連續(xù)退火爐燃燒診斷及優(yōu)化

馬 凱

（河鋼邯鋼邯寶冷軋廠，河北 邯鄲 056003）

引言

連續(xù)退火爐是帶鋼升溫退火關鍵設備，它在控制完成板帶退火工藝、改變帶鋼性能起著至關重要的作用。邯寶冷軋廠2 080 mm 連退機組建成于2010 年，采用立式爐，通過輻射管對冷軋鋼板進行連續(xù)退火，與傳統(tǒng)臥式爐相比有諸多明顯優(yōu)勢，其工藝在國內亦是處于領先。

1 連續(xù)退火爐組成

邯鋼2 080 mm 連續(xù)退火爐是由3 個加熱段組成，其中加熱一段分為4 個加熱區(qū)，加熱二段分為4個加熱區(qū)，加熱三段分為4 個加熱區(qū)及2 個均熱區(qū)。功爐子兩側裝備有輻射管，混合煤氣與助燃空氣在輻射管內燃燒，對帶鋼進行加熱。加熱區(qū)域負荷量由溫度設置點和燃燒室內安裝的熱電偶來控制，溫度設置點是由操作人員給出或者數學模型給出。配合高溫計對爐內帶鋼溫度測量反饋，控制輻射管的燃燒，達到對帶鋼溫度進行加熱和溫度控制的目的。

2 加熱段控制原理

連續(xù)退火爐加熱區(qū)域溫度控制系統(tǒng)實際上是一個帶空燃比修正的單交叉限幅控制系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 單交差限幅控制原理圖

控制主回路由退火爐溫度控制，副回路采用混合煤氣流量和助燃空氣流量反饋值并聯(lián)。根據熱值對空氣和煤氣的需求，控制主回路得出一個空氣和煤氣流量設定點；同時保證富陽燃燒，煤氣和空氣測得的反饋流量值，反推出所需相對應的空氣和煤氣值。兩個得出的煤氣流量進入小于選擇器的值設定煤氣流量設定點，通過控制煤氣流量調節(jié)閥開度調節(jié)；兩個得出的空氣流量進入大于選擇器的來值設定空氣流量設定點，并通過控制助燃風機轉速進行調節(jié)。

混合煤氣和預熱后的助燃空氣經燒嘴點火電極放電點火后在輻射管體內燃燒，產生650 ℃的高溫廢氣通過同流換熱器與助燃空氣入口處的常溫助燃空氣換熱后由廢氣風機抽至相應的集氣室。常溫助燃空氣經過換熱后溫度升至450 ℃，與混合煤氣一起點燃后可以獲得更好的燃燒效果。W 型輻射管燃燒方式為ON-OFF 控制，板溫控制程序在不同的加熱模式下向加熱區(qū)378 個輻射管燒嘴控制單元（BCU）發(fā)送點火或關閉信號，以達到實時所需加熱量的動態(tài)控制效果。通常以檢測輻射管燃燒后廢氣中殘氧量的方式來判斷整個燃燒狀態(tài)，一般情況下將殘氧量控制在3.8%～4.5%之間，燒嘴可以獲得最佳的燃燒效果，此時燃燒溫度最高且廢氣中殘留的CO 值少，安全節(jié)能。

3 目前存在的問題

3.1 煤氣消耗量大，而加熱能力不增反降

自2010 年投入使用以來至今，煤氣消耗量明顯增大：2020 年噸鋼煤氣消耗為133 m3/t，而2015 年是126 m3/t。2021 年連退線在停爐后升溫需要7 小時可將加熱段溫度提升至500 ℃，而2017 停爐后升溫僅需要4 h。

3.2 輻射管、同流換熱器損壞數目增多

2020 年全年，共損壞輻射管39 根，是2016 年至2019 年間損壞輻射管數量總和；同流換熱器2020 年共損壞43 根，多于2019 年損壞同流換熱器數量。大量的同流換熱器損壞一方面造成爐內露點氛圍不斷惡化，加大了產品出現亮點的風險，同時年設備更換維修費用增高，備件成本持續(xù)增加。

