朱 寧, 張玉峰

(東北特鋼集團北滿特殊鋼有限責任公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161041)

大棒合金鋼生產(chǎn)線設(shè)計年產(chǎn)量為45萬t，為保證鋼坯加熱質(zhì)量，特別是滿足棒材軋機對鋼坯斷面和長度方向溫度梯度的要求，均熱段可在950～1 250℃范圍內(nèi)任意溫度保溫；保溫末期坯料溫差≤30℃等問題，配備兩座步進梁式加熱爐，燃料為冷發(fā)生爐煤氣，該步進梁式加熱爐采用數(shù)字化蓄熱式燃燒技術(shù)。

加熱爐基本尺寸：裝出料輥道中心線間距35 000mm，加熱爐砌體外形長度31 400mm，加熱爐內(nèi)寬6 600mm，裝出料輥道上表面標高+6 100mm。

1 爐型結(jié)構(gòu)與特點

(1)爐型結(jié)構(gòu)設(shè)置4段，從進料端至出料端分別為預(yù)熱段、第一加熱段、第二加熱段和均熱段。為了更有效地控制各段爐溫，段與段之間設(shè)置無水冷隔墻。預(yù)熱段不供熱，且爐頂壓下。3個供熱段均為上下供熱，可分別調(diào)節(jié)熱負荷。約60%的煙氣在排煙機抽力作用下，通過蓄熱式燃燒單元的蓄熱室排出，剩余的煙氣在煙筒抽力作用下，通過設(shè)置在爐子進料端爐頂?shù)呐艧熆谂懦觥?/p>

表1 加熱爐基本參數(shù)

(2)這是一種多點供熱、多點排煙、分散排煙與集中排煙相結(jié)合的步進梁加熱爐爐型結(jié)構(gòu)，具有相當大的靈活性，可以組織多種供熱制度和溫度制度，能夠滿足合金鋼加熱的多種加熱制度的要求，對于多品種小批量生產(chǎn)，以及保溫待軋等特殊情況都具有高度的適應(yīng)能力。

(3)不供熱的預(yù)熱段爐頂壓下，有利于強化爐氣與鋼坯表面之間的對流傳熱，充分利用燃燒產(chǎn)物的顯熱，也有利于減少加熱段向預(yù)熱段的輻射傳熱，更好地控制爐尾溫度。

(4)爐底支撐梁和步進機構(gòu)分為前后2段，每段可以單獨運行，所以能夠更好地滿足易脫碳鋼減少高溫下停留時間、快速出爐的需要。

2 加熱爐工藝描述

2.1 裝爐準備

從連鑄輥道送來的鋼坯在爐外的入爐輥道上自動測量長度，超長、超短、彎曲度過大的鋼坯被剔除，合格鋼坯繼續(xù)前進并在輥道上按照布料圖自動定位，等待入爐。

2.2 鋼坯裝爐

當允許裝料的信號到達、裝鋼輥道已經(jīng)停止運轉(zhuǎn)、裝料端爐內(nèi)有放置1塊鋼坯的空位、裝料爐門打開到指定位置、步進梁處于下位時，裝鋼機在下位前進，將鋼坯推正，然后上升托起鋼坯，前進到達設(shè)定位置，而后下降，把鋼坯放在固定梁上，在下位返回原位，裝料爐門關(guān)閉，完成裝料。

2.3 鋼坯在爐內(nèi)運行

步進梁的運動是周期性的，運行軌跡是矩形，如圖1所示。

圖1 步進梁循環(huán)曲線

周期運行前，步進梁停①點位，周期運行時根據(jù)運行動作時間表，步進梁首先由①點位向②點位做上升運動,中間有加速、減速過程，將鋼坯輕輕托起。

當步進梁上升到達②點位后,開始水平運動。當步進梁到達③點位后,再由③點位向④點位作下降運動，中間經(jīng)過加、減速過程，將鋼坯輕放于固定梁上。

當步進梁到達④點位后,給出加熱爐可以出鋼信號。然后步進梁由④點位回到①點位，完成一個正循環(huán)，將鋼坯向出料段輸運了一個行程。

通過步進梁的周期運行，將入爐鋼坯一步一步地向出料端輸運。加熱爐步進機構(gòu)最小出鋼周期45s，行程330mm。

2.4 鋼坯出爐

在軋機要鋼信號得到確認，步進系統(tǒng)接收到正循環(huán)動作指令后，步進梁開始上升，托起鋼坯，按上升速度控制要求完成上升動作。步進梁上升到位后，在聯(lián)鎖保證條件下，步進梁開始前進。

