緊湊型蓄熱式加熱爐冷熱混裝時的燃燒控制方法

廖 綱，張建輝，柯 燕，汪文剛

（寶武集團 鄂鋼公司，湖北 鄂州 436000）

鄂鋼棒三車間加熱爐原設計產(chǎn)量130 t/h， 隨著軋線的提速改造，產(chǎn)量日趨提升，軋線已經(jīng)具備185 t/h 的生產(chǎn)能力，因加熱爐的能力不足，經(jīng)常出現(xiàn)待溫的現(xiàn)象。 為了滿足生產(chǎn)，加熱爐強制加熱，有時仍滿足不了軋線要求。同時爐壓升高（高峰時達到80 Pa以上），對加熱爐爐體及設備侵蝕損害較大。 加熱爐的加熱能力必須與軋線的生產(chǎn)能力相配套， 才能將整條生產(chǎn)線的能力發(fā)揮出來。 針對這種情況以及節(jié)能減排的需要， 公司在棒三與轉爐4#連鑄機之間修建了一條長度為640 m的鋼坯紅送輥道，輥道輸送過來的鋼坯入爐溫度在750 ℃以上，這一舉措，基本解決了棒三加熱爐加熱能力不足的問題， 將棒三車間的機時產(chǎn)量提升至190 t/h。 輥道紅送帶來的產(chǎn)能提升、煤氣消耗下降，產(chǎn)生了巨大的效益，但因棒三加熱爐為蓄熱式加熱爐， 在進輥道輸送過來的紅坯或者紅坯與溫坯、紅坯與冷坯混裝時，在燃燒控制上也帶來一些新的問題。

（1）鋼坯紅送時，需要的煤氣量較小，同時棒三車間使用的高焦混合煤氣熱值較高，在小流量時，會出現(xiàn)煙氣溫度較難控制的問題。

（2）鋼坯紅送時，軋線出現(xiàn)故障，大部分蓄熱室會進行雙關，蓄熱室溫度超溫，重新投入后會引起煙道閃爆的問題。

（3）因連鑄機換澆次、軋線故障、軋線換孔換輥、輥道輸送節(jié)奏與入爐節(jié)奏不一致等原因帶來的冷熱坯混裝時的溫度控制問題。

結合蓄熱式加熱爐的特點以及棒三加熱爐的實際操作實踐，本文針對以上問題進行分析，并提出技術解決方案。

1 棒三加熱爐及鋼坯紅送輥道的基本情況

1.1 棒三加熱爐基本情況

棒三加熱爐為上、 下供熱的步進梁式雙蓄熱加熱爐，設計年產(chǎn)量130 t/h。 基本情況見表1。

表1 棒三加熱爐基本情況

爐體共有64個燒嘴，分兩側對稱布置，分為8個燃燒單元，其中加一段2個燃燒單元，加二段、均熱段分別有3個燃燒單元。 燒嘴布置情況見圖1。

圖1 棒三加熱爐蓄熱燒嘴布置示意圖

1.2 棒三加熱爐的特點

1.2.1 爐體結構特點

棒三加熱爐為緊湊型蓄熱式加熱爐， 爐長只有21.5 m，導致蓄熱箱布置密集，爐尾預熱段也布置了3個燃燒單元，供熱負荷較大，溫度梯度不強。加熱爐共8個燃燒單元，分為預熱段（3個燃燒單元）、加熱段（3個燃燒單元）和均熱段（2個燃燒單元）。 預熱段的供熱負荷與加熱段一致，其目的是在爐長較短的情況下，可以有效利用加熱爐長度，在進冷坯時保證加熱能力。 但是當鋼坯紅送時溫度較高 （表面780℃，芯部達到950 ℃），鋼坯在預熱段即使煤氣流量很低時，溫度都會超過1 000 ℃，稍微控制不好就會超過1 050 ℃。 因此在鋼坯紅送時，預熱段3個燃燒單元的蓄熱箱都會雙關。 蓄熱箱雙關是依靠換向閥進行雙關，而換向閥的密封圈做不到零泄漏，加上爐壓為正壓，爐內(nèi)的熱量還是會緩慢沁入蓄熱體，雙關時間超過30 min后，整個蓄熱體就會吸能吸滿，溫度達到950 ℃以上，失去了給煙氣降溫的能力。

