連退線退火爐輻射管損壞原因淺析

李 鑫，常樹林，候大偉，王道金

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋作業(yè)部，河北唐山 063200）

1 輻射管工作原理

某連退退火爐由法國(guó)斯坦因公司設(shè)計(jì)，輻射管燃燒模式為on/off模式，燃燒介質(zhì)為焦?fàn)t煤氣，結(jié)構(gòu)形式為W型。輻射管下方是燒嘴用于點(diǎn)火，上方是換熱器用于將助燃空氣預(yù)熱，空氣通過(guò)中間管道與由下方管道進(jìn)入輻射管的焦?fàn)t煤氣混合燃燒。

輻射管是連退線退火爐的主要加熱設(shè)備。通過(guò)管內(nèi)介質(zhì)燃燒為爐內(nèi)帶鋼進(jìn)行加熱。自某線2009年投產(chǎn)以來(lái)，該設(shè)備陸續(xù)出現(xiàn)開裂的問(wèn)題。2012年共更換損壞的輻射管226根，占總裝機(jī)量的2/3，給產(chǎn)線造成了巨大損失。

2 損壞形式分析及抑制措施

從出現(xiàn)問(wèn)題的輻射管可以總結(jié)出兩種損壞形式，一種是燒嘴端直管的環(huán)形裂紋（圖1），這種形式占損壞總數(shù)的68%。另一種是輻射管尾部吊耳處根部開裂（圖2）。

2.1 直管根部環(huán)形裂紋

通過(guò)對(duì)大量拆下的輻射管結(jié)構(gòu)、外形進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)輻射管出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)變形。直管處的裂紋集中出現(xiàn)在放置燒嘴端，另外3根直管無(wú)一例外的未出現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)這一規(guī)律可以得出該處出現(xiàn)的裂紋與燒嘴有直接關(guān)系。再經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

（1）該處裂紋絕大部分出現(xiàn)在離直管根部12 cm左右的位置，同時(shí)該位置亦是管內(nèi)火焰高溫的位置。

（2）直管端的裂紋幾乎全部出現(xiàn)在管子的下端（圖3）。

（3）燒嘴端直管根部出現(xiàn)規(guī)律性的波齒形色差，而裂紋則都對(duì)稱分布在該波齒之間，如圖4所示。

圖1 燒嘴端直管的環(huán)形裂紋

圖2 尾部吊耳處根部裂紋

通過(guò)以上的分析可以大膽得出該處裂紋的出現(xiàn)是與燒嘴有直接關(guān)系的。為了佐證這一結(jié)論，可以看一下燒嘴的結(jié)構(gòu)。如圖5所示：燒嘴的末端為一圓盤，中間管接焦?fàn)t煤氣，右邊管內(nèi)安裝點(diǎn)火電極，左邊管內(nèi)用于火焰的檢測(cè)。圓盤四周設(shè)計(jì)有4個(gè)支腳與輻射管配合可以形成4個(gè)弧形通道以讓空氣進(jìn)入。也正是這4個(gè)支腳造成了輻射管局部高溫，如圖6所示，從管內(nèi)拍攝的裂紋的分布與這4個(gè)支腳的位置同樣是吻合的。

針對(duì)燒嘴端直管開裂，目前有3種解決方案。

（1）方案1。將圓盤與4個(gè)支腳錯(cuò)開一定的距離以消除因?qū)諝庾钃踉斐傻木置娓邷貐^(qū)。這種解決方案需要更換大量的燒嘴，成本較高，實(shí)施起來(lái)有較大難度。

（2）方案2。將支腳切割出一個(gè)豁口改善空氣的流通性。為了驗(yàn)證這種分析的正確性，于2013年4月檢修時(shí)對(duì)爐子燒嘴的第一列（共14根）做了試驗(yàn)，在2014年11月的檢修中對(duì)第一批輻射管再次進(jìn)行檢查，只有1根出現(xiàn)了開裂，2015年5月檢查有4根開裂。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，2015年5月檢修時(shí)增加19根試驗(yàn)，截止2015年9月第二批試驗(yàn)輻射管出現(xiàn)開裂4根。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，這種方案可以緩解輻射管開裂的速度。