步進梁前進時，出料輥道停止運轉(zhuǎn)，出料爐門處關(guān)閉狀態(tài)。當步進梁到達最前位置后開始下降，將鋼坯放在固定梁上，步進梁由低位返回。出料爐門打開，出鋼機在下位前進，前進到位后上升托起鋼坯，后退到設(shè)定位置，再下降，將鋼坯放在出爐輥道上，由低位返回原位，出料爐門關(guān)閉，完成出料。

當出料位置有料，活動梁處于下位時,接到要鋼信號，此時出料爐門開啟達到設(shè)定位置后，出鋼機前進到達爐內(nèi)設(shè)定位置后上升托起鋼坯，后退到輥道設(shè)定位置，而后下降將鋼坯放到出爐輥道上，由低位返回原位，出料爐門關(guān)閉，完成出料。

2.5 裝料和出料保護

裝鋼輥道、裝鋼機、裝料爐門、步進梁采用PLC進行邏輯控制。在裝鋼時裝鋼輥道停止轉(zhuǎn)動、裝料爐門打開、步進梁處于下位、裝鋼位有空位方可裝鋼。當出鋼時，出鋼輥道停止轉(zhuǎn)動、出料爐門打開、步進梁處于下位、出鋼位有坯料方可出鋼。鋼坯的裝出料操作、計數(shù)和物料跟蹤以及與軋機的信息交換，均通過PLC系統(tǒng)進行定時、順序、聯(lián)鎖與邏輯控制，實現(xiàn)操作自動化和計算機管理。

3 數(shù)字化蓄熱式燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)是火焰爐的核心，直接決定了爐子是否能滿足工藝要求以及爐子的各項技術(shù)經(jīng)濟指標。該步進式加熱爐采用的燃燒系統(tǒng)是數(shù)字化蓄熱式燃燒系統(tǒng)，不同于常規(guī)燃燒未進行數(shù)字化的燃燒方式。

3.1 數(shù)字化蓄熱式燃燒方式與其它燃燒方式的對比

3.1.1 數(shù)字化燃燒方式

數(shù)字化燃燒方式與常規(guī)燃燒方式根本區(qū)別是調(diào)節(jié)供熱量的手段不同。

常規(guī)燃燒方式。供熱量的調(diào)節(jié)是通過改變?nèi)剂虾涂諝忾y門的開度，進而改變?nèi)剂虾涂諝獾牧髁縼韺崿F(xiàn)的?；鹧媸沁B續(xù)的，火焰特性隨供熱量大小而改變。

數(shù)字化燃燒方式。供熱量的調(diào)節(jié)是通過改變?nèi)紵龝r間來實現(xiàn)的?；鹧娌皇沁B續(xù)的，是斷續(xù)的，火焰特性(如：尺寸、動量、溫度分布、空燃比等)不隨供熱量大小而改變。所以，數(shù)字化燃燒方式具有兩個主要特點：(1)始終保持穩(wěn)定的、滿足工藝要求的最佳火焰特性，有利于減小爐內(nèi)溫差，提高爐溫均勻性。(2)供熱能力的調(diào)節(jié)比相當大，一般可達1∶10以上，適用于要求供熱量調(diào)整幅度很大的場合。

3.1.2 蓄熱式燃燒方式

現(xiàn)代蓄熱式燃燒方式是將小型蓄熱室與燃燒器有機結(jié)合起來，形成蓄熱式自身預(yù)熱式燒嘴。依靠蓄熱體的蓄熱與放熱，將排煙溫度降低到150～180℃，可以將空氣預(yù)熱到1 000℃以上。與空氣(煤氣)不預(yù)熱、或采用金屬換熱器預(yù)熱、包括換熱式自身預(yù)熱式燒嘴在內(nèi)的燃燒方式相比，具有兩個最重要的特點：(1)具有更高的理論燃燒溫度，從而高溫爐可以使用像高爐煤氣這樣的低熱值燃料，并且可以加快鋼坯的加熱速度，縮短加熱時間。(2)具有更高的煙氣余熱回收率、燃料節(jié)約率,更低的溫室氣體排放率，因而可以進一步降低加熱爐的單位熱耗指標，進一步提高熱效率。但是，常規(guī)蓄熱式燃燒方式仍然是采用連續(xù)調(diào)節(jié)方式調(diào)整供熱量的大小。

3.1.3 數(shù)字化蓄熱式燃燒方式

數(shù)字化蓄熱式燃燒方式是將蓄熱式燃燒方式與數(shù)字化控制方式有機結(jié)合在一起形成的，集兩者的優(yōu)勢于一身，所以兼?zhèn)鋬烧叩奶攸c：(1)始終保持最佳火焰特性。(2)供熱能力的調(diào)節(jié)比相當大。(3)具有更高的理論燃燒溫度。(4)具有更高的燃料節(jié)約率和更低的溫室氣體排放率。