1.2.2 加熱爐使用燃料的特點

棒三加熱爐使用的焦高轉混合煤氣熱值高、熱值波動大、爆炸性強。 因為鄂鋼用氣結構原因，棒三車間與棒二車間共用一個混合站， 且棒二棒三車間加熱爐的爐長都較短（棒二爐長24 000 mm）,產(chǎn)量高，為了滿足產(chǎn)量要求，一般使用的煤氣熱值較高。且棒二、棒三共用一個混合站，熱值互相有制約。 在棒三鋼坯輥道紅送時，為了兼顧棒二的生產(chǎn)，沒有大幅度降低煤氣熱值， 而是會繼續(xù)使用1 700×4.16 kJ/m3左右的高熱值煤氣， 導致冷卻蓄熱體的煤氣流量降低， 蓄熱體沒有得到充分的冷卻就要再次排煙吸熱，煙溫不好控制，局部的爐內(nèi)高溫未經(jīng)充分的冷卻排入煙道時，容易引起煙道的閃爆。此時如果再遇到軋線故障，加熱爐不能出鋼，則必須雙關6～7個燃燒單元，只留1～2個燃燒單元，雙關的時間超過30 min以上時，整個蓄熱箱內(nèi)的蓄熱體全部吸能飽滿。如此時投入此單元時， 一側蓄熱箱進氣， 一側蓄熱箱排煙，排煙這側的煙氣經(jīng)過蓄熱箱時，因蓄熱體已經(jīng)有950 ℃以上的溫度，不能吸收煙氣中的熱量，就會導致高溫煙氣直接排入煙管， 同時蓄熱式加熱爐在換向過程中，嘴前管道的煤氣會吸入煙管，高溫煙氣遇到一定濃度的煤氣時，引起煙管的閃爆。

1.3 棒三鋼坯紅送輥道基本情況

連鑄至棒三的熱送輥道輸送線于2020年9月建成投產(chǎn)， 目前棒三加熱爐所用鋼坯主要通過輥道熱送至入爐輥道。 熱送輥道基本情況見表2。

表2 棒三鋼坯紅送輥道基本情況

1.4 輥道紅送與加熱爐的匹配情況

（1）在連鑄機、紅送輥道設備正常運行、軋線連續(xù)生產(chǎn)的情況下， 加熱爐全部進紅送輥道輸送的紅坯，此種情況占整個生產(chǎn)時間的65%。

（2）在正產(chǎn)情況下，2#連鑄機5流的紅坯直接紅送入爐，節(jié)奏與加熱爐基本匹配，偶爾輥道出現(xiàn)故障，需要在紅坯中補入1～30根鋼坯，補入的鋼坯根數(shù)不等，紅坯與冷坯之間不空步。

（3）在連鑄機換澆次或連鑄機故障時，輥道停止鋼坯紅送，進冷坯加熱。

（4）在軋線需要2 h以上的檢修時間，提前1 h停止紅送，開始進冷坯，便于加熱爐保溫時控制爐溫。

2 冷熱混裝時的燃燒控制方法研究

2.1 制定合理的加熱及停軋保溫制度

棒三軋線粗軋電機較小，為了軋制順利，要求的開軋溫度較高， 要求開軋溫度在1 060～1 100 ℃之間，因此加熱爐的加熱溫度較高?？紤]到紅坯與冷坯不同的加熱屬性， 為保證冷坯的加熱能滿足軋制需求， 控制紅坯的氧化燒損， 避免過燒帶來的鋼坯彎曲， 針對160 mm×160 mm×1 200 mm方坯不同的入爐溫度狀態(tài)，制定了合理的加熱制度（見表3）。

表3 棒三加熱爐加熱制度

因輥道紅送的鋼坯芯部溫度高， 入爐后只是進行一個補熱， 所以制定的加熱制度較冷坯時的溫度要低20 ℃。 同時在加熱輥道紅送的鋼坯時，加熱爐溫度達到1 200 ℃，軋線出現(xiàn)故障時，如果降溫不及時，很容易造成鋼坯彎曲，嚴重時無法出爐，需要拆除懸臂輥進行出鋼。所以在冷熱坯混裝過程中，因故停軋保溫時，要迅速地降低爐溫。主要的原因及目的有3個：

（1）在軋線停軋時，加熱爐不能出鋼，鋼坯長期在加熱爐加熱時會彎曲， 尤其是輥道紅送入爐的鋼坯，芯部溫度高，發(fā)生的彎曲風險更大。 因此在軋線停軋后必須及時降低加熱爐的爐內(nèi)溫度， 防止鋼坯燒彎。

（2）軋線停軋時，降低煤氣流量，可以節(jié)約能源消耗。

（3）在軋線故障處理完，看火工接到調(diào)度指令后，迅速提溫恢復生產(chǎn)。

為達到以上目的，結合現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗，制定了棒三加熱爐停軋保溫控制規(guī)范， 詳細停軋保溫方法見表4。

