行的條件下，降低管底比，有利于改善質(zhì)量、降低能耗，節(jié)省投資。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著碳達(dá)峰、碳中和寫(xiě)入中國(guó)政府工作報(bào)告，鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排將再次掀起一個(gè)新高潮。加熱爐做為軋線(xiàn)的一個(gè)主要耗能設(shè)備，理應(yīng)在節(jié)能減排中做出更大的貢獻(xiàn)。新材料、新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備等四新技術(shù)應(yīng)充分而廣泛地應(yīng)用在加熱爐的新建、大修和日常的管理中。采用新型耐熱墊塊、改進(jìn)型的水梁設(shè)計(jì)、低熱值燃料的直接利用、煙氣余熱的極限回收等技術(shù)應(yīng)用，改進(jìn)了加熱質(zhì)量、降低煤氣單耗、延長(zhǎng)了加熱爐檢修周期和提高了加熱爐作業(yè)率，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯，值得廣泛推廣應(yīng)用。