蓄热式步进梁式加热炉的开发和应用

文章编号:1001-6988(2003)0420029205　　　

蓄热式步进梁式加热炉的开发和应用

张文学

(中冶集团马鞍山钢铁设计研究总院,马鞍山243000)

摘　要:介绍了采用高温燃烧技术(HTAC)设计的国内第一座蓄热式步梁式加热炉的开发和应用,分析了该燃烧系统在步进梁式加热炉上的应用效果和关键技术。指出了采用HTAC技术进一步优化蓄热式燃烧系统的设计基本思路。

关键词:高温空气燃烧;步进梁式炉;应用中图分类号:TF066　　　文献标识码:B

DevelopmentandApplicationontheHighTemperature

AirCombustionSystemintheWalking2BeamHeatingFurnaceintheDomestic

ZHANGWen2xue

(MaanshanIronandSteelProjectPlanning&ResearchInstitute,Maanshan243000,China)

Abstract:Thedevelopmentandapplicationonhightemperatureaircombustionsysteminthewalking2beamheatingfurnaceisintroducedinthispaper.Byanalyzingtheapplicationandthekeytechnology,theimprovingde2signideaofhighefficiencyregenerativecombustionsystemisputforward.

Keywords:hightemperatureaircombustion;walking2beamheatingfurnace;application

1　前言

蓄热式高温燃烧技术和传统的燃烧技术相比,

有着无与伦比的优点。因此,当上世纪80年代初期,英国的BritishGas公司和Hotwork公司携手合作开发研制出世界第一台蓄热式燃烧器并把这一成果公布于世后,这一技术便受到各国热工界的青睐和广泛关注。

近十年来,这一技术在国外已广泛应用于推钢式加热炉、大型步进式炉、在线热处理、AOD钢包烘烤炉等各种工业炉窑上。

据国外资料介绍,1998年,英国ROTHERMON

收稿日期:2003-06-10;修回日期:2003-07-20.

),男,教授级高级工程师,国家级有突作者简介:张文学(1943—

出贡献专家,长期从事工业炉设计和研究,获得过国家、部省级科技进步奖8项,获得国家专利10项.

公司成功把该项技术应用于175t/h的步进梁式加热炉上,炉底应力达到1012kg/(m2・h),炉子余热回收率达80%,空气预热温度达1200℃,炉子排烟温度仅为135℃。1996年,日本把该技术应用于230t/h的步进梁加热炉上,炉底应力达920kg/(m2・h),余热回收率达85%。空气预热温度达1100℃,

炉子节能40%左右。

近几年来,尽管我国蓄热式推钢式加热炉已经投产了几十座,但是,截止到2001年3月,我国还没有一座国产的蓄热式步进梁式加热炉问世。

在广钢集团公司的大力支持下,2000年1月25日马钢院和广钢正式签定高线蓄热式步进梁式加热炉设计合同。同年8月,马钢院完成了蓄热式加热炉的全部施工图设计。2001年3月26日开始热负荷试车,3月28日国内第一座蓄热式步进梁式加热炉在广钢一次投产成功。

目前,该炉已运行了二年多。二年多实践表明,炉

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子原设计参数、高温燃烧系统、炉型结构均是合理的,炉子投产当年就实现了月达产,第二年实现了年达产。

二年多来,炉子本体、步进机械、空气、煤气蓄热室、高温燃烧系统均运行良好。炉子产量、炉温、空气、煤气蓄热温度、炉子的排烟温度、钢坯加热质量均达到了设计要求。尤其值得一提的是,蓄热体小球二年未换。

广钢高线蓄热式步进式加热炉以放散的高炉煤气代替重油,不仅解决了高炉煤气的污染问题,并给广钢带来了可观的经济效益。

本文将该炉有关设计参数、技术性能、炉子的运行情况作一介绍,以飨读者。

高炉煤气最大消耗量:3200m3/h

煤气单耗:1254kJ/kg钢坯空气蓄热室数量:12个煤气蓄热室数量:12个步进参数:

上升100mm(以固定底表面为基准)下降100mm(以固定底表面为基准)

