工业炉窑热工环形炉扩容技术的研究与应用毕建波商锦宁任青立( 烟台鲁宝钢管有限责任公司2 6 4 0 0 2 )摘要环形炉扩容技术的研究与应用项目提出了一种环形炉扩容改造方法，可充分乖j 用原有环形炉资源一保持原有内环炉墙、炉项、炉底耐火结构不动，通过分步实施一外环炉墙加大、炉底加固外接、炉项外接等措施，完成加大环形炉中心直径的新方法，具有投资省、工期短、见效快、经济效益显著等特点，对提高环炉加热能力及增加产品规格型号有指导意义，本扩容改造方法已申请两项国家专利。1 前言烟台鲁宝钢管有限责任公司环形炉始建于1 9 8 9 年1 1 月，设计中径1 6 0 0 0 m m ，加热管坯直径m l o o 1 3 0 m m ，管坯长度1 0 0 0 3 0 0 0 m m ，主要生产m 11 4 m m 系列钢管，产量7 1 万吨。通过不断地技术改造，生产钢管的外径由m 1 | 4 r a m 扩大到母2 1 9 m m ，所用的坯料外径也达到* 1 7 8 m m ，为提高管坯加热速度，烟台鲁宝钢管公司环形炉采用了“分区加热等技术”( 本技术已获三项国家专利) ，使钢管的年产量达到2 0 万吨生产能力。但由丁I 加热坯料短等原因，无法使产量迸一步提高，而且使生产钢管规格( 主要是厚壁管) 受限。存在的主要问题：( 1 ) 环形炉加热能力偏小，生产钢管品种少，而且加热较大直径钢坯( 0 1 8 0 m m 以上，长度2 4 0 0 3 0 0 0 m m ) ，加热时间长，待轧时间多( 每班平均达到2 9 分钟) ，严重影响设备日历作业率。( 2 ) 环形炉中径小，钢坯加热长度短，生产的钢管经切头去尾后成材率偏低( 仅为9 0 8 8 ) ；非常规的快速加热，使管坯加热不够均匀和不稳定，影响了产品质量，管坯的综合氧化烧损率偏高( 达到1 9 ) 。( 3 ) 由于生产钢管品种受限，无法满足顾客需要，影响了市场占有率，制约了企业经济效益地进一步提高，成为企业发展的“瓶颈”。为摆脱上述被动局面，研究环形炉的扩容技术，完成对鲁宝公司原有环形炉的扩容，势在必行。2 环形炉扩容技术方案的确定2 1 环形炉扩客的复杂性和难度2 1 1 扩容方法的确定对环形炉扩容有多种方法，一是内外环同时进行扩容，这无疑是新建一座大型环形炉；二是只保留内环炉墙，拆除炉顶、炉底及外环炉墙进行扩容；三是保持内环炉墙、原有炉顶耐火材料、原有炉底耐火材料不动，对原有炉顶及炉底外接，加大外环炉墙直径进行扩容等办法。结合本公司实际，由于生产厂房和设备所限，同时本着充分利用原有设各、缩短工期及节省投资等原则，决定采用第三种办法对环形炉进行扩容；为此，查阅并检索了大量资料，但国内外未见相关报道，因此充分利用环形炉原有资源基础上的扩容是创造性的工作，结合生产实际经验，坚持从实际出发的原则，打破传统思维方式，综合考虑扩容方法，找出问题的关键并进行解决，有效避免潜在的风险。2 ，1 2 扩容主要失效形式分析及解决措施：& 失效形式如果炉底外扩过大，使炉底负荷过分向外集中，导致炉底压偏( 即内环导轨翘起) ，使定心辊失去作用，造成环炉跑偏，最终导致活动炉底与炉墙卡死：另外，热胀冷缩对炉底运行较大影响，当内外环炉底温差过大或炉底温度过高，膨胀热应力较大，同样造成环炉跑偏。 