国内外加热炉介绍和加热技术研究情况 1 前言 近年来 冶金 机械 石油 化工等行业越来越重视加热炉生产 对炉子设备 控制技术 燃烧技术 加热工艺 加热质量 节能环保以及炉区生产组织等多方面进行了深入研究和推广应用 取得了很好的经济效益和社会效益 加热炉设备研究 1 3 3 2 加热数学模型及控制研究 燃烧技术的研究 主要内容 4 加热工艺及质量控制研究 主要内容 炉子生产组织 炉子节能和环保 6 5 7 5 1 加热炉设备研究 1 1炉型种类 6 1 加热炉设备研究 1 2钢坯加热炉 蓄热式加热炉 常规式加热炉 步进梁式预热炉 钢坯加热炉 组合式加热炉 1 2 1步进梁式预热炉 5 1 加热炉设备研究 用途 利用了高炉煤气热值较低的特点 在钢坯低温的升温阶段能准确控制钢坯的升温速度 充分保证了不锈钢等特殊钢钢坯的低温加热要求热送热装料的缓冲地带 6 1 2 2常规式加热炉 1 加热炉设备研究 1 加热炉设备研究 1 2 3蓄热式加热炉 1 2 4蓄热式加热炉的分类 按预热方式 单预热 双预热 高热值燃料 低热值燃料 1 加热炉设备研究 按结构型式 1 2 4蓄热式加热炉的分类 蓄热体外置箱式结构 蓄热体内置坑道结构 蓄热烧嘴结构 采用分散换向时 换向阀的数量不宜太多 不要布置在高温区域 尤其是炉顶 否则使用过程中换向阀的维护工作量太大 建议一个换向阀控制4个烧嘴 加热工艺要求比较高的炉子 建议采用烧嘴式 1 加热炉设备研究 1 加热炉设备研究 1 2 5组合式加热炉 蓄热式燃烧 常规燃烧 组合式加热炉 高热值煤气用量不足而低热值煤气过剩 炉尾 炉头 1 加热炉设备研究 1 3加热炉设计需考虑的几个问题 1 钢坯加热 黑印 问题 错位梁 直线梁温差40 50 错位梁温差降低15 20 全热滑道 高度80mm 100mm 旋转式步进梁 底 组合式结构 预热段和加热段 梁式结构 均热段或高温段 底式结构 棒线材生产线 1 加热炉设备研究 1 3加热炉设计需考虑的几个问题 2 水梁支承立柱的稳定性 水梁立柱 纵向 横向 桁架结构 各自独立 稳定性 冷却形式 1 加热炉设备研究 1 3加热炉设计需考虑的几个问题 3 水冷系统 出水温度 45 进出水温度差 T 15 维修次数多 一般规则 一次投资高 开路循环 闭路循环 水质要求高 冷水冷却 热水冷却 汽化冷却 水质要求高需水处理 小型炉子 1 加热炉设备研究 3 滑道 垫块 1 3加热炉设计需考虑的几个问题 冷滑轨 半热滑轨 热滑轨 滑轨 顶部温度 常用 垫块 矩型 梯形 截面形状 优先 4 1 加热炉设备研究 1 3加热炉设计需考虑的几个问题 4 滑 垫 块的高度 高度太低 黑印削除难 顶部温度太高 材质要求高 端面开裂和塌腰 国内 80 120mm国外 150mm 高度太高 1 4炉子设备运行和维护 1 加热炉设备研究 1 水冷梁柱包扎 主要问题 工作条件非常差 长期受机械震动 承重运动 温度梯度大 高温及急冷急热 容易出现开裂 剥落等现象 水冷梁柱外层耐火浇注料厚度较薄 外形不规则 施工难度大 质量不易保证 3个月 2年不等 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 包扎料易损机理 1 耐火材料性能 例如抗折强度和热震稳定性 不理想 2 锚固钩设计不合理 如有的采用 L 型锚固钩 或锚固钩太长 3 锚固件焊接质量较差 不够牢固或长度 密度 形状不符合要求 4 纤维毯没压实或铁兹没有缠紧 露在纤维毯外的锚固件较短 5 施工时模具支设不牢固 浇注体发生偏心 6 筋管浇注料修补时 筋管表面清理不于净 7 检修工期紧 烘炉没有严格指定曲线进行 8 生产初期生产强度过大 9 生产厂追求产量 加热炉超负荷运行 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 改进措施 1 模具的制作与支设 2 施工前的确认 依照浇注体形状制作好异型钢模具模具支设定位准确 牢固可靠模具支设和拆除应简便模具应具有通用性和耐用性 待修部位 锚固件焊接 杂物 图纸要求 浇注料等等 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 3 精细化施工 炉筋管锚固件焊接验收 