Φ26.408m环形加热炉的设计特点
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中冶东方工程技术有限公司，山东青岛266555
摘要 从炉型结构、燃烧方式等方面简单介绍了Φ26.408m环形加热炉的设计特点。
关键词 环形加热炉；炉型结构；设计特点
中图分类号TK22 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）61-0048-02
1概述
攀钢集团成都钢铁有限责任公司A-R轧管机组重建工程新建1座环形加热炉，主要生产品种有普碳钢、中低合金钢和不锈钢，年加热连铸圆管坯24.7万吨。受工厂条件限制，该加热炉采用了高炉煤气和天然气两种燃料，采用了蓄热燃烧和常规燃烧两种燃烧方式。
2环形加热炉主要技术参数
炉型：单面加热、多段供热的环形连续加热炉；炉子用途：管坯穿孔前加热；原料：连铸圆管坯；管坯规格：直径：Φ180mm，Φ220mm，Φ280mm，Φ310mm；长度：1 200mm~4 500mm； 最大单重：2 666kg；管坯装炉温度：20℃；管坯加热温度：1240℃~1 280℃；出炉管坯温度均匀性：纵向±10℃，径向±5℃；炉子产量：最大135t/h；出料节奏：最快125支/h；燃料及发热值：天然气，热值8 300×4.18kJ/Nm3； 高炉煤气，热值800×4.18 kJ/Nm3；单位热耗：1.46GJ/t(低合金钢、最大产量，出炉温度为1 250℃时) ；烧咀形式：预热段及加热段采用蓄热式烧嘴；均热段采用炉顶平焰烧嘴；炉底机械型式：双层框架梯形结构；炉内布料：单排：长度＞2 200mm；双排：长度≤2 200mm；并采用可变布料角；炉子尺寸：炉底中心线平均直径：26 408mm；炉底宽度：4 930mm；炉膛内宽：5 280mm；装出料炉门中心线夹角：15°。
3环形加热炉主要设计特点
3.1燃烧方式的确定
根据工厂所给定的燃料条件，结合本生产线无缝钢管生产的加热工艺特点，在预热段、加热I段、加热II段、加热III段选用空煤气蜂窝体双蓄热的蓄热式燃烧方式，以满足钢坯加热温度的要求。在均热I段、均热II段选用天然气平焰烧嘴的常规燃烧技术以保证钢坯长度方向的温度均匀性。烟气中的余热大部分通过空煤气蓄热式烧嘴将热量回收，少部分烟气（约占烟气总量的20%）通过炉尾烟道烟囱排出，以保证炉尾不供热段的炉膛温度，满足不锈钢和合金钢的加热制度的要求。根据本生产线的加热工艺特点，宜采用单面加热、多点供热的环形加热炉满足管坯加热温度的要求。采用多点供热、控制灵活的燃烧系统，可根据不同钢种、规格的加热工艺，建立不同的炉温制度，以适应各自的加热要求。根据不锈钢和高合金钢的加热特点，通过多段控制来灵活的满足加热要求。环形加热炉可根据产量、规格的不同，灵活调节炉内装钢量，以避免低产和更换规格时管坯在炉时间过长而导致过度氧化和脱碳。选用空煤气双蓄热和常规燃烧相结合的燃烧方式，通过合理控制烟气流向，有效控制炉尾排烟温度，以适应合金钢和不锈钢加热时对低温区加热速度的要求。
3.2 装出料方式的确定
一般环形加热炉均采用夹钳式装、出料机进行装、出料，本加热炉同样采用夹钳式装、出料机的方式装出料。采用行程可调的夹钳式装料机，将管坯从上料机构上夹到环形炉的炉底上，以满足炉内同时装有不同规格的管坯时调整管坯坯距。夹钳式装料机的动作由PLC在线控制。采用行程可调的夹钳式出料机将环形炉炉底上已转到出料炉门处的管坯夹出炉外。夹钳式出料机的动作由PLC在线控制。
3.3 炉型结构及燃烧系统
环形炉采用六段供热、四段炉温制度。即不供热的余热回收段、预热段、加热段和均热段。以环形加热炉的装料炉门和出料炉门为两个端点，在有效炉长上设有六个供热段，六段炉温自动控制，充分适应不同钢种（特别是不锈钢和合金钢）和规格的管坯的加热要求。炉内设有三道隔墙：1）在装料炉门和出料炉门之间的炉膛设有隔墙，此处设置隔墙的主要作用是防止低温管坯区对高温管坯区及高温出炉管坯的吸热，从而保证已加热好的管坯的出炉温度；2）在装料炉门与烟气出口之间的炉膛设置隔墙，烟气出口处为负压，为防止炉膛从装料炉门吸入大量的冷空气，造成热量损耗和氧化烧损的增加，必须设置此隔墙；3）在均热段靠近出料炉门处炉膛设置隔墙.此处隔墙主要是防止出料时对均热段炉膛温度的影响。隔墙采用水冷梁支撑耐火浇注料整体浇注隔墙。