步距320mm步进周期36s加热炉横跨:A—B,B—C两跨,出料中心距B柱列13m,与轧制中心重合。

炉底标高:+915mm(滑道顶面)基础坑标高:-4200mm

2　炉子的主要性能参数

炉型:悬臂辊侧进侧出步进梁式加热炉加热坯料规格:150mm×150mm×1000mm加热钢种:普碳钢、优质碳素钢、低合金钢、弹簧钢等

坯料装炉温度:常温

钢坯加热温度:1100℃～1200℃燃料种类:高炉煤气燃料低发热值:3135kJ/m3

加热炉产量:额定80t/h　　最大100t/h炉底机械传动方式:液压传动步进梁根数:4固定梁根数:5

加热炉基本尺寸:炉子有效长度:16980mm,炉内宽10800mm,炉墙厚度1000mm

炉子供热方式:空气、煤气采用蓄热预热,空气、煤气同时换向,炉二侧交替供热

空气预热温度:1000℃煤气预热温度:1000℃

有效炉底强度:436kg/m2・h

炉子排烟温度:150℃左右(换向周期内烟气的平均温度)

排烟方式:机械排烟(四座钢板烟囱)蓄热室换向周期:3～4min换向阀型式:二位五通换向阀换向阀传动方式:气动

蓄热体型式:高铝质Φ16小球30

3　炉子的主要技术特色

(1)加热炉步进机构采用低滚轮高差位的双层框

架结构,这种步进机构的刚度大,运行平稳,检修便利。

(2)钢坯在炉外上料辊道上称重、测长,入炉后,自动完成钢坯定位。

(3)采用蓄热式高温燃烧技术,把助燃空气和高炉煤气分别蓄热预热至1000℃以上。用放散的低热值高炉煤气代替高热值燃料,既节约了能源,又解决了放散的高炉煤气对大气造成的环境污染,同时又大大降低了生产成本。

(4)采用优化设计的整体浇注的复合层炉墙。加强炉子砌体的绝热,减少散热损失。

(5)采用先进、完善的三电一体化自动化控制系统,配备国际上流行的“傻瓜”型操作系统。操作人员可通过键盘或鼠标经上位机人机对话,设定炉子的各项热工参数,计算机根据设定的参数进行自动调节。整个生产过程中将流量、压力、温度参数送上位机处理,并在CRT上显示。

(6)为了减少换向时炉膛压力的波动,采用预开关和自解耦控制。换向系统可实现手动、半自动、全自动控制。装出料端配备有工业电视。

(7)步进机构采用高效液压系统。系统采用比例阀、恒流阀以及配套的行程检测和控制装置。钢坯托起与放下时能做到“轻抬轻放”,以及加速、减速、步进、踏步、抬平等动作。

(8)基于蓄热式加热炉的工艺特点,为了实现炉膛温度精确控制,炉温除采用双交叉限幅燃烧控制

系统外,在加热炉换向期间,采用了间歇控制,在非

换向期间,采用自学习和预测控制。

(9)炉子采用实用、可靠、成熟的集中换向,二段炉温控制。

(10)燃烧装置采用炉墙蓄热室一体化结构,换向阀采用便于管道布置、同步性能优良、寿命特长的二位五通换向阀。

低的高炉煤气加热炉满足了高温加热炉的要求。

步进梁式炉的蓄热式高温燃烧系统由空气蓄热室、煤气蓄热室、蓄热室前管道、二位五通换向阀、鼓风机、引风机、调节阀、排烟管、烟囱组成。广钢蓄热式步进梁式炉高温燃烧系统的配置,见图1。蓄热室和燃烧通道为炉墙一体化结构,全炉为侧墙对称交替供热。

该炉采用集中换向控制,每个控制段的上下6个通道式蓄热烧嘴共用一个烟气—空气五通换向阀和一个烟气—煤气二位五通换向阀。这种结构可以灵活地控制该段热负荷分配。

每个控制段多个烧嘴的同步问题由集中换向的二位五通阀来保证,每个控制段空气、煤气换向的同步问题,由灵活可靠的PLC控制。PLC具有定温换向、定时换向、强迫换向、超温报警、

