冷軋連續退火機組中輻射管加熱爐設計與調試探討

摘 要:本文以理論與實踐為基礎，介紹了用于冷軋連續退火機組輻射管加熱爐的設計，詳細闡述了輻射管燒嘴的設計特點，燒嘴的燃燒調整等。并且還簡要介紹了現在最新冷軋加熱爐的最新技術。

關鍵詞:輻射管加熱爐燒嘴燒嘴調整

中圖分類號:TG307文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0117-04

The Heating Furnace Design and Commissioning In Cold Rolling Continuous Annealing Line

Yu Hai

(WISDRI (Wuhan) WIS Industrial Furnace Co.，Ltd.)

Abstract:On the base of theories and practical experience，this article introduce the design about the radiant tube heating furnace applying to cold rolling continuous annealing line，and state in details the design feature of radiant tube burner，adjustment for the burners and so on. In addition，some new technology for cold rolling heating furnace was introduced briefly in this text.

Keywords:radiant tube heating furnace，burner，adjustment burner

1 前言

冷軋寬帶鋼連續退火爐主要用于軋后帶鋼的再結晶退火，以消除冷加工硬化。而連續退火爐中的加熱爐設計的合理性及調試的好壞，直接影響到以后機組的正常穩定運行。

常熟華冶熱鍍鋅連續退火爐是我公司對熱鍍鋅連續退火爐進行從設計、施工到調試的“交鑰匙”工程，本文首先以它為藍本詳細闡述華冶熱鍍鋅輻射管加熱爐的設計、燒嘴調試，最后將對現在最新的加熱爐所采用的技術進行介紹。

2 輻射管加熱爐的設計

2.1 加熱爐的目的及加熱技術的采用

在冷軋鋼帶的生產中，經過冷變形后的鋼帶要在加熱爐中被加熱到再結晶溫度以上，使形變晶粒重新轉變為均勻的等軸晶粒，以消除冷軋鋼帶的形變強化和殘余應力。

為了滿足對帶鋼表面質量越來越高的要求，現代的帶鋼連續退火爐大多采用輻射管加熱爐。采用這種加熱方式燃燒氣體不直接接觸帶鋼，不會對帶鋼表面產生氧化，而且爐內還采用氮氫混合保護氣，對帶鋼表面還有一定的還原作用，可保證產品獲得良好的表面質量。

2.2 輻射管加熱爐的輻射管形式

在輻射管加熱爐中輻射管型式多種多樣，常用的有I型，U型，和W型等。最初，I型管被廣泛應用，由于其內管溫度高，容易破損，因此影響其使用壽命。現在一般都使用帶陶瓷內管的I型管或采用U型管，W型管。關于各管型的優缺點有多種說法，但以下幾點是達成共識的:

①輻射管表面溫度的均勻性:I型最好，溫差＜50℃;U型管的溫差～120℃，W型管的溫差～150℃，表面溫度均勻性是衡量輻射管壽命的一個重要指標。

②采用U型，W型管的單管熱負荷高，需要的燃燒器少，相應管道設計簡單。

2.3 輻射管加熱爐的輻射管燒嘴

對于輻射管中的輻射管燒嘴，其性能要求如下:

①不能產生過熱點，峰值溫度低。

②具有良好的火焰穩定性，在較小的空氣消耗系數情況下也能穩定燃燒。在頻繁開關的情況下，不至于回火或嚴重積碳。

③在燃燒調節過程中，空氣消耗系數相對穩定，管表面溫度無異常狀況;

④預熱器能將助燃空氣預熱300℃以上;

⑤燒嘴采用二次燃燒法，使輻射管沿長度上的溫度分布更均勻，輻射管管壁溫度的峰值下降，延長輻射管壽命，同時NOx濃度降低，屬于低NOx燒嘴。

2.4 輻射管燒嘴的燃燒控制技術

對于輻射管燒嘴的燃燒控制技術按空氣進入輻射管及煙氣排出輻射管可分為三種，吸入式(如:武鋼硅鋼連退機組中加熱爐)，鼓入式(如:武鋼硅鋼連退機組中干燥爐)，抽鼓式(如:武鋼三冷軋熱鍍鋅退火爐中加熱爐)。見圖1。現在普遍采用的是抽鼓式控制，助燃空氣由助燃風機鼓入，燃料和助燃空氣的比例調節可直接進行，以達到精確控制空燃比，節約燃料的目的。煙氣通過排煙風機抽出，可控制輻射管內的壓力，該種方式的燒嘴熱效率可達55％以上。

按對爐溫的控制方式可分為比例調節燃燒控制和脈沖燃燒控制。對于比例調節燃燒控制為傳統的調節方式，控制技術較成熟;脈沖燃燒控制是將燃料流量控制轉化為對燒嘴燃燒時間的控制，這種控制有利于改善輻射管表面溫度，增加燒嘴的調節比。