表4 棒三加熱爐停軋保溫控制規(guī)范

2.2 優(yōu)化加熱操作方法

2.2.1 加熱爐加熱過程原理及問題分析

蓄熱式加熱爐的原理是利用蓄熱體對爐內(nèi)的煙氣熱量進行回收，回收的余熱對進入爐內(nèi)的空氣和煤氣進行預熱，一方面節(jié)能，另一方面可以提高加熱爐有限面積內(nèi)的加熱效率。蓄熱室通過三通換向閥進行進氣狀態(tài)和排煙狀態(tài)兩種工作狀態(tài)的切換（見圖2）。

圖2 加熱爐蓄熱箱工作原理示意圖

排煙時，爐內(nèi)的高溫煙氣通過蓄熱室，煙氣中大部分熱量被蓄熱體回收，對蓄熱體進行加熱。經(jīng)過一個換向周期后，換向閥換向，由排煙切換的進氣，冷煤氣或者冷空氣流經(jīng)蓄熱室噴向爐內(nèi)， 冷煤氣或冷空氣流經(jīng)蓄熱體時被蓄熱體進行預熱， 同時帶走蓄熱體的熱量，對蓄熱體進行降溫。

正常情況下，蓄熱室、換向閥按換向周期的時間進行定時的上述動作，達到平衡。 而在紅送時，因為鋼坯的入爐溫度較高，燃燒使用的煤氣量就會降低，極端情況下，紅坯入爐后遇到軋線故障，需要停軋待溫，此時就要關閉大部分蓄熱室，只保留一到兩個蓄熱室燃燒進行保溫， 以免爐溫超過工藝標準或者鋼坯燒彎。 而煤氣流量過低會帶來蓄熱室冷卻不足或冷卻不穩(wěn)定的情況， 因棒三加熱爐使用的煤氣為高焦轉混合煤氣，熱值較高（紅送時需要的煤氣流量一般為7 000～8 000 m3/h，冷坯進爐時煤氣流量一般在20 000 m3/h），此時在排煙時蓄熱體被加熱，而在進氣時，因進氣量小，蓄熱體的熱量沒有被冷煤氣或者冷空氣充分地吸收掉；緊接下一個換向周期排煙時，蓄熱體就不能對高溫煙氣進行充分吸熱， 導致排煙溫度升高，高溫煙氣達到一定溫度時，排入煙管就會引起煙道爆炸。

如果遇到紅坯入爐后， 軋線故障， 需要停軋待溫，并關閉大部分蓄熱室。蓄熱室的關閉是靠兩位三通換向閥進行雙關， 而三通閥的雙關是不可靠的切斷， 即使有密封圈，在排煙側的腔室為負壓時，仍會有少量的煙氣經(jīng)過蓄熱室繼續(xù)往煙道沁入； 同時蓄熱式加熱爐一般為正壓操作， 爐內(nèi)的熱量也會緩慢地沁入雙關的蓄熱室。 當這種雙關狀態(tài)一般持續(xù)20 min以上時， 整個蓄熱室的蓄熱體就會吸能飽滿，蓄熱體溫度會接近爐內(nèi)的高溫煙氣溫度。此時如果需要投入這些雙關的蓄熱室時，排煙這一側的蓄熱室在排煙時已經(jīng)無法吸熱，高溫的煙氣直接排入煙道，引起煙道的爆炸。 因此在鋼坯紅送或者冷熱混裝時，蓄熱室加熱爐煙氣溫度的控制難度就會增大。通過現(xiàn)場的摸索，棒三加熱爐按下列措施進行操作，可以較好地控制煙氣溫度，避免發(fā)生煙道超溫、爆炸事故。

2.2.2 加熱爐加熱操作優(yōu)化

對加熱爐加熱操作進行優(yōu)化， 解決冷熱坯混裝時的燃燒問題，同時借助智能化的燃燒技術，改善加熱質量，操作頻率，提高加熱的安全性和穩(wěn)定性。

首先是控制煤氣熱值。 在進紅坯或者冷熱混裝時，要降低煤氣的熱值。 具備條件時，在完全紅坯入爐或者紅坯量較大時， 要求混合站盡可能地降低煤氣熱值，最好是直接不混入焦氣和轉氣，燒純高爐煤氣，但是因受條件的限制（因混合站還要給其他產(chǎn)線供氣，要避免對其他產(chǎn)線造成影響），棒三加熱爐進冷坯強制加熱時的煤氣熱值由2 000×4.16 kJ/m3降低至1 600×4.16 kJ/m3（高焦煤氣的配比在3∶1左右），保證煤氣的進氣量足以冷卻蓄熱體以及降低煤氣的爆炸極限范圍。

