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冷轧连续退火机组中辐射管加热炉设计与调试探讨
作者：于海
来源：《科技创新导报》2011年第15期
        摘 要:本文以理论与实践为基础,介绍了用于冷轧连续退火机组辐射管加热炉的设计,详细阐述了辐射管烧嘴的设计特点,烧嘴的燃烧调整等。并且还简要介绍了现在最新冷轧加热炉的最新技术。
        关键词:辐射管加热炉烧嘴烧嘴调整
        中图分类号:TG307 文献标识码:A 文章编号: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
        冷轧宽带钢连续退火炉主要用于轧后带钢的再结晶退火,以消除冷加工硬化。而连续退火炉中的加热炉设计的合理性及调试的好坏,直接影响到以后机组的正常稳定运行。
        常熟华冶热镀锌连续退火炉是我公司对热镀锌连续退火炉进行从设计、施工到调试的“交钥匙”工程,本文首先以它为蓝本详细阐述华冶热镀锌辐射管加热炉的设计、烧嘴调试,最后将对现在最新的加热炉所采用的技术进行介绍。
        2 辐射管加热炉的设计
        2.1 加热炉的目的及加热技术的采用
        在冷轧钢带的生产中,经过冷变形后的钢带要在加热炉中被加热到再结晶温度以上,使形变晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒,以消除冷轧钢带的形变强化和残余应力。
        为了满足对带钢表面质量越来越高的要求,现代的带钢连续退火炉大多采用辐射管加热炉。采用这种加热方式燃烧气体不直接接触带钢,不会对带钢表面产生氧化,而且炉内还采用氮氢混合保护气,对带钢表面还有一定的还原作用,可保证产品获得良好的表面质量。
        2.2 辐射管加热炉的辐射管形式
        在辐射管加热炉中辐射管型式多种多样,常用的有I型,U型,和W型等。最初,I型管被广泛应用,由于其内管温度高,容易破损,因此影响其使用寿命。现在一般都使用带陶瓷内管的I型管或采用U型管,W型管。关于各管型的优缺点有多种说法,但以下几点是达成共识的:
        ①辐射管表面温度的均匀性:I型最好,温差＜50℃;U型管的温差～120℃,W型管的温差～150℃,表面温度均匀性是衡量辐射管寿命的一个重要指标。
        ②采用U型,W型管的单管热负荷高,需要的燃烧器少,相应管道设计简单。
        2.3 辐射管加热炉的辐射管烧嘴
        对于辐射管中的辐射管烧嘴,其性能要求如下:
        ①不能产生过热点,峰值温度低。
        ②具有良好的火焰稳定性,在较小的空气消耗系数情况下也能稳定燃烧。在频繁开关的情况下,不至于回火或严重积碳。
        ③在燃烧调节过程中,空气消耗系数相对稳定,管表面温度无异常状况;
        ④预热器能将助燃空气预热300℃以上;
        ⑤烧嘴采用二次燃烧法,使辐射管沿长度上的温度分布更均匀,辐射管管壁温度的峰值下降,延长辐射管寿命,同时NOx浓度降低,属于低NOx烧嘴。
        2.4 辐射管烧嘴的燃烧控制技术
        对于辐射管烧嘴的燃烧控制技术按空气进入辐射管及烟气排出辐射管可分为三种,吸入式(如:武钢硅钢连退机组中加热炉),鼓入式(如:武钢硅钢连退机组中干燥炉),抽鼓式(如:武钢三冷轧热镀锌退火炉中加热炉)。见图1。现在普遍采用的是抽鼓式控制,助燃空气由助燃风机鼓入,燃料和助燃空气的比例调节可直接进行,以达到精确控制空燃比,节约燃料的目的。烟气通过排烟风机抽出,可控制辐射管内的压力,该种方式的烧嘴热效率可达55％以上。
        按对炉温的控制方式可分为比例调节燃烧控制和脉冲燃烧控制。对于比例调节燃烧控制为传统的调节方式,控制技术较成熟;脉冲燃烧控制是将燃料流量控制转化为对烧嘴燃烧时间的控制,这种控制有利于改善辐射管表面温度,增加烧嘴的调节比。
        近几年,在国内外,还开发出带蓄热室的辐射管,在辐射管的两端都有蓄热室和烧嘴,一端燃烧,一端蓄热,定时切换,采用脉冲式燃烧控制技术。这种方式应用燃料范围广,辐射管表面温度均匀,热效率可达80%～90%,但NOx排出量偏高。