圖3 波齒形色差

圖4 裂紋的分布位置

圖5 燒嘴結(jié)構(gòu)

（3）方案3。采用新型燒嘴。目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的燒嘴燃燒技術(shù)是二次燃燒，且輻射管的最高溫點(diǎn)大致在輻射管下彎頭處，為此決定試驗(yàn)部分新型燒嘴。

改進(jìn)的新型燒嘴包括2個(gè)部分，如圖7所示。采用燃?xì)夥蛛x技術(shù)，避免空燃?xì)庖淮涡曰旌希瑢⑸倭棵簹夂涂諝庠谌紵覂?nèi)混合并依靠點(diǎn)火電極點(diǎn)燃，進(jìn)而一次混合的小火焰點(diǎn)燃二次混合的大火焰。

這種新型燒嘴在其他連退線已試用了23根，與斯坦因現(xiàn)在的燒嘴相比，這種燒嘴可以在不改變?cè)O(shè)備安裝位置前提下，使火焰長(zhǎng)度得到延長(zhǎng)且高溫區(qū)后移，輻射管溫度更均勻，避免高溫區(qū)集中造成過(guò)大溫度應(yīng)力的出現(xiàn)，從而抑制裂紋的產(chǎn)生。

對(duì)新燒嘴輻射管熱模擬情況分析，輻射管的高溫區(qū)位于第一彎頭附近，燒嘴火焰延長(zhǎng)且輻射管高溫區(qū)后移，輻射管受熱面積增大，受熱更加均勻，減小了燒嘴工作時(shí)輻射管的熱震蕩。

圖7 新型燒嘴

2.2 直管根部環(huán)形裂紋

針對(duì)第二種開裂形式，即輻射管尾部吊耳處根部開裂。當(dāng)輻射管工作時(shí)，直管受熱會(huì)產(chǎn)生熱膨脹，輻射管的原設(shè)計(jì)是將中間兩根的支點(diǎn)置于最下方直管上，這種設(shè)計(jì)的缺陷一是將兩根管子的重量施加于下方管上對(duì)下方直管造成壓迫，二是由于接觸面過(guò)大，當(dāng)中間管子受熱伸長(zhǎng)時(shí)阻力較大，造成中間管滑動(dòng)困難。考慮這些因素，可以從兩方面做工作。第一方面，將支點(diǎn)改在輻射管前端法蘭上，在法蘭上安裝一個(gè)平面支座，更方便中間管受熱滑動(dòng)。目前這種設(shè)計(jì)已經(jīng)用于新更換的備件。從使用情況來(lái)看尾部吊耳處根部出現(xiàn)開裂的機(jī)率較以上有了較大的下降。表1說(shuō)明了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中兩種開裂形式所占的比重。

表1 開裂位置比例

第二方面，改變輻射管彎頭的安裝方式，增加下彎頭支點(diǎn)[1-2]。該新安裝結(jié)構(gòu)在3個(gè)彎頭上設(shè)計(jì)各自的支點(diǎn)，而文中產(chǎn)線的使用輻射管下彎頭無(wú)支點(diǎn)，而是采取了懸掛于上方的彎頭處。這種形式有2個(gè)缺點(diǎn)，一是不利于輻射管下方2根管子的伸長(zhǎng)（受熱后）。二是下方2根直管與彎頭的連接部分有應(yīng)力集中，目前彎頭的裂紋就出現(xiàn)在這個(gè)位置。目前產(chǎn)線新上線的輻射管，包括新備件及修復(fù)件都是按這種形式改造的。

3 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題的形式以及分布，分別對(duì)兩種裂紋出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析并給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，保證了設(shè)備的穩(wěn)定，也為國(guó)內(nèi)同行出現(xiàn)類似問(wèn)題時(shí)提供了參考。