3.2 數(shù)字化蓄熱式燃燒單元

數(shù)字化蓄熱式燃燒系統(tǒng)由若干個數(shù)字化蓄熱式燃燒單元和一套專用的數(shù)字化蓄熱式燃燒控制系統(tǒng)組成。該數(shù)字化蓄熱式燃燒單元由一個(或一組)空氣蓄熱室、一個(或一組)空氣噴嘴、一個(或一組)煤氣噴嘴、三臺手動金屬密封調(diào)節(jié)閥、一臺雙執(zhí)行機構(gòu)的空、煙氣動三通閥和一臺煤氣氣動快切閥組成，簡稱為燃燒單元。

全爐采用上下組合式空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴；通過控制蓄熱系統(tǒng)的排煙管道上的電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)蓄熱室的排煙溫度及爐膛壓力；蓄熱燒嘴采用全分散換向系統(tǒng)，爐壓穩(wěn)定，調(diào)節(jié)靈活，保障連續(xù)生產(chǎn)；燃燒系統(tǒng)由蓄熱式燒嘴、換向裝置、煤氣系統(tǒng)、供風系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等幾部分組成。

3.3 供熱分配和燒嘴布置

全爐共設(shè)置60個蓄熱式燒嘴，分別布置在一加熱段、二加熱段和均熱段。所有燒嘴全部安裝在爐子的側(cè)墻上。各段燒嘴能力按額定供熱量的115%配置。

表2 供熱分配和燒嘴布置

3.4 燒嘴結(jié)構(gòu)

縮短鋼坯在高溫區(qū)的停留時間和減少鋼坯表面的氧氣含量對降低燒損和減少表面脫碳十分重要；在單蓄熱時燃氣流股緊貼鋼坯表面，在鋼坯的表面形成保護性氣氛。燒嘴由空氣蓄熱噴口、發(fā)生爐煤氣噴口組合而成，上加熱，煤氣噴口在下，空氣噴口在上；下加熱，煤氣噴口在上，空氣噴口在下；盡量在鋼坯的上下表面形成還原性氣氛，降低氧化燒損和表面脫碳。

燒嘴結(jié)構(gòu)及材質(zhì)保證有足夠長的使用壽命。燒嘴與爐墻之間的結(jié)合部處理得當，既要方便安裝，又要杜絕冒火現(xiàn)象的出現(xiàn)。

蓄熱式燒嘴采用雙流股蓄熱式燒嘴形式，強化爐溫的均勻性。既考慮低熱值燃氣的燃燒混合問題，保證煤氣的完全燃盡，又實現(xiàn)爐膛溫度的均勻性。

燃燒噴口是燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，設(shè)計上選擇最優(yōu)的氣體出口速度以及混合噴射角度。既確保燃氣在爐內(nèi)充分燃盡，不會在對面的蓄熱體內(nèi)繼續(xù)燃燒而對其造成損壞，同時又合理促成低氧燃燒的實現(xiàn)，避免出現(xiàn)局部的高溫過熱。既強化爐溫的均勻性，減少NOX等有害氣體的生成，又減小高溫下脫碳情況的發(fā)生。

3.5 蓄熱體

蓄熱體采用陶瓷蜂窩體。高溫段材質(zhì)為高純鋁質(zhì)材料，保證有較高的耐火度和良好的抗渣性，低溫段材質(zhì)為堇青石，堇青石的特點是在低于1 000℃的工況下具有較好的抗腐蝕和耐急冷急熱性。蜂窩體的前端增加高鋁質(zhì)擋磚，增加蜂窩體的堆放穩(wěn)定性，減少高溫爐膛對蜂窩體的輻射。

3.6 換向系統(tǒng)

空氣—煙氣換向系統(tǒng)采用全分散換向方式。換向閥門全部為氣動，以潔凈的壓縮空氣作為動力源，氣源壓力不低于0.4MPa。全爐60個蓄熱式燒嘴，共采用30臺用于空—煙氣換向的三通換向閥，30只煤氣快速切斷閥。每套燒嘴使用1套換向系統(tǒng)，不致于像集中式換向那樣要將出現(xiàn)問題的那一段全部停下來,保證操作的連續(xù)性和生產(chǎn)穩(wěn)定性。換向閥可以與燃燒噴口之間就近布置，縮短了換向閥與噴口之間的換向盲區(qū)，最大限度減少了交叉污染帶來的不安全因素。采用時序換向方式，每套換向裝置換向時對爐壓的影響大為減小，精確控制了各部分爐溫、爐壓，提高了爐子的控制性能和鋼坯加熱質(zhì)量。

4 結(jié)語

步進式加熱爐自2009年投產(chǎn)至今，運行穩(wěn)定、效果良好，采用數(shù)字化蓄熱式燃燒方式達到了大幅節(jié)能的效果，同時減少污染物排放。經(jīng)濟效益和環(huán)保效益顯著。