Φ26.408m環形加熱爐的設計特點

劉林峰

中冶東方工程技術有限公司，山東青島266555

摘要 從爐型結構、燃燒方式等方面簡單介紹了Φ26.408m環形加熱爐的設計特點。

關鍵詞 環形加熱爐；爐型結構；設計特點

中圖分類號TK22 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）61-0048-02

1概述

攀鋼集團成都鋼鐵有限責任公司A-R軋管機組重建工程新建1座環形加熱爐，主要生產品種有普碳鋼、中低合金鋼和不銹鋼，年加熱連鑄圓管坯24.7萬噸。受工廠條件限制，該加熱爐采用了高爐煤氣和天然氣兩種燃料，采用了蓄熱燃燒和常規燃燒兩種燃燒方式。

2環形加熱爐主要技術參數

爐型：單面加熱、多段供熱的環形連續加熱爐；爐子用途：管坯穿孔前加熱；原料：連鑄圓管坯；管坯規格：直徑：Φ180mm，Φ220mm，Φ280mm，Φ310mm；長度：1 200mm~4 500mm； 最大單重：2 666kg；管坯裝爐溫度：20℃；管坯加熱溫度：1240℃~1 280℃；出爐管坯溫度均勻性：縱向±10℃，徑向±5℃；爐子產量：最大135t/h；出料節奏：最快125支/h；燃料及發熱值：天然氣，熱值8 300×4.18kJ/Nm3； 高爐煤氣，熱值800×4.18 kJ/Nm3；單位熱耗：1.46GJ/t(低合金鋼、最大產量，出爐溫度為1 250℃時) ；燒咀形式：預熱段及加熱段采用蓄熱式燒嘴；均熱段采用爐頂平焰燒嘴；爐底機械型式：雙層框架梯形結構；爐內布料：單排：長度＞2 200mm；雙排：長度≤2 200mm；并采用可變布料角；爐子尺寸：爐底中心線平均直徑：26 408mm；爐底寬度：4 930mm；爐膛內寬：5 280mm；裝出料爐門中心線夾角：15°。

3環形加熱爐主要設計特點

3.1燃燒方式的確定

根據工廠所給定的燃料條件，結合本生產線無縫鋼管生產的加熱工藝特點，在預熱段、加熱I段、加熱II段、加熱III段選用空煤氣蜂窩體雙蓄熱的蓄熱式燃燒方式，以滿足鋼坯加熱溫度的要求。在均熱I段、均熱II段選用天然氣平焰燒嘴的常規燃燒技術以保證鋼坯長度方向的溫度均勻性。煙氣中的余熱大部分通過空煤氣蓄熱式燒嘴將熱量回收，少部分煙氣（約占煙氣總量的20%）通過爐尾煙道煙囪排出，以保證爐尾不供熱段的爐膛溫度，滿足不銹鋼和合金鋼的加熱制度的要求。根據本生產線的加熱工藝特點，宜采用單面加熱、多點供熱的環形加熱爐滿足管坯加熱溫度的要求。采用多點供熱、控制靈活的燃燒系統，可根據不同鋼種、規格的加熱工藝，建立不同的爐溫制度，以適應各自的加熱要求。根據不銹鋼和高合金鋼的加熱特點，通過多段控制來靈活的滿足加熱要求。環形加熱爐可根據產量、規格的不同，靈活調節爐內裝鋼量，以避免低產和更換規格時管坯在爐時間過長而導致過度氧化和脫碳。選用空煤氣雙蓄熱和常規燃燒相結合的燃燒方式，通過合理控制煙氣流向，有效控制爐尾排煙溫度，以適應合金鋼和不銹鋼加熱時對低溫區加熱速度的要求。

3.2 裝出料方式的確定

一般環形加熱爐均采用夾鉗式裝、出料機進行裝、出料，本加熱爐同樣采用夾鉗式裝、出料機的方式裝出料。采用行程可調的夾鉗式裝料機，將管坯從上料機構上夾到環形爐的爐底上，以滿足爐內同時裝有不同規格的管坯時調整管坯坯距。夾鉗式裝料機的動作由PLC在線控制。采用行程可調的夾鉗式出料機將環形爐爐底上已轉到出料爐門處的管坯夾出爐外。夾鉗式出料機的動作由PLC在線控制。