3.3 不著燒嘴數量增多

2020 年，正常生產時，整個加熱段不著燒嘴數目在30 個左右，多為無檢測到火焰信號或者火焰信號微弱；停車檢修再起線后，燒嘴點燃數量少，煤氣時序無法正常啟動，導致延時升溫或者升溫速度過慢。

4 原因分析

煤氣消耗量大而加熱能力沒有提高，一方面是爐墻保溫性能差，加熱段熱量流失較大，但主要是煤氣與空氣配比有問題，通入到輻射管內的煤氣未進完全燃燒，隨廢氣排出，造成損失，利用手持式煙氣分析儀對正在燃燒的燒嘴進行測量驗證猜想，果然一部分燒嘴殘余CO 含量極高，殘氧量過低，燃燒不充分，火焰溫度低，燃燒效率低下；過剩的CO，可能與廢氣管道內氧氣在高溫狀態(tài)下發(fā)生二次燃燒。比如廢氣管道密封性差，管道負壓帶入氧氣；輻射管熱交換器內漏，助燃空氣通過熱交換器直接進入廢氣管道，而沒有全部進入燒嘴與混合煤氣燃燒；另一部分燒嘴殘氧量過高，燒嘴燃燒火焰小，火苗短。祝志超等認為，高溫氧化環(huán)境下服役的輻射管發(fā)生內壁嚴重氧化和內部組織劣化，氧化減薄消弱了輻射管的強度，而組織劣化導致輻射管抗熱蠕變性能降低，長期服役后發(fā)生嚴重的蠕變變形[1]。因此長期不著燒嘴或是燃燒后殘氧含量高的燒嘴，是導致輻射管損壞的主要原因。而進入輻射管內空煤配比不合理的原因，一方面是空氣煤氣調整方法和周期有誤，空氣壓差是燃燒調整的先決條件，其正確才能順利進行后續(xù)廢氣殘氧量、CO 值的調節(jié)；煤氣量調節(jié)使用殘氧法替代平均法，根據實時燃燒情況調節(jié)煤氣配比，保證煤氣燃燒充分，廢氣中無殘余一氧化碳。二是2020 年底使用老區(qū)的混合煤氣質量比較差，不同程度對煤氣電磁閥內濾網造成堵塞、穿孔，導致同一個區(qū)域內的煤氣在燒嘴內的氣體分布不均勻，低負載時或起線后點火，部分燒嘴點火困難或者火焰信號小，如圖2 所示。

圖2 堵塞、穿孔以及堆積鐵屑煤氣濾網與正常濾網對比

5 解決方案

5.1 空氣煤氣通入量調節(jié)

帶空燃比優(yōu)化的單交差限幅控制使每個區(qū)域的煤氣和空氣的配比達到理想狀態(tài)，但如果煤氣和空氣在每個輻射管內得到充分燃燒，還應逐一對各個區(qū)域內輻射管的煤氣流量孔板和空氣手閥進行開度調整，確保進入到每個燒嘴內的煤氣是平均量，避免個別燒嘴內煤氣燃燒不充分。這樣既能提高單個燒嘴功率，減少能耗，又能降低因輻射管、同流換熱器損壞頻率；另外對于因故障不能投入運行的輻射管，也要及時根據現場燒嘴控制器上的報錯進行故障恢復。

1）準備工作。逐一檢查有問題的煤氣濾網，及時更換堵塞、穿孔煤氣濾網；檢查空氣手閥和煤氣流量調節(jié)孔板的功能，更換卡死和過于松動的空氣手閥和煤氣流量孔板；處理該區(qū)域內不著燒嘴，確保每一個燒嘴處于正常工作狀態(tài)，固定所需要調整區(qū)域的煤氣和空氣負載。