安全保护等一系列功能。

4　蓄热式高温燃烧系统

众所周知,高温轧钢加热炉以纯高炉煤气为燃

料,空、煤气若不采用工艺性双预热,是不能满足炉子的加热工艺要求的。将助燃空气和高炉煤气预热至1000℃左右(换向周期平均温度),加热炉的炉温可提高到1350℃以上,这样就使辐射传热能力

图1　广钢蓄热式步进梁式炉高温燃烧系统图

4.1　空气煤气蓄热室(1)更换蓄热体非常方便。

(2)避免了因为小球下沉、小球填不满而造成的

在加热炉两侧炉墙上下部各设6个空气蓄热室和6个煤气蓄热室,考虑高炉煤气的安全性,煤气蓄热室若有泄漏便于煤气蓄热室的处理和检修。同时考虑煤气蓄热室施工完工后可以一起打压检查,考虑煤气蓄热室更换和检修小球方便,故本设计把煤气蓄热室设计成独立外置箱式结构,这种结构尽管体积大了点,但和目前流行的嵌入式烧嘴结构相比,它有着无可比拟的优点:

烟气短路(目前国内由此造成停产的炉子屡见不鲜)。

(3)避免了蓄热室高温侧档板这一薄弱环节。广钢和合钢这二座步进炉投产二年的实践表明,以上判断是正确的。

(4)蓄热体的寿命长,完全作到了检修蓄热体和年度检修炉子同步。

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广钢高线在2001年10月和2002年5月在车间停产和停炉时分别将蓄热式小球全部掏出检查,发现仅有极少数小球破裂,不存在粘结现象,使用寿命已经有14个月,蓄热体寿命二年是没有问题的。目前来看,这一点蜂窝体是难以作到的。

对于蓄热式步进梁式加热炉的设计,燃烧系统能否成功很重要的一点就是火焰不能直接冲刷步进梁立柱,而蓄热式烧嘴采用通道式烧嘴结构是解决这一问题的最好结构形式。这种结构从理论来说可以在炉墙的任何部位布置烧嘴,烧嘴能力不受炉子钢结构的限制,这一点其它型式的蓄热式烧嘴结构是无法作到的。

空、煤气蓄热室内,采用高铝质球状蓄热体,对于减少炉压的波动,延长换向阀的使用寿命,作到蓄热室检修和炉子年度检修同步(要避免因为要检修蓄热体而使炉子和轧机停产),提高换向装置的可靠性,降低炉子的造价都是有好处的。

每个空气、煤气蓄热室均设有人孔,可很方便地检查和更换蓄热体。4.2　换向系统炉子采用两对二位五通换向阀,分别完成均热段和加热段的煤气—烟气,空气—烟气的换向。执行机构用压缩空气驱动,工作可靠,寿命长。该换向系统的动作由PLC程序控制实现,具有定温换向、定时换向、强迫换向、超温报警、完全保护等一系列功能。可在2～3s之内完成空气、煤气和烟气的同时换向。

直立式柱塞式换向阀,对于大型加热炉来说,空、煤气管道分层布置,换向动作的同步有它的优势。由于这种阀的特殊结构,决定了它的寿命特别长。同时,即使烟气短路、超温,它的适应性也比较强。4.3　煤气系统

从车间煤气接点接至煤气平台,煤气平台配有两道截止阀,一道快速安全切断阀。煤气经煤气平台、煤气总管、分管送至均热段和加热段的换向阀,再由换向阀后的支管送到各段煤气蓄热室。煤气经蓄热室预热后,送入炉内燃烧。

煤气分管上设置流量孔板、电动调节阀,配合相应空气管道上的流量孔板、电动调节阀,调节各供热段的热负荷和空燃比例。

煤气安全措施:设置了快速切断阀,防止由于停电、操作不当造成煤气或空气低压引起的事故。煤32

气管设置了放散系统,设置了泄爆装置。4.4　助燃空气系统

助燃空气由两台鼓风机提供,风机功率为75kW。从鼓风机出口经空气总管、分管将助燃空气送至均热段和加热段的换向阀,再由换向阀后的支管送到各段空气蓄热室。空气经蓄热室预热后,送入炉内供燃烧之用。