3.3 爐型結構及燃燒系統

環形爐采用六段供熱、四段爐溫制度。即不供熱的余熱回收段、預熱段、加熱段和均熱段。以環形加熱爐的裝料爐門和出料爐門為兩個端點，在有效爐長上設有六個供熱段，六段爐溫自動控制，充分適應不同鋼種（特別是不銹鋼和合金鋼）和規格的管坯的加熱要求。爐內設有三道隔墻：1）在裝料爐門和出料爐門之間的爐膛設有隔墻，此處設置隔墻的主要作用是防止低溫管坯區對高溫管坯區及高溫出爐管坯的吸熱，從而保證已加熱好的管坯的出爐溫度；2）在裝料爐門與煙氣出口之間的爐膛設置隔墻，煙氣出口處為負壓，為防止爐膛從裝料爐門吸入大量的冷空氣，造成熱量損耗和氧化燒損的增加，必須設置此隔墻；3）在均熱段靠近出料爐門處爐膛設置隔墻.此處隔墻主要是防止出料時對均熱段爐膛溫度的影響。隔墻采用水冷梁支撐耐火澆注料整體澆注隔墻。

在環形爐爐尾設置煙道口，通過煙道將一部分煙氣由煙囪自然排出爐外。在煙道內設置爐壓控制閘板，爐膛壓力采用自動控制方式，確保爐膛微正壓操作，減少管坯的氧化燒損。爐子留有較長的熱回收段和能夠靈活控制的預熱段，可以根據加熱管坯鋼種（特別是不銹鋼和高合金鋼）和規格的不同，靈活操作，使裝料段爐溫降低，滿足加熱工藝要求，同時節約能耗。環形爐的燃燒系統主要由蓄熱燒嘴、平焰燒嘴、換向系統、空煤氣管道系統、排煙系統組成。各段燒嘴的供熱能力是通過熱工計算確定的，在確定各段燒嘴的供熱能力時考慮了一定的富余能力，便于各段爐溫制度的調節。各供熱段燒嘴數量及供熱能力分配見表1。

預熱段、加熱I段、加熱II段、加熱III段采用空煤氣蓄熱式燒嘴。加熱爐內外環側墻每個柱間布置一組空氣和煤氣蓄熱燒嘴，上層為空氣燒嘴，下層為煤氣燒嘴，這樣在管坯表面形成一層煤氣保護層，隔絕爐內助燃空氣，有效減少鋼坯的氧化燒損。實現燒嘴的小能力多點供熱。這樣既有利于各段溫度的調整控制，又節省空間，保證內外環燒嘴對稱布置，充分發揮蓄熱燃燒的優勢。燒嘴部分是由箱體、蓄熱體和噴口磚組成。箱體是放置蓄熱體的設備，也是熱交換的區域。它的外殼是由型鋼及鋼板焊接而成，四壁由輕質低水泥澆注料砌筑而成，中間堆放蓄熱體。加熱爐共布置24對空煤氣蓄熱燒嘴。

均熱I段、均熱II段采用平焰燒嘴頂部供熱，平焰燒嘴具有燃燒穩定、結構簡單、使用方便的特點。助燃空氣呈強旋流帶動煤氣旋轉噴出，配合喇叭口形燒嘴磚形成緊貼爐頂向四周均勻伸展的圓盤形火焰，空煤氣混合均勻，火焰輻射能力強，可保證爐寬方向溫度場均勻且易于維持爐底正壓。加熱爐共布置24個平焰燒嘴。換向系統是蓄熱式加熱爐的關鍵系統，本方案采用全分散換向系統?？彰簹庑顭釤煊萌〒Q向閥進行換向，每兩個空氣蓄熱燒嘴配置1個空氣三通換向閥，每兩個煤氣蓄熱燒嘴配置1個煤氣三通換向閥。既保證了燒嘴的靈活控制，又節約了成本。環形爐共布置有24只空氣三通換向閥和24只煤氣三通換向閥。換向閥的主要功能有：定時換向，定溫換向，手動換向，超溫報警，動作異常報警等。當換向閥閥位異常或長時間動作不到位時，顯示屏上會出現報警指示燈閃爍并指示故障點所在位置，伴隨蜂鳴器報警，系統作出相應的應急反應或人工干預。為避免蓄熱系統在換向過程中引起爐壓等參數波動過大，在換向控制中采用不同步換向方式，這樣加熱爐的爐壓控制更為容易。