b 解决措旋为解决炉底跑偏的问题，一是必须通过受力分析确定炉底外扩的位置、尺寸及外扩部分的结构形式：二是将内一外环温著控制在允许的范围内，主要通过炉内气体强力扰动、加强炉底绝热、计算机调节等手段达到炉温精确控制的目的。2 2 扩容技术所要达到目标值及扩容方案的确定全国能源与热工2 0 0 6 学术年会( 1 ) 加热管坯的规格：管坯直径由最大9 1 7 8 加大到口2 1 0 ，管坯长度由最大3 0 0 0 m m 加大到最大4 2 0 0 m m 。，( 2 ) 环形炉最大生产能力：由最大4 0 油加大到5 0 t m 。( 3 ) 钢坯加热最大允许温差：士2 0 ( 4 ) 因炉子产量、钢坯直径及单重、生产节奏的频繁变化，要求探索新型热工制度和布料方法，以提高加热质量，防止严重氧化烧损现象发生。根据上述目标值和分析，确定适应与环炉最大产量和坯料规格的环形炉结构及熟工参数的扩容改造方案。结合本公司实际，由于生产厂房和设备所限，本着充分利用原有设备、节约投资、缩短施工周期的原则。通过反复测算，决定保持环炉内环炉墙不动，改变炉子中心直径和外环直径，达到炉底加宽的目的。即需重新计一座满足产量和坯料规格加大要求的环形炉，其关键技术是不破坏原有炉底、炉顶钢结构及耐火结构，利用三角形稳定性原理，对下环钢结构进行加固处理；在上- 下环炉底钢结构外扩完成后，完成炉顶、炉底、炉墙的整体扩容；同时耍对原有炉底机械及装一出料机强度进行校核并做出设计、燃烧系统空一煤气系统设计、热工检测及控制系统设计等。3 扩容方案的实施a 炉底机械钢结构上部扇形段的扩容技术上部扇形段在环炉加大改造过程中必须外接并进行加固而不破坏原结构，簏工时将预制好的上部扇形段钢结构向外连接到设计尺寸并与旧结构进行连接处理。由于下环钢结构的良好支撑，可顺利完成上部钢结构的外扩改造；同时还需将水封刀及耐热边框一并进行安装。b + 炉底机械钢结构下部扇形段的扩容技术下部扇形段是传递动力、承受载荷的主要钢结构部分，本次外扩技术造成炉底各种负荷的加大，导致下部扇形段承受压力及推力均会显著增加，因此，必须对炉底进行加固处理，其外扩容部分制作三角形扇环结构件并固定于下环钢结构上 同时保持外环道轨的位置、托辊的位置、炉底传动减速机的位置不动，只增加托辊数量。c 炉体钢结构的扩容技术以分度圆心角定位分别确定外环炉墙备立柱的位置，同时确定水封刀、永封槽、圈粱、横粱、烧嘴支座、炉皮、炉门的位置，而且由于负荷的加大，托辊及定心辊数量电相应增加等。d 炉底传动方式的扩容技术由于炉底负荷加大和环炉外环直径的加大，为了节省投资，在j i 影响其他设备的整体布局的前提下，设想保留现有炉底4 台机械传动减速机的底座、减速箱等，但需改变销齿轮井需增大传动电机。e 燃烧系统的扩容技术环形炉扩容完成后，小时产量有较大增加，加热工艺全长仍按三段炉温控制，经燃烧和热平衡测算，还须对煤气和空气管网也需要作相应的调整改造。施工过程中注意的问题对原有炉顶的施工必须作好临时性支撑，之后再按顺序完成其它项目的施工，包括设备基础的加大、外环炉墙外扩、托辊数量的增多、炉底上一下部钢结构的加大、炉底传动减速箱的加大、装出料机加大等与扩容有关的改造项目。g 环形炉扩容前、后主要技术指标比较见表l 。