焊接牢固 有效长度 焊接数量 通水试漏 刷沥青漆纤维毯包扎工艺 纤维毯不松动 露出纤维毯锚固件的长度是否符合要求自流浇注料施工工艺 减少胀缝板数量 将胀缝均设在三通处 立柱在三通下设一个 水梁在三通两边各设一个 局部修补时胀缝设于新旧料结合处 烘炉 严格按照耐材厂家提供的烘炉曲线生产 初期生产强度不宜过大 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 2 水梁滑 垫 块 材质研究和使用 预热段 炉温较低 钴基合金 Co20 Co40 Co50 使用寿命 效果 成本 加热段均热段 炉温较高 铬 镍合金 ZGCr25Ni20 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 在焊接时从梁中间向两端施焊 以达到减少变形的目的 水梁弯曲变形 垫块焊接后 造成水梁较大弯曲变形 现象 措施 原因 耐热垫块集中在水梁一侧焊接 水梁开裂 现象 措施 原因 加热段和预热段交界管段 两滑块之间处于或靠近滑块端部 呈母指状 几乎对称于滑块而展开的裂纹 温度较高且温差也较大耐热滑块的热膨胀系数远大于管子 炉温变化幅度稍大而相对较频繁 采用骑卡件形式 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 黑印 严重 现象 措施 原因 钢坯接触滑块部位较其它地方形成明显的存在局部低温区 滑轨大多采用实体结构 合金滑块直接焊于炉筋管上滑块没有任何阻热措施 高度低矮 被水管冷却速度快滑块的排列方式不合理 加热效率低 尽可能增加滑块的高度滑块由单列密排改为双列大间距错位排列使用新型耐热滑块 1 4炉子设备运行和维护 1 加热炉设备研究 水梁漏水 现象 原因 加热炉活动梁高温段 多出现于双立柱活动梁两侧 高温段中间活动梁的标高存在较大误差 10mm 距焊缝边缘5rnm左右的水梁母材因疲劳产生裂纹 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 钴合金垫块裂纹 现象 措施 原因 固定梁和活动梁末端垫块出现裂纹 裂纹发生在末端1 3位置 从垫块顶部直达焊缝 裂纹最宽处达4mm 坯料摆放在垫块的末端 垫块受纵向力 坯料静载荷和活动梁托起 放下坯料时动载荷 该力对活动梁和固定梁垫块的频繁的冲击 产生疲劳裂纹 并发生扩展 调整装出钢位或步距减少坯料与垫块的接触速度提高垫块的强度对原垫块的尺寸进行修改 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 3 新型耐热滑块 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 3 新型耐热滑块 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 4 水冷滑道 块 结瘤 钢坯划伤 滑轨结瘤 产品结疤 瘤A 如枣核状相连 硬而脆 中心有柔而软的铁芯 较松散 与滑轨粘着力较差 部分还原成铁 瘤B 象滴的烛泪 光滑坚硬 牢牢地焊接在滑轨上 较坚实 完全还原成铁 原因 氧化铁和滑块之间不具亲合性 但炉内一旦呈还原性气氛时氧化铁便在高温下还原成铁 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 5 燃烧器 燃烧器 平焰烧嘴 调焰烧嘴 低NOX烧嘴 蓄热式烧嘴 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 5 蓄热体损坏 陶瓷小球 蜂窝体 应用较多 蓄热体 蜂窝孔堵塞 蜂窝蓄热体粘渣 孔壁熔蚀 通孔破裂 蜂窝蓄热体崩塌 蓄热体错位等 现象 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 6 水封槽内刮渣板变形损坏 现象 措施 原因 刮渣板机构使用变形而将水封槽本体刮漏 设计不合理 结构本体存在弱点 槽内杂物使刮渣板变形 冷却不到受热变形 操作维护不规范使用寿命降低 加热检查维护 保证冷却效果 调整水封槽低水位报警点 放水前炉温要降到规定温度 防止异物落入 对刮渣板结构进行优化设计 如直角改为钝角等 