管坯加热炉的发展历史及应用现状

-1-管坯加热炉的发展历史及应用现状(作者单位)摘要：在钢管的生产工艺中，轧前的管坯加热工艺是非常重要的工序之一，管坯是否达到要求的加热温度以及管坯本身的温度是否均匀等因素都会影响到最终所生产钢管的质量。本文详尽的介绍了管坯加热炉的发展历史和应用现状，并针对目前先进的蓄热式环形加热炉做了重点介绍，本文所做工作为管坯加热炉的发展起到了一定的指导作用。关键词：管坯加热，蓄热式加热炉HistoricalDevelopmentandApplicationSituationofReheatingFurnaceforHeatingTubes(作者单位)Abstract：Thereheatingtechnologyisveryimportantforthesubsequentsteeltuberollingproduction.Thequalityofsteelproductscanbecontrolledbythequalityofreheatingwhichischaracterizedbyuniformityofthetemperatureacrossthetubes.Thepaperintroducesthedevelopmenthistoryandapplicationsituationofreheatingfurnaceforheatingtubes,andaimingattheadvancedregenerativerotaryreheatingfurnace,thispaperwillplayacertainroleforthedevelopmentofreheatingfurnace.Keywords：heatingtubes，regenerativerotaryreheatingfurnace1引言钢坯热炉是无缝钢管热轧生产线上的重要热工设备，其加热质量直接影响钢管的质量，能耗和氧化烧损直接影响钢管的成本，设备状况和操作水平直接影响钢管的产量。管坯加热炉作为一种续加热炉，需要满足多种加热制度的要求。连续生产线的管坯加热主要采用连续加热炉，管坯不断由炉温较低的一端(炉尾)装入，以一定的速度向炉温较高的一端(炉头)移动，在炉内与炉气反向而行，当被加热管坯达到所要求温度时，便不断从炉内移出。在炉子稳定工作的条件下，一般炉气沿着炉膛长度方向由炉头向炉尾流动，沿流动方向炉膛温度和炉气温度逐渐降低，但炉内各点的温度基本上不随时间而变化。应用于管坯加热的连续式加热炉，主要包括：斜底式加热炉、推钢式加热炉、步进式加热炉和环形加热炉等。2斜底式加热炉斜底式加热炉最早应用于钢管生产中管坯的加热。其炉底为一斜面，圆柱形管坯在斜形耐热滑轨上受热并滚动前进，一般采用端进侧出，燃料可为油或煤气、天然气等，斜底式加热炉的基本结构示意图如图1所示[1]。-2-图1斜底式加热炉示意图斜底式加热炉管坯由装料口进入加热炉，在重力的作用下经炉底或者炉底滑轨运动到出料端，然后由出料口出炉，一般采用端进端出的装出炉方式。斜底式加热炉的烧嘴一般布置在炉顶，炉气经炉体由上部排烟口排出[2,3]。3推钢式加热炉推钢式加热炉是轧钢车间使用历史较长的一种炉型，其主要的特点是结构简单，投资省，建造快，维修也比较方便。推钢式加热炉按照炉型主要可以分为二段式加热炉、三段式加热炉和多段式加热炉[4]。三段式推钢加热炉的结构简图如图2所示。图2推钢式加热炉示意图推钢式加热炉的供热点(即烧嘴安装位置)一般设在均热段端部和侧部，加热段上方和下方的端部和侧部。设在端部的烧嘴有利于炉温沿炉长方向的分布，但它的缺点是烧嘴安装比较复杂，且劳动条件较差，操作也不方便。烧嘴安装在侧部的优缺点正好与安装在端部相反。在加热炉上设上、下烧嘴加热，有利于提高生产率，这是因为坯料受两面加热，其受热面积约增加一倍，这相当于减薄了近一半的坯料厚度，这样就缩短了对坯料的加热时间。另外两面加热还可消除坯料沿厚度方向的温度差，这对提高产品的质量无疑将是有利的[5-7]。