近幾年，在國內外，還開發出帶蓄熱室的輻射管，在輻射管的兩端都有蓄熱室和燒嘴，一端燃燒，一端蓄熱，定時切換，采用脈沖式燃燒控制技術。這種方式應用燃料范圍廣，輻射管表面溫度均勻，熱效率可達80%～90%，但NOx排出量偏高。

3 常熟華冶熱鍍鋅連續退火爐加熱爐的設計

帶鋼厚度:0.23～1.50mm。

帶鋼寬度:700～1250mm。

生產級別:普通級(CQ)，沖壓級(DQ)，超深沖級(DDQ)

連續退火爐生產過程:連續退火爐由進口密封室、輻射管加熱段、輻射管均熱段、噴射冷卻段、熱張緊輥室和爐鼻六部分組成。不同鋼種的帶鋼在連續退火爐中按照相應的退火工藝曲線進行退火，達到要求的機械性能和表面質量，并以規定的鍍鋅溫度進入鋅鍋。

3.1 爐殼

整個爐殼為氣密性焊接結構，由鋼板和加強型鋼組成。每個爐段之間通過采用特殊不銹鋼膨脹節連接，以吸收爐長方向的熱膨脹。這樣的設計首先是用簡單的特殊不銹鋼膨脹節代替了標準的波紋補償器(見圖1)，降低了制造成本;爐殼的設計由以前的片狀爐殼設計改為以爐段為單位的模塊化設計，爐段的模塊在制造廠中完成，到現場后前一爐段與后一爐段相連后進行圓周焊即可，大大減少了現場的安裝量，提高了安裝速度。

3.2 帶鋼支撐

爐段內帶鋼由爐底輥支撐。爐底輥輥身由鉻鎳合金離心澆鑄而成，配有帶散熱室的密封軸承。爐輥由交流調速馬達傳動，使爐輥線速度與鋼帶保持一致。

3.3 液化石油氣輻射管燒嘴

3.3.1 液化石油氣輻射管燒嘴介紹

華冶輻射管燒嘴為自身預熱式液化石油氣燒嘴，助燃空氣由每個燒嘴上配有的換熱器預熱到300℃。輻射管交錯布置。燒嘴設有自動電子點火和電離火焰檢測。

在額定液化石油氣流量下，加保溫罩，穩定運行1小時后，測得輻射管外表面溫度為700～810℃，表面溫度共取8個測點，各測點的表面溫度分布曲線如圖2。

3.3.2 燒嘴中氮氧化物生成原因

氮氧化物的形成機理是由前蘇聯科學家Zeldovich提出的，是由助燃空氣中的氮在高溫氧化條件下形成。

氮氧化物的分布:煤氣中一般不含有氮的有機化合物，氮氧化物的來源主要為助燃空氣中的氮。在燒嘴中間噴口噴燃氣的工況下，氮氧化物的含量在軸平面上的分布見圖3。

從圖中可看出，NOx主要是在火焰的尾部形成的，基本上是在燃料燃燒完了之后才發生，即NOx生成在“火焰面的背后”，原因是由于原子氧和氮分子反應的活化能很大，而原子氧和燃料中可燃成分反應的活化能很小，因而在火焰中不會生成大量的NOx，只能在生成反應相當晚才進行，在圖中左側的上方和下方，可以看到噴嘴出口上下兩側NOx值較高，是由于在有限空間內煙氣的回流所致。

助燃空氣預熱溫度的影響:對于助燃空氣預熱溫度與NOx含量之間的關系可以一般認為是預熱溫度越高，NOx含量越高。

空氣過剩系數的影響:不同空氣過剩系數對NOx的生成量如圖4，燃燒溫度在空氣過剩系數為1附近出現最大值，而此時NOx的生成速度即生成量也幾乎達到最大值，當空氣過剩系數為1.05時，NOx的生成量為最大。

3.3.3 華冶加熱爐氮氧化物排放的計算

我國的大氣污染物綜合排放標準為GB16297-1996，國標中對各種污染物的排放有各種要求，涉及到工業爐的指標主要有3項:NOx、SO2、煙塵，在以天然氣、液化石油氣為燃料的工業爐中，NOx是主要的污染物。

國標中對NOx的規定是:最高允許排放濃度240mg/Nm3，最高允許排放速率根據不同的煙囪高度有不同的值。

計算流程如下:

①將燒嘴熱態試驗中測得得NOx含量進行單位換算(PPM→mg/Nm3);

②根據加熱爐整個的煙氣量計算出排出速率(kg/h);

③根據排放速率計算煙囪高度以滿足國標;

④當煙囪高度位于國標中兩排氣筒高度之間，用內差法計算其最高允許排放速率，公式如下:

Q=Qa+(Qa+1-Qa)(h-ha)/(ha+1-ha)