2）空氣量通入調節(jié)。空氣壓差是燃燒調整的基礎，其正確才能順利進行后續(xù)廢氣殘氧量、CO 值的調節(jié)[2]。確認壓差計完好，檢查燒嘴各個元件完好、如缺失進行記錄，壓差計測試前應檢查軟管是否松動并校零。調壓過程如下：連接壓差計→打開兩個空氣閥門→一次測量壓差并記錄→一次計算平均值和調整目標值→調節(jié)壓差并記錄→二次測量壓差并記錄→二次計算平均值和調整目標值→調節(jié)壓差并記錄→三次測量壓差。此時每個空氣通入量已達到均值，固定空氣調節(jié)手閥，空氣量通入調節(jié)完畢，固定空氣調節(jié)手閥。

3）煤氣量通入調節(jié)。使用便攜式煙氣分析儀，對燒嘴燃燒后的廢氣進行分析，觀察剩余CO 含量和殘氧量，依照數學模型給出此時固定負載下的廢氣殘氧量（一般為3.8%～4.6%），調接煤氣流量孔板，當殘氧量高于5%或者更大，需增大煤氣量；當殘氧量低于3.3%或CO 值不為0 時，減小煤氣量。煤氣量通入需至少二次調節(jié)，當廢氣殘氧量達到規(guī)定范圍后，煤氣量通入調節(jié)完成。

5.2 定期處理不著燒嘴

在在燒嘴燃燒過程中或是燒嘴在已點火狀態(tài)下，如果出現了點火失敗，或者燃燒突然終止，則該燒嘴退出參與加熱，同時相應的故障代碼出現在燒嘴控制器上。通過這些代碼，可以幫助快速找到產生故障的原因，進行相應的故障處理，恢復燒嘴的燃燒。表1 給出了匯總出了一些常見燒嘴故障代碼以及處理方法。

表1 燒嘴常見故障及處理方法

混合煤氣在燒嘴中能否成功點火，燃燒狀態(tài)是否良好，決定性因素有混合煤氣、助燃空氣和點火設備所以燒嘴故障處理主要是圍繞這幾個方面進行的具體步驟如下：

1）檢查燒嘴控制器本體。如果保險F1 損壞，會顯示51 閃爍；如果是無響應的信號輸入或者輸出；顯示02 閃爍；如果通訊出現問題，燒嘴控制器會顯示Pb 閃爍；畫面上復位次數過多，會顯示10 閃爍；

2）檢查燒嘴前煤氣截止閥。如果截止閥在點火過程中無動作，就不會有混合煤氣參與點火，導致點火失敗，燒嘴控制器上會顯示02 閃爍；檢査煤氣截止閥的氣密性是否良好，一旦出現閥門內漏，在條件合適時會造成混合謀氣自燃現象發(fā)生，燒嘴控制器上會顯示01 閃爍；

3）檢查火焰監(jiān)測單元。火焰監(jiān)測單元功能是否完好，火焰監(jiān)測單元檢測元件失效（檢測元件臟或損壞）會導致燒嘴點火過程中檢查不到火焰信號，從而顯示02 閃爍或者04 閃爍；若火焰監(jiān)測單元故障，在任何時候都會給出誤火焰信號，導致火焰檢測器顯示01 閃爍；

4）檢查點火棒。點火棒功能是否良好，點火棒連接頭有無松動及灼燒痕跡，必要時拆卸點火棒檢查點火電極是否放電，尖端是否變形，或者短路造成無法點火或點火失敗，燒嘴控制器上會顯示02 閃爍；點火棒回裝時注意安裝位置，位置不合適會導致無法點火。

6 結語

通過2021 年下半年使用和觀察，燒嘴燃燒率和加熱能力明顯提高，噸鋼煤氣消耗量有所下降，輻射管和同流換熱器損壞數量得到控制。一方面還仍需對燒嘴前煤氣電磁閥定期檢查，及時發(fā)現并處理過臟濾網；另一方面因火焰檢測元件臟或損壞，亦或是點火電極故障導致無法檢測火焰信號造成點火失敗，仍需關注，保證燒嘴不著數量維持在4%以下。