爐子的供風系統采用兩臺節能型風機，一用一備。在風機吸風口設置有消聲器。電機采用變頻調速控制，以調節空氣流量和壓力，確保風機在合理的工作范圍內，防止發生喘震。由助燃風機供給的冷空氣其中四路通過換向閥后接至預熱段和加熱段相應的蓄熱式燒嘴上，完成熱交換后噴入爐內燃燒。另一路經過煙道內的空氣換熱器后分兩路分別接至均熱I段、均熱II段各平焰燒嘴空氣支管。六個供熱段分別配置各段段管，單獨測量和調節各段流量。每段空氣段管上都安裝有流量計和自動調節閥。

蓄熱燒嘴用的高爐煤氣和平焰燒嘴用的天然氣通過工廠管網分別接至爐前。高爐煤氣總管上分別設有一道煤氣無泄漏電動蝶閥、一道電動盲板閥、一道快速切斷閥。高爐煤氣總管最低點設置手動排水裝置，由人工定期排除管道內積水至就近排水溝內。在天然氣總管上分別設有一道無泄漏手動蝶閥、一道手動盲板閥、一道快速切斷閥和一道自動壓力調節閥，以保證天然氣內網壓力滿足系統要求。煤氣總管分四路分別進入各段管，再由數根管道接至相應的蓄熱式燒嘴前。天然氣總管分兩路進入均熱段段管后分別接至平焰燒嘴煤氣支管上。各段段管上均設有流量計和自動調節閥，單獨測量和調節各段流量。在空、煤氣（天然氣）壓力過低或風機電源故障以及違規操作等事故情況下通過快切閥來切斷煤氣供應，保證爐子的安全生產。排煙系統包括排煙機、排煙管路、地下煙管和煙囪。由于采用蓄熱加常規的燃燒方式，一部分煙氣由爐尾經地下煙管、煙囪排入大氣，在煙道內設置空氣換熱器和煙道閘板。煙道閘板采用鑄鐵轉動閘板，由電動執行機構驅動，其執行機構與爐壓信號聯鎖，以控制爐膛壓力保持微正壓。另一部分煙氣從空煤氣蓄熱式燒嘴出來，溫度已降至200℃以下，流經換向閥、煙管和排煙機，分別打入各自的鋼煙囪排出。蓄熱燃燒系統分別設置1臺空氣側排煙機和1臺煤氣側排煙機。在排煙管路上排煙機入口前設有煙溫檢測和自動調節閥，其執行機構與爐壓檢測信號聯鎖，用來控制爐膛壓力。在車間廠房外設置2座鋼煙囪和一座混凝土煙囪，2座鋼煙囪分別用于排出蓄熱燃燒系統的空氣側和煤氣側煙氣，混凝土煙囪用于排出流經爐尾不供熱段的煙氣。

3.4 爐體主要部位耐火材料的選擇

環形爐的爐墻、爐頂和爐底內襯均采用性能良好的耐火澆注料整體澆注而成，外層采用雙層輕質隔熱材料進行絕熱，從而組成復合砌體，以提高爐子的整體性、密封性和隔熱性，獲得最小的熱損失和最大的爐襯壽命。爐墻和爐頂耐火內襯材料由緊固在爐子金屬結構上的金屬錨固件和耐火錨固磚來固定，爐底內外環邊緣用預制塊砌筑。爐頂：共分為三層，總厚度330mm。工作層根據使用部位的溫度不同，高溫段選用低水泥澆注料，低溫段選用粘土質澆注料，既保證了整體性能，又做到了經濟適用。中層是輕質澆注料，起隔熱作用。最外層是硅酸鋁纖維毯，絕熱效果好。爐頂砌體中設有高鋁質錨固磚，澆筑時埋入澆注料中，作為骨架承受整個吊掛爐頂的重量。爐墻：共分為四層，總厚度494mm。工作層根據使用部位的溫度不同，高溫段選用低水泥澆注料，低溫段選用粘土質澆注料，經濟適用并且性能穩定可靠。接著是一層0.6的輕質粘土磚，起隔熱作用，減少熱損失。最外面兩層分別是硅鈣板和硅酸鋁纖維毯，用于絕熱。內外環爐墻中均設有錨固磚，防止爐墻向內傾倒，錨固磚用耐熱鋼扣件牢固的吊掛在側墻鋼板上。爐底：共分為五層，總厚度620mm。最上面的工作層采用低水泥澆注料整體澆注。澆注料下面是一層普通粘土磚，兩層輕質粘土質，起隔熱作用，隔斷工作層和絕熱層。最外層是硅鈣板，起絕熱作用。爐底內外邊緣用和工作層材質相同的低水泥澆注料預制塊砌筑，保證爐底耐磨抗渣，提高爐底整體使用壽命。