4步进式加热炉步进式加热炉与推钢式加热炉相比，其基本的特征是管坯在炉底上的移动靠炉底可动的步进梁作矩形轨迹的往复运动，把放置在固定梁上的管坯一步一步地由进料端送到出料端[8]。图3是步进式加热炉示意图。-3-图3步进式加热炉示意图步进式加热炉在在炉长一定的情况下，炉内管坯数目是可变的，炉内坯料间可保留一定的间隙，这样加热温度比较均匀，加热质量好，改善了劳动条件，在必要时可以将炉内坯料全部或部分退出炉外，开炉时间可缩短，由于不容易粘钢，因此可减轻繁重的体力劳动，和轧机配合比较方便、灵活[9,10]。5常规环形加热炉环形加热炉的示意图如图4所示。环形加热炉借炉底的旋转，使放置在炉底上的管坯由装料口移到出料口，炉子用侧进料、侧出料的方式，常规燃烧式环形加热炉使用侧烧嘴或者顶部平焰烧嘴向炉内供热。沿炉长一般可以分为预热段、加热段和均热段。环形加热炉由可以转动的炉底部分及固定的炉墙和炉顶部分构成的环形隧道所组成。圆型的炉顶由若干个扇形组成，可以采用拱顶，也可以采用吊顶。炉墙分为内环和外环，烧嘴装在侧墙上，烧嘴数目和供热分配各段不同。图4常规燃烧式环形加热炉示意图环形加热炉目前已被广泛的应用于加热管坯及形状不规则的料坯，其工艺已经日益成熟。环形加热炉相对于一般形式的加热炉有其自身的优点，主要表现在以下几个方面：1)炉子的转速和管坯之间的间隔距离可以准确地控制，各段的温度可以根据-4-需要通过调整供热量及利用中间烟道实行控制，炉子的产量、热工制度等都有较大的灵活性；2)由于管坯间有间隙，使得管坯温度均匀，没有水管黑印，加热质量好；3)可以加热形状不规则的料坯；4)和传统的斜底炉相比，加热圆坯时不需要翻料，沿炉长没有高差，漏入的空气少，可以采取微正压操作，降低烧损率；5)炉子可以排空，避免停轧时料坯在炉内长期停留，以便于更换料坯；6)水冷件较少，热量损失较少。环形加热炉因为自身形状及工艺特点的原因，也有其固有的缺点，如：机械设备复杂、占地面积大、投资费用高；燃用高热值煤气、排烟温度较高；炉底利用率低、炉底强度小等。6蓄热是式环形加热炉蓄热燃烧式环形加热炉的炉型结构和常规燃烧式环形加热炉基本相同，但在供热方式上，蓄热燃烧式环形加热炉是将蓄热式燃烧技术应用于环形加热炉，以取代常规燃烧供热方式。蓄热式环形加热炉简图如图5所示。图5蓄热燃烧式环形加热炉简图蓄热燃烧技术就是采用蓄热体，将高温烟气的热量最大限度地留在蓄热体内，使烟气温度降到200℃以下排放，然后让被预热气体经过蓄热体，吸收蓄热体内的热量，使之温度预热到高温烟气温度的80%～90%，从而达到高效换热的目的。蓄热式燃烧技术的优点主要有以下几方面[11-13]。(1)“极限”回收烟气余热预热空气。采用蓄热式燃烧技术可实现烟气余热的“极限”回收，能使助燃用的冷空气预热到800℃以上的高温。显然，空气被预热到高温增加了供入炉内的物理热，具有明显的节能效果。(2)低空气系数燃烧。采用低空气系数燃烧是比较经济的节能措施。在保证完-5-全燃烧的前提下，空气系数越小，节能效果越显著。蓄热式燃烧技术由于采用了烟气余热的“极限”回收技术，使助燃剂温度预热到燃料着火点温度以上，燃料与氧气分子一接触便能迅速燃烧；而且由于炉内烟气部分回流，燃烧火焰体积成倍增大，燃料与助燃剂在炉内能均匀混合。因此，蓄热式燃烧技术在接近1的空气过剩系数下也能实现完全燃烧。(3)压力损失小。蓄热式燃烧技术采用蜂窝陶瓷蓄热体，压力损失相当小，通常只有相应陶瓷球蓄热体压力损失的1/3。由于蓄热式燃烧系统中，采用通风机送风，而风机的轴功率与压力成正比。因此，必须从经济上考虑压力损失对风机的设备费用、运行费用的影响。(4)蓄热式燃烧技术的应用使燃料消耗降低，从而显著降低了CO2等温室气体的排放量。节能多少，CO2排放量就降低多少，蓄热式燃烧技术能实现节能60%以上，也就可减少CO2排放量60%以上。(5)NOX生成量极大降低。NOX主要有热力型和燃料型。蓄热式燃烧技术燃用气体燃料为主，气体燃料中含氮化合物少，因此燃料型NOX生成极少。