Qa：比某排氣筒低的表列限值中的最大值

Qa+1：比某排氣筒高的表列限值中的最小值

h：某排氣筒的幾何高度

ha：比某排氣筒低的表列高度中的最大值

ha+1：比某排氣筒高的表列高度中的最小值

Q：某排氣筒最高允許排放速率

3.4 華冶加熱爐燃燒系統的調試

3.4.1 燃燒系統概況

華冶熱鍍鋅退火爐輻射管加熱爐(RTF)是整個退火爐的關鍵部分，它將鋼帶從常溫快速加熱到再結晶退火溫度，使鋼帶進行正常的再結晶退火。

采用抽鼓式控制方式。

加熱爐燃燒每個區由熱電偶檢測爐溫，通過能量時間控制控制爐溫。從總管過來得主空氣和液化石油氣經過壓力調整后，經過每個燒嘴的ON-OFF控制閥到每個輻射管燒嘴上。另外，還有點火液化石油氣及點火空氣分配至各燒嘴的點火燒嘴。

3.4.2 流量調節控制燃燒系統調整

加熱爐流量控制燃燒系統的調整包括主燒嘴的調整和點火燒嘴的調整兩部分。以下分別加以介紹:

點火燒嘴的調整:主要是通過調整燒嘴前點火液化石油氣和點火空氣的壓力以達到使點火火焰具有一定的剛性，當主燒嘴的負荷發生變化或開關時避免將點火燒嘴吹熄。壓力的調整通過燒嘴前的手動調節閥的開度來進行，首先根據燒嘴熱態試驗時測試好的壓力進行初調，再通過觀察點火火焰形狀再進行微調，調整好后將閥位固定。

主燒嘴的調整:由于脈沖控制的分區為邏輯分區，不是物理分區，每個分區沒有流量調節閥，因此燒嘴的調整是一個燒嘴一個燒嘴進行的。通過燒嘴前手動調節閥的開度以及檢測輻射管廢氣煙道中的煙氣含氧量，固定每個燒嘴的空燃比。

4 加熱爐的新技術發展

對于機組產量大，鋼帶表面質量要求高的連續退火爐一般都采用立式爐，如國內新建的寶鋼五冷軋、武鋼三冷軋、首鋼順義冷軋、首鋼京唐冷軋均采用立式爐，下面介紹立式加熱爐所采用的最新技術。

4.1 防止爐內產生熱瓢曲

熱瓢曲是帶鋼產生熱變形現象，它是帶鋼熱變形不均引起的。當熱應力大于相同溫度下帶鋼屈服應力值時就產生熱變形，而熱應力則是由帶鋼沿寬度方向上溫度差產生的，當這一溫度差大于60℃，帶鋼就產生熱瓢曲。

根據鋼帶熱瓢曲的產生機理，防止熱瓢曲的技術主要有:第一，采用先進的加熱輻射管燒嘴，盡可能降低輻射管表面溫度差，使爐內溫度場更均勻。第二是爐輥熱凸度控制，爐輥一般設計成正凸度，但凸度太大，鋼帶易產生熱瓢曲，凸度太小，鋼帶易跑偏，見圖5。在設計上，一般爐輥的凸度設計為單錐度和雙錐度，同時優化錐度角，使之既適合生產寬板，又可生產窄板。

爐輥凸度在爐內可能會因為輥身溫度不均勻而發生變化，造成鋼帶跑偏或瓢曲，凸度的控制就是為了在加熱爐的高溫狀態下保持輥子的原設計凸度，避免由于輥子不接觸鋼帶部位溫度高于鋼帶接觸部位溫度而產生負凸度并造成鋼帶寬度方向溫度的不均勻。

在加熱爐的設計上，為防止爐內輻射管加熱對爐輥凸度的影響，在每根上輥的下面和之間，下輥的上面都安裝了隔熱板，有的公司(如NSC)還在前7根頂輥設置成爐輥室，單獨對輥室溫度進行控制，并在爐輥的兩端噴吹冷卻的循環保護氣，確保爐輥端部凸度不發生變化，以免影響穩定通板。

4.2 爐輥表面涂層的對比

爐輥表面噴涂一定厚度的耐高溫陶瓷，低溫涂層LC1C，高溫涂層LCO-56等。爐輥表面通過噴涂，不僅可以增強其抗溫度性，提高爐輥的工作壽命;而且可以提高爐輥表面的粗糙度，有利于減少鋼帶和爐輥產生的相對滑動，從而，減少爐輥表面結疤或結瘤的可能性。

現在最新的高溫涂層為DPC-74，開發目的是防止在生產高Mn鋼時在輥子表面形成結瘤，開發者是:KAWASAKI和PRAXAIR，使用實績是臺灣中鋼、NKK、寶鋼1800CAL、寶鋼五冷軋。

幾種涂層的對比見表1。

參考文獻

[1]夏立芳，《金屬熱處理工藝學》，哈爾濱工業大學出版社，1998.

[2]饒文濤，《蓄熱燃燒中NOx生成規律研究》，2004.

[3]黃夏蘭，彭俊，《連續退火爐內帶鋼熱瓢曲的產生機理及控制方法簡介》，世界鋼鐵，2002.05.