        3 常熟华冶热镀锌连续退火炉加热炉的设计
        带钢厚度:0.23～1.50mm。
        带钢宽度:700～1250mm。
        生产级别:普通级(CQ),冲压级(DQ),超深冲级(DDQ)
        连续退火炉生产过程:连续退火炉由进口密封室、辐射管加热段、辐射管均热段、喷射冷却段、热张紧辊室和炉鼻六部分组成。不同钢种的带钢在连续退火炉中按照相应的退火工艺曲线进行退火,达到要求的机械性能和表面质量,并以规定的镀锌温度进入锌锅。
        3.1 炉壳
        整个炉壳为气密性焊接结构,由钢板和加强型钢组成。每个炉段之间通过采用特殊不锈钢膨胀节连接,以吸收炉长方向的热膨胀。这样的设计首先是用简单的特殊不锈钢膨胀节代替了标准的波纹补偿器(见图1),降低了制造成本;炉壳的设计由以前的片状炉壳设计改为以炉段为单位的模块化设计,炉段的模块在制造厂中完成,到现场后前一炉段与后一炉段相连后进行圆周焊即可,大大减少了现场的安装量,提高了安装速度。
        3.2 带钢支撑
        炉段内带钢由炉底辊支撑。炉底辊辊身由铬镍合金离心浇铸而成,配有带散热室的密封轴承。炉辊由交流调速马达传动,使炉辊线速度与钢带保持一致。
        3.3 液化石油气辐射管烧嘴
        3.3.1 液化石油气辐射管烧嘴介绍
        华冶辐射管烧嘴为自身预热式液化石油气烧嘴,助燃空气由每个烧嘴上配有的换热器预热到300℃。辐射管交错布置。烧嘴设有自动电子点火和电离火焰检测。
        在额定液化石油气流量下,加保温罩,稳定运行1小时后,测得辐射管外表面温度为700～810℃,表面温度共取8个测点,各测点的表面温度分布曲线如图2。
        3.3.2 烧嘴中氮氧化物生成原因
        氮氧化物的形成机理是由前苏联科学家Zeldovich提出的,是由助燃空气中的氮在高温氧化条件下形成。
        氮氧化物的分布:煤气中一般不含有氮的有机化合物,氮氧化物的来源主要为助燃空气中的氮。在烧嘴中间喷口喷燃气的工况下,氮氧化物的含量在轴平面上的分布见图3。
        从图中可看出,NOx主要是在火焰的尾部形成的,基本上是在燃料燃烧完了之后才发生,即NOx生成在“火焰面的背后”,原因是由于原子氧和氮分子反应的活化能很大,而原子氧和燃料中可燃成分反应的活化能很小,因而在火焰中不会生成大量的NOx,只能在生成反应相当晚才进行,在图中左侧的上方和下方,可以看到喷嘴出口上下两侧NOx值较高,是由于在有限空间内烟气的回流所致。
        助燃空气预热温度的影响:对于助燃空气预热温度与NOx含量之间的关系可以一般认为是预热温度越高,NOx含量越高。
        空气过剩系数的影响:不同空气过剩系数对NOx的生成量如图4,燃烧温度在空气过剩系数为1附近出现最大值,而此时NOx的生成速度即生成量也几乎达到最大值,当空气过剩系数为1.05时,NOx的生成量为最大。
        3.3.3 华冶加热炉氮氧化物排放的计算
        我国的大气污染物综合排放标准为GB16297-1996,国标中对各种污染物的排放有各种要求,涉及到工业炉的指标主要有3项:NOx、SO2、烟尘,在以天然气、液化石油气为燃料的工业炉中NOx是主要的污染物。
        国标中对NOx的规定是:最高允许排放浓度240mg/Nm3,最高允许排放速率根据不同的烟囱高度有不同的值。
        计算流程如下:
        ①将烧嘴热态试验中测得得NOx含量进行单位换算(PPM→mg/Nm3);
        ②根据加热炉整个的烟气量计算出排出速率(kg/h);
        ③根据排放速率计算烟囱高度以满足国标;
        ④当烟囱高度位于国标中两排气筒高度之间,用内差法计算其最高允许排放速率,公式如下:
        Q=Qa+(Qa+1-Qa)(h-ha)/(ha+1-ha)
        Qa：比某排气筒低的表列限值中的最大值
        Qa+1：比某排气筒高的表列限值中的最小值