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 7 加热炉炉膛爆燃 爆燃的原因 炉膛内或烟道内有一定浓度的可燃物和助燃空气积存 积存的燃料和空气混合物具有易爆性 具有足够的点火能源 例如炉内有明火 危险工况 燃料 空气突然中断 造成炉膛内瞬时失去火焰 在多个烧嘴正常运行时 一个或者几个烧嘴突然失去火焰 整个炉膛熄火 而后再次点火 点火烘炉初期 原则性防止措施 点火源要有足够的能量 尽量缩短未点燃的燃料进入炉膛的时间 量 对已进入炉膛的未燃的可燃混合物 要尽快给予放散 1 加热炉设备研究 1 4炉子设备运行和维护 7 其它技术 红外无损探测技术应用在加热炉的点检维护作业中 加热炉水梁 立柱采用加热保温状态下的焊接工艺施工 如 马钢 使用多阀板转动的 百叶窗 形式烟道闸板 使炉压调节更灵活 更精确 如 山东莱芜 通过在换热器后 烟道内 排烟管以及炉子各段测试烟气中NOX的含量来判定炉温均匀性等 2 加热数学模型及控制研究 数模控制策略 数模研究内容 数模建立方式 零维模型 一维模型 二维模型 三维模型 1 以炉内传热机理数学模型为基础的离线分析 2 以简化的炉内传热数学模型为基础 其最终目标是实现炉内的优化加热控制 燃烧模型 炉内气体流动模型 炉内传热模型 钢坯加热模型等 研究模型 基于钢种 钢质 规格 长度 和轧制规格变化的加热制度 3 燃烧技术的研究 3 1传统燃烧技术 燃料与氧化剂混合阶段 混合后的燃料和氧化剂加热并着火阶段 完成燃烧化学反应阶段 第一阶段 第二阶段 第三阶段 空燃混合情况 扩散燃烧 紊流燃烧 流动形态 层流燃烧 预混燃烧 3 燃烧技术的研究 3 2高温低氧空气燃烧技术 HTAC 1 优点 蓄热燃烧技术把高炉煤气用于轧钢加热炉提高了燃料的燃烧温度实现废气的低NOX和低温排放 3 2高温低氧空气燃烧技术 HTAC 3 燃烧技术的研究 2 存在问题 排烟温度 节能效率 文献讲述高达40 70 实际比具有换热装置的常规炉高15 30 炉压和炉温 使用寿命维护费用 电耗煤气损失 安装引风机增加耗 煤气阀门关闭不严 换向过程会造成约2 5 比例的煤气损失 炉膛温度较均匀 但频繁换向也造成炉温和炉压波动 甚至炉压偏高 蓄热体堵塞 破损严重 维护成本高 小球1年 蜂窝体6 12月 排烟温度过低 烟气中SO2与水结合 造成管道的酸腐蚀 另一方面造成尾部排烟流量增加 发挥不出蓄热系统的作用 3 燃烧技术的研究 3 2高温低氧空气燃烧技术 HTAC 蓄热式与传统加热炉的对比 1 加热能力比较 对常温钢坯两类炉子的炉低强度并无多大区别 蓄热式加热炉热装加热能力较大 传统加热炉上 下炉膛热负荷易于调节 炉况调节响应快 烧嘴调节比大 预热段的预热作用发挥较好 对于升温速度要求高的钢坯 加热质量要更有保证 2 加热质量对比 3 燃烧技术的研究 3 加热炉的热效率比较 3 2高温低氧空气燃烧技术 HTAC 4 运行成本与造价 3 燃烧技术的研究 3 3富氧燃烧技术 指供给燃烧用的气体中氧气的体积分数 21 时的燃烧 1 定义 2 富氧对燃烧技术的影响 大大减少燃烧产物生成量 从而提高燃烧温度 由于氧含量增加 加热剧燃烧反应 提高了燃烧速度 降低燃料燃点 有助于燃料燃烧提高火焰强度 燃烧产物的辐射能力提高 加强了加热炉传热 燃料燃烧火焰变短 可能造成炉内局部温度高而烧坏钢坯 3 燃烧技术的研究 3 3富氧燃烧技术 3 对加热炉生产影响 富氧率对产量的影响 富氧率对能耗的影响 富氧率对成本的影响 3 燃烧技术的研究 3 4脉冲燃烧技术 通过控制烧嘴的燃烧时间 来调节供入炉膛的煤气量 实现炉膛温度的控制 1 定义 将流量调节改为时间调节 不再改变燃料和助燃空气的流量 而是改变燃烧的时间 旨在采用数字量控制 从本质上改进加热控制模式 2 基本思路 3 技术特点 减少了因频繁换向造成的管路煤气损失 大大降低能耗 通过对烧嘴工作状态的组合 有利于炉内温度控制 提高炉内温度均匀性 助燃空气与燃料流量成固定的比例 可实现燃烧气氛的精确控制 通过调整两种状态的时间比进行温度调节 低温控制时仍能保证烧嘴在最佳燃烧状态 系统简单可靠 故障率低 设备造价低 炉前空气和煤气管网压力波动较大 44 1 研究背景 目的和意义 4 1加热工艺