NOX的生成速度主要与燃烧过程中的火焰最高温度及氮、氧的浓度有关，其中温度是影响热力型NOX的主要因素。蓄热式燃烧技术生成NOX极少的原因主要在于炉内平均温度升高，但没有传统燃烧的局部高温区。同时炉内高温烟气回流，降低了氮、氧的浓度；再者气流速度大，燃烧速度快，烟气在炉内停留时间短。(6)燃烧完全，烟尘量少。由于助燃剂空气被预热到800℃以上的高温，燃料首先进行诸如裂解等重组过程，形成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件。燃料与高温空气混合后便马上着火燃烧，燃烧的火焰体积成倍扩大，反应区域也随着增大。由于燃料与助燃剂在炉内混合均匀，在低空气系数下也可实现完全燃烧，烟气中烟尘含量少。目前国内蓄热式燃烧技术尽管得到了广泛的应用，但蓄热式燃烧技术在环形加热炉中的应用还处于起步阶段，这主要是因为对炉内发生的高温烟气流动规律、炉内发生的各种传热传质现象、低热值煤气的蓄热燃等过程缺乏深入的理论和实验研究，具体表现在以下几方面[14-16]：(1)在蓄热烧嘴非对称布置、窄空间内实施蓄热燃烧技术的空煤气交角和燃烧状况等尚不清楚。(2)蓄热式燃烧方式在应用于环形加热炉时由于其内外环的蓄热烧嘴数量不一致，不符合蓄热燃烧的对称布置结构，这种非对称布置蓄热烧嘴的结构对炉内燃烧形成的温度场、流场会有什么样的影响目前尚不知晓。(3)在额定负荷和小负荷运行时、以及加热段蓄热烧嘴频繁换向过程中如何保证管坯的均匀加热，并实现环形加热炉的最优加热制度目前还没有实现的先例。-6-7小结本文针对管坯加热炉开展研究，详细分析了应用于管坯加热的斜底式加热炉、推钢式加热炉、步进式加热炉、传统环形加热炉和蓄热式环形加热炉的运行原理及在加热管坯过程中的优缺点，最终认为蓄热式环形加热炉以其高生产效率和低燃料消耗成为当今管坯加热炉发展的方向，但作为一种新型的管坯加热炉，蓄热式环形加热炉也有其自身发展的问题，尚需对其进行进一步的研究。参考文献[1]王建荣.斜底式管坯加热炉的设计及使用[J].钢管，1999，28(2)：24-27.[2]陈野林，王秀荣，孙庆文等.斜底炉炉膛温度-燃烧控制系统[J].河南冶金，1998，(4)：45-46.[3]张学成，高振兴，魏玉芝.斜底式加热炉的改造[J].钢管，2001，30(5)：49-50.[4]李淑琴，刘洪，李军.加热方坯、圆坯蓄热推钢式连续加热炉的开发和实践[J].工业加热，2004，33(6)：36-39.[5]胡海涛.节能型推钢式连续加热炉的设计与实践[J].冶金能源，1995，14(6)：23-25.[6]白泽华，赵钰，谢民.推钢式加热炉的节能降耗[J].冶金动力，1998，(6)：29-30.[7]孙守为，吴鸿英，张镭.八钢线材连续推钢式加热炉的计算机自动控制系统[J].新疆冶金，1997，(1)：35-39.[8]黄作为，刘铁男.步进式加热炉的设计[J].工业加热，2005，34(4)：34-36.[9]沈勤荣.步进梁式方坯加热炉的新发展[J].能源工程，2000，(5)：30-32.[10]罗侠，刘中强，戴南琪.步进梁式加热炉中的节能技术[J].节能，2004，(1)：29-30.[11]蒋绍坚，彭好义，艾元方等.一种新型烧嘴及其高效节能低污染特性分析[J].工业炉，2000，22(3)：7-10.[12]郑兆平.蓄热式燃烧技术综述[J].钢铁研究，1999，(6)：48-51.[13]戴祝平，徐永圣.蓄热式燃烧技术的应用[J].江苏冶金，2005，33(6)：37-38.[14]吴存宽，吴彬林.高温空气燃烧技术的发展与应用[J].工业炉，2003，25(2)：13-18.[15]代朝红，温治，朱宏祥等.高温空气燃烧技术的研究现状及发展趋势[J].工业加热，2002，(4)：11-15.[16]许荣，郑树良.蓄热式燃烧技术与环形加热炉[J].工业炉，2005，27(2)：14-17.