優(yōu)化看火的操作， 確保三通閥的進氣量能達到降溫和預熱的平衡。 棒三加熱爐共8個燃燒單元，在進紅坯或者冷熱混裝時，因使用的煤氣熱值較高、蓄熱箱也比較小（全爐的蓄熱體安裝量為21 m3），進氣量不能滿足8個燃燒單元的冷卻要求，因此需要依據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行開關部分蓄熱室的操作， 同時雙關的蓄熱室在開啟時， 不能直接投入正常的燃燒單元， 仍應先手動對每個蓄熱室進行一定時間的降溫操作后，再投入正常的燃燒換向。

在紅坯進爐量減少時，煤氣進氣量加大，此時需要投入之前雙關的蓄熱室， 雙關后的各蓄熱室投入時，先手動開啟單側的蓄熱箱進行進氣操作，一般進氣操作60 s（60 s的進氣在通常情況下可以將蓄熱體冷卻至正常溫度值），讓冷煤氣或者冷空氣先對蓄熱室內(nèi)的蜂窩體進行冷卻，冷卻后關閉此側蓄熱室；對此蓄熱室對應側的蓄熱室執(zhí)行進氣操作60 s， 對蓄熱室內(nèi)的蜂窩體進行冷卻。 此單元兩側的蓄熱室都冷卻完成后，再開啟此單元的正常換向燃燒。

雙關后的蓄熱室不能在短時間內(nèi)大量的投入，而應該根據(jù)煤氣流量的增加實際情況， 按照以下規(guī)則進行分批投入。 預熱段先投入1#燃燒單元，當煤氣用量＞2 000 m3后再投入2#燃燒單元；在降低爐溫時，當煤氣用量＜2 000 m3時先關閉2#燃燒單元， 當煤氣用量＜1 000 m3時，關閉1#燃燒單元，即預熱段的燃燒單元全部關閉。 加熱段先投入3#燃燒單元，當煤氣用量＞4 000 m3時，投入4#燃燒單元，當煤氣用量≥6 000 m3時，投入5#燃燒單元；降溫時，當煤氣用量＜6 000 m3時，關閉4#燃燒單元，當流量＜4 000 m3時，關閉5#燃燒單元，當流量＜1 000 m3時，關閉3#燃燒單元。 均熱段先投入6#燃燒單元，當煤氣用量＞4 000 m3時，投入7#燃燒單元，當煤氣用量≥6 000 m3時，投入8#燃燒單元；降溫時，當煤氣用量＜6 000 m3時，關閉8#燃燒單元， 當流量＜4 000 m3時， 關閉7#燃燒單元， 當流量＜1 000 m3時，關閉6#燃燒單元。這樣操作的原理是保證進入蓄熱室的煤氣量， 對蓄熱體進行充分的冷卻，避免煙溫超標。

適當增加空煙的排煙溫度，降低煤氣蓄熱室的排煙負荷。 在紅坯進爐量較大時，因煤氣量小，煤氣蓄熱室冷卻不足，此時可以增加空氣側引風機的頻率，調(diào)大空煙調(diào)節(jié)閥的開口度，適當增加空氣側的排煙溫度（正常工藝規(guī)程為150 ℃以下，可以提高至160～170 ℃，以此來降低煤氣側的排煙負荷，控制煤煙排煙溫度）。

2.3 蓄熱體優(yōu)化改進

通過改善蓄熱體的材質，改小蓄熱體的孔徑，增加蓄熱體的蓄熱能力，使煙氣溫度便于控制。棒三加熱爐蓄熱室小，使用的煤氣熱值高，在鋼坯紅送時，煙氣溫度控制難度較大，此種情況下，加強蓄熱室的蓄熱能力就顯得比較重要。首先改善蓄熱體的材質，蓄熱室共8排， 在蓄熱室的前三排安裝高蓄能蓄熱體，后5排安裝鋯剛玉蜂窩體，同時經(jīng)過計算將原蓄熱體的孔徑由4 mm改為3.5 mm，在不影響進氣量的前提下，增加蓄熱室的蓄熱能力。具體的材料成分及外形尺寸要求見表5。

表5 蓄熱體理化指標統(tǒng)計

3 結語

鋼坯冷熱混裝時， 蓄熱式加熱爐燃燒控制的主要難點為：①控制加熱溫度，使得加熱爐溫度始終控制在加熱制度范圍內(nèi)；②紅坯進爐量較大時，低煤氣流量狀態(tài)下，控制好煤煙溫度；③在遇到軋線故障，需要長時間停軋保溫時， 如何在按工藝執(zhí)行降溫操作的同時保證各個蓄熱室在雙關狀態(tài)時的溫度不超標。 棒三車間加熱爐同時實行上面的加熱優(yōu)化操作及技術改進后， 基本可以滿足冷熱坯混裝狀態(tài)的加熱要求，確保了加熱爐的安全生產(chǎn)。