表1环形妒扩容前、后主要技术指标比较4 适应环形炉扩容技术的火焰燃烧工艺制 度的确定4 1 降低加热温度当环炉扩容后因为炉膛宽度的加大，当料坯长度L 盈0 0 0 m m 可以实行双排布料等布料方式，料坯跃度L 2 _ 2 0 0 0 m m 实行“品字型”布料；不仅可以实现“节拍生产”的要求，而且可咀降低加热温度，将最高炉温由扩容前的1 3 6 0 下降到1 3 2 0 ，从而可避免氧化铁皮的大量生成、防止氧化铁熔化，同时达到节约煤气降耗的目的。工业炉窑热工4 , 2 确定空气过剩系数炉内气份对氧化烧损的影响发生炉煤气燃烧后，其炉气中作为氧化剂的0 2 、S 0 2 、H 2 0 、c o z 与F e 的反应如下： 2 R ：+ O 一2 F e OF 叶S 0 2 争F c S 峨tF e + H 2 0 F e O + H 2 T F e + c 伤 F e O + C O I发生炉煤气燃烧后，在高温下转化为大量地水蒸汽、二氧化碳及少量的S 0 2 。显然会使F e 与S 0 2 、F e 与H 2 0 ( 汽) 的反应速度大大加快。铁的氧化物会大量而迅速增加。同时S 0 2 会降低F e O 的熔点可显著增加钢的烧损量另外，q 在高温下与F e的反应也非常迅速而彻底。可见，为了减少氧化烧损，必须减少煤炭中的S 及废气中0 2 的含量。所以通过降低空气过剩系数的办法，来减少氧化烧损量是切实可行的。空气过剩系数对钢坯烧损及煤气单耗的影响根据发生炉煤气成分。利用氮平衡法确定空气过剩系数，当残氧量! 1 7 5 时，空气过剩系数可控制在a 1 0 5 以内，从而有效地减少氧化烧损和煤气消耗。实践证明：当残氧量g 8 5 时，就可以实现完全燃烧、钢坯具有较少的氧化烧损、排烟温度降低( 一F 降2 0 0 “ C ) 、炉膛热能利用效率升高的目标。因此采用火焰控制技术，探索或调整工艺制度，来适应环炉扩容后新的热工过程，是大幅度减少氧化烧损、降低吨管煤气消耗的关键所在。5 扩容改造效果“环形炉扩容技术的研究与应用颂日改造完成后，于2 0 0 4 年2 月正式投入运行，经过近两年来考验，环炉机械钢结构各连接件配合紧密，运行平稳可靠：炉体耐火结构平整完好，热工及燃烧系统调节灵活，使用可靠。各项技术指标达到了目标值提出的各项设计要求。6 经济效益计算6 1 直接经济效益采用“一种新型环炉扩容改造方法”充分利用原有设备资源，可节省大量的金属结构件、耐火砖及土建施工费等5 9 3 万元；可节省施工工期约2 0 天，生产无缝钢管1 6 万吨，可带来1 2 8 0 万元的经济效益。扩容前钢管最大年产量2 0 万吨，扩容完成后2 0 0 5 年已达到2 6 万吨，2 0 0 6 年将达到2 8 万吨，具有年产3 0 万吨的能力，优化了产品结构( 生产高附加值的大口径钢管成为可能) 和能源消耗，使成材率达到9 1 5 6 ( 提高0 6 8 ) ，吨管煤气单耗下降1 2 ，仅2 0 0 5 年为企业带来直接经济效益2 1 5 6 万元。6 ，2 社会效益“环形炉扩容技术的研究与应用颂目的顺利实施，具有较大的借鉴意义，对扩大产品规格型号、提高企业生产能力( 满足“节拍生产”) 、降低能源消耗、经济效益显著等特点。7 存在的不足本扩容技术存在的不足之处，是只适用于旧环炉设备的扩容技术改造对新建环形炉可直接进行炉子加宽设计。