        h：某排气筒的几何高度
        ha：比某排气筒低的表列高度中的最大值
        ha+1：比某排气筒高的表列高度中的最小值
        Q：某排气筒最高允许排放速率
        3.4 华冶加热炉燃烧系统的调试
        3.4.1 燃烧系统概况
        华冶热镀锌退火炉辐射管加热炉(RTF)是整个退火炉的关键部分,它将钢带从常温快速加热到再结晶退火温度,使钢带进行正常的再结晶退火。

        采用抽鼓式控制方式。
        加热炉燃烧每个区由热电偶检测炉温,通过能量时间控制控制炉温。从总管过来得主空气和液化石油气经过压力调整后,经过每个烧嘴的ON-OFF控制阀到每个辐射管烧嘴上。另外,还有点火液化石油气及点火空气分配至各烧嘴的点火烧嘴。
        3.4.2 流量调节控制燃烧系统调整
        加热炉流量控制燃烧系统的调整包括主烧嘴的调整和点火烧嘴的调整两部分。以下分别加以介绍:
        点火烧嘴的调整:主要是通过调整烧嘴前点火液化石油气和点火空气的压力以达到使点火火焰具有一定的刚性,当主烧嘴的负荷发生变化或开关时避免将点火烧嘴吹熄。压力的调整通过烧嘴前的手动调节阀的开度来进行,首先根据烧嘴热态试验时测试好的压力进行初调,再通过观察点火火焰形状再进行微调,调整好后将阀位固定。
        主烧嘴的调整:由于脉冲控制的分区为逻辑分区,不是物理分区,每个分区没有流量调节阀,因此烧嘴的调整是一个烧嘴一个烧嘴进行的。通过烧嘴前手动调节阀的开度以及检测辐射管废气烟道中的烟气含氧量,固定每个烧嘴的空燃比。
        4 加热炉的新技术发展
        对于机组产量大,钢带表面质量要求高的连续退火炉一般都采用立式炉,如国内新建的宝钢五冷轧、武钢三冷轧、首钢顺义冷轧、首钢京唐冷轧均采用立式炉,下面介绍立式加热炉所采用的最新技术。
        4.1 防止炉内产生热瓢曲
        热瓢曲是带钢产生热变形现象,它是带钢热变形不均引起的。当热应力大于相同温度下带钢屈服应力值时就产生热变形,而热应力则是由带钢沿宽度方向上温度差产生的,当这一温度差大于60℃,带钢就产生热瓢曲。
        根据钢带热瓢曲的产生机理,防止热瓢曲的技术主要有:第一,采用先进的加热辐射管烧嘴,尽可能降低辐射管表面温度差,使炉内温度场更均匀。第二是炉辊热凸度控制,炉辊一般设计成正凸度,但凸度太大,钢带易产生热瓢曲,凸度太小,钢带易跑偏,见图5。在设计上,一般炉辊的凸度设计为单锥度和双锥度,同时优化锥度角,使之既适合生产宽板,又可生产窄板。
        炉辊凸度在炉内可能会因为辊身温度不均匀而发生变化,造成钢带跑偏或瓢曲,凸度的控制就是为了在加热炉的高温状态下保持辊子的原设计凸度,避免由于辊子不接触钢带部位温度高于钢带接触部位温度而产生负凸度并造成钢带宽度方向温度的不均匀。
        在加热炉的设计上,为防止炉内辐射管加热对炉辊凸度的影响,在每根上辊的下面和之间,下辊的上面都安装了隔热板,有的公司(如NSC)还在前7根顶辊设置成炉辊室,单独对辊室温度进行控制,并在炉辊的两端喷吹冷却的循环保护气,确保炉辊端部凸度不发生变化,以免影响稳定通板。
        4.2 炉辊表面涂层的对比
        炉辊表面喷涂一定厚度的耐高温陶瓷,低温涂层LC1C,高温涂层LCO-56等。炉辊表面通过喷涂,不仅可以增强其抗温度性,提高炉辊的工作寿命;而且可以提高炉辊表面的粗糙度,有利于减少钢带和炉辊产生的相对滑动,从而,减少炉辊表面结疤或结瘤的可能性。
        现在最新的高温涂层为DPC-74,开发目的是防止在生产高Mn钢时在辊子表面形成结瘤,开发者是:KAWASAKI和PRAXAIR,使用实绩是台湾中钢、NKK、宝钢1800CAL、宝钢五冷轧。
        几种涂层的对比见表1。
        参考文献
        [1] 夏立芳,《金属热处理工艺学》,哈尔滨工业大学出版社,1998.
        [2] 饶文涛,《蓄热燃烧中NOx生成规律研究》,2004.
        [3] 黄夏兰,彭俊,《连续退火炉内带钢热瓢曲的产生机理及控制方法简介》,世界钢铁,2002.05.