空气分管上设置流量孔板、电动调节阀,配合相应煤气管道上的流量孔板、电动调节阀,调节各供热段的热负荷和空燃比例。4.5　排烟系统

)经各支从蓄热室排出的废气(200℃～150℃

管到各段换向阀,再通过引风机排入烟囱排放。引风机前设有调节阀控制炉压。

由于高炉煤气蓄热式加热炉的工作特点,共设4台引风机和4座烟囱。引风机电机功率为55kW。4.6　旁通系统

为保护煤气蓄热室和换向装置,设有空、煤气旁通系统。4.7　反吹系统

为保护煤气侧引风机,设有空气反吹系统。

5　烘炉、点火燃烧装置

在均热段端部配有8个烧嘴,在炉尾两侧墙配有8个烧嘴供开炉和烘炉之用。

点火烧嘴采用轻油或混合煤气作燃料。当采用轻油作燃料时,其最大用量为500kg/h。当采用混合煤气作燃料时,其最大用量为2500m3/h。

加热炉炉墙、炉顶、炉底工作面采用整体浇注的复合砌体结构。图2示蓄热式步进梁式加热炉炉体结构。

炉顶采用高铝质锚固,整体吊挂的平顶结构。在加热段和均热段之间设一道炉顶隔墙,有利于各段炉温及炉压的控制。炉顶由重质浇注料、轻质浇注料、无石棉硬硅钙板组成,总厚度320mm。

炉墙由重质浇注料、轻质砖、无石棉硬硅钙板组成,总厚度950mm。设置在炉墙内的蓄热室和空、煤气通道在炉墙浇注时成型。

炉底由高强浇注料、轻质砖、绝热砖组成,总厚度500mm。

图2　广钢蓄热式步进梁式加热炉炉体简图

6　结束语

广钢高线国内第一座蓄热式步进梁式加热炉二

年多的运行实践表明,该炉设计参数、高温燃烧系统、炉型结构均是合理的,经生产实践检验,炉子性能完全满足了高速线材轧钢生产的要求。炉子投产当年就实现了月达产,第二年实现了年达产。

广钢高线蓄热式步进梁式加热炉以放散的高炉煤气代替重油,不仅解决了高炉煤气的污染问题,并给广钢带来可观的经济效益。

二年多来,炉子本体、步进机械、空气、煤气蓄热室、高温燃烧系统均运行良好,炉子产量、炉温、空

气、煤气蓄热温度,炉子的排烟温度,钢坯加热质量

均达到了设计要求。尤其值得一提的是,蓄热体小球二年未换。

国内首座燃高炉煤气蓄热式步进梁式加热炉的开发成功,标志着我国在现代化步进梁式加热炉上,采用低热值高炉煤气,采用蓄热式高温燃烧技术等方面的研究开发已处于世界先进行列,标志着蓄热式高温燃烧技术在工业炉窑领域的应用上又上了一个新的台阶。

广钢高线国内第一座蓄热式步进梁式加热炉开发成功,在我国钢铁企业改造和新建的步进式加热炉中,应用蓄热式高温燃烧技术,有着良好的示范作用和很高的推广价值。

(上接第28页)

(2)钢管喷涂内防腐作业生产线中的台车式热

3　研制结论

(1)新型钢管喷涂内防腐作业生产线采用台车

清洁炉和水平链式连续保温及固化处理炉均采用先进的热风循环系统和可靠的电气控制设备,实现炉

内很高的温度均匀性,确保钢管的处理质量。

(3)上述两种钢管加热处理设备具有结构新颖、安装方便等特点,完全可以应用到其它相关产品和工艺的生产中,发挥技术先进、运行可靠的优势。

式热清洁炉进行钢管内壁喷砂处理之前的加热处理,为有效清除钢管表面的黏着物,保证喷涂和固化

质量打下良好的基础。

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