3.5 環縫和水封裝置

為了保證爐底運轉良好，在環形爐轉動的爐底和固定的內外環爐墻之間留有一定的縫隙，即環縫。環形爐工作時，環形的爐底受熱后向外膨脹，故在冷態時，爐子的外環縫要比內環縫的縫隙大一些。綜合考慮各因素，本設計外環縫確定為145mm，內環縫確定為75mm。爐子工作時，為了避免爐內熱氣體溢出爐外和外界冷空氣吸入爐內，應盡可能保證爐子嚴密，所以應對環形爐的內外縫進行密封，本環形爐的密封采用水封。水封裝置由水封槽、活動刀、固定刀組成。水封槽安裝在內外環的立柱上，活動刀安裝在爐底上，隨爐底一起轉動，固定刀安裝在爐墻上不動，在活動刀底部裝有刮渣板，這樣在爐底轉動時環縫落入水封槽內的氧化鐵皮和其它一些雜質，隨著轉動的活動刀和固定的水封槽之間相對運動，逐步被刮到水封槽上的漏斗處，最后通過漏斗定期清渣，用小車運走。水封槽為可拆卸式，便于檢修和更換。水封槽內的水位采用溢流控制。

3.6 環縫和水封裝置

為了保證爐底運轉良好，在環形爐轉動的爐底和固定的內外環爐墻之間留有一定的縫隙，即環縫。環形爐工作時，環形的爐底受熱后向外膨脹，故在冷態時，爐子的外環縫要比內環縫的縫隙大一些。外環縫為145mm，內環縫為75mm。

爐子工作時，為了避免爐內熱氣體溢出爐外和外界冷空氣吸入爐內，應盡可能保證爐子嚴密，所以應對環形爐的內外縫進行密封，本環形爐的密封采用水封。水封裝置由水封槽、活動刀、固定刀組成。水封槽安裝在內外環的立柱上，活動刀安裝在爐底上，隨爐底一起轉動，固定刀安裝在爐墻上不動，在活動刀底部裝有刮渣板，這樣在爐底轉動時環縫落入水封槽內的氧化鐵皮和其它一些雜質，隨著轉動的活動刀和固定的水封槽之間相對運動，逐步被刮到水封槽上的漏斗處，最后通過漏斗定期清渣，用小車運走。

3.7 余熱利用，降低能耗

預熱段、加熱I段、加熱II段、加熱III段燃料為高爐煤氣，采用雙蓄熱空煤氣燃燒技術。蓄熱燒嘴內蓄熱體采用蜂窩體結構，蜂窩體根據工作溫度的差別采用兩種不同的材質，高溫部分采用剛玉莫來石材質，低溫部分采用堇青石材質。蜂窩體通道采用矩形結構，通道間壁厚度加厚處理以提高強度，延長使用壽命。蜂窩體在線維護時更換速度快，檢修容易，蓄熱利用率高。通過蓄熱燒嘴把空煤氣預熱至約1 000℃，有效地回收煙氣余熱，大大降低燃料消耗，同時又利用了低熱值的高爐煤氣。

均熱I段、均熱II段燃料為天然氣，采用平焰燒嘴頂部供熱，燃燒后的煙氣通過爐尾設置的常規煙道排出，在爐尾煙道內設置有帶插入件的金屬管狀空氣換熱器。插入件式金屬管狀換熱器與一般換熱器相比，具有傳熱效率高、體積小、氣密性好、維護方便等特點。換熱器材質在低溫段采用滲鋁的20g無縫鋼管，高溫段采用0Cr17不銹鋼管。進換熱器的煙溫約為600℃~750℃，可將空氣預熱至約450℃，充分利用了煙氣余熱，降低了能耗。

參考文獻

[1]王秉銓.工業爐設計手冊.北京：機械工業出版社，1996，8.

[2]《鋼鐵廠工業爐設計參考資料》編寫組.鋼鐵廠工業爐設計參考資料.冶金工業出版社，1979，5.