在环形炉炉尾设置烟道口，通过烟道将一部分烟气由烟囱自然排出炉外。在烟道内设置炉压控制闸板，炉膛压力采用自动控制方式，确保炉膛微正压操作，减少管坯的氧化烧损。炉子留有较长的热回收段和能够灵活控制的预热段，可以根据加热管坯钢种（特别是不锈钢和高合金钢）和规格的不同，灵活操作，使装料段炉温降低，满足加热工艺要求，同时节约能耗。环形炉的燃烧系统主要由蓄热烧嘴、平焰烧嘴、换向系统、空煤气管道系统、排烟系统组成。各段烧嘴的供热能力是通过热工计算确定的，在确定各段烧嘴的供热能力时考虑了一定的富余能力，便于各段炉温制度的调节。各供热段烧嘴数量及供热能力分配见表1。
预热段、加热I段、加热II段、加热III段采用空煤气蓄热式烧嘴。加热炉内外环侧墙每个柱间布置一组空气和煤气蓄热烧嘴，上层为空气烧嘴，下层为煤气烧嘴，这样在管坯表面形成一层煤气保护层，隔绝炉内助燃空气，有效减少钢坯的氧化烧损。实现烧嘴的小能力多点供热。这样既有利于各段温度的调整控制，又节省空间，保证内外环烧嘴对称布置，充分发挥蓄热燃烧的优势。烧嘴部分是由箱体、蓄热体和喷口砖组成。箱体是放置蓄热体的设备，也是热交换的区域。它的外壳是由型钢及钢板焊接而成，四壁由轻质低水泥浇注料砌筑而成，中间堆放蓄热体。加热炉共布置24对空煤气蓄热烧嘴。
均热I段、均热II段采用平焰烧嘴顶部供热，平焰烧嘴具有燃烧稳定、结构简单、使用方便的特点。助燃空气呈强旋流带动煤气旋转喷出，配合喇叭口形烧嘴砖形成紧贴炉顶向四周均匀伸展的圆盘形火焰，空煤气混合均匀，火焰辐射能力强，可保证炉宽方向温度场均匀且易于维持炉底正压。加热炉共布置24个平焰烧嘴。换向系统是蓄热式加热炉的关键系统，本方案采用全分散换向系统。空煤气蓄热烧嘴用三通换向阀进行换向，每两个空气蓄热烧嘴配置1个空气三通换向阀，每两个煤气蓄热烧嘴配置1个煤气三通换向阀。既保证了烧嘴的灵活控制，又节约了成本。环形炉共布置有24只空气三通换向阀和24只煤气三通换向阀。换向阀的主要功能有：定时换向，定温换向，手动换向，超温报警，动作异常报警等。当换向阀阀位异常或长时间动作不到位时，显示屏上会出现报警指示灯闪烁并指示故障点所在位置，伴随蜂鸣器报警，系统作出相应的应急反应或人工干预。为避免蓄热系统在换向过程中引起炉压等参数波动过大，在换向控制中采用不同步换向方式，这样加热炉的炉压控制更为容易。
炉子的供风系统采用两台节能型风机，一用一备。在风机吸风口设置有消声器。电机采用变频调速控制，以调节空气流量和压力，确保风机在合理的工作范围内，防止发生喘震。由助燃风机供给的冷空气其中四路通过换向阀后接至预热段和加热段相应的蓄热式烧嘴上，完成热交换后喷入炉内燃烧。另一路经过烟道内的空气换热器后分两路分别接至均热I段、均热II段各平焰烧嘴空气支管。六个供热段分别配置各段段管，单独测量和调节各段流量。每段空气段管上都安装有流量计和自动调节阀。
蓄热烧嘴用的高炉煤气和平焰烧嘴用的天然气通过工厂管网分别接至炉前。高炉煤气总管上分别设有一道煤气无泄漏电动蝶阀、一道电动盲板阀、一道快速切断阀。高炉煤气总管最低点设置手动排水装置，由人工定期排除管道内积水至就近排水沟内。在天然气总管上分别设有一道无泄漏手动蝶阀、一道手动盲板阀、一道快速切断阀和一道自动压力调节阀，以保证天然气内网压力满足系统要求。煤气总管分四路分别进入各段管，再由数根管道接至相应的蓄热式烧嘴前。天然气总管分两路进入均热段段管后分别接至平焰烧嘴煤气支管上。各段段管上均设有流量计和自动调节阀，单独测量和调节各段流量。在空、煤气（天然气）压力过低或风机电源故障以及违规操作等事故情况下通过快切阀来切断煤气供应，保证炉子的安全生产。排烟系统包括排烟机、排烟管路、地下烟管和烟囱。由于采用蓄热加常规的燃烧方式，一部分烟气由炉尾经地下烟管、烟囱排入大气，在烟道内设置空气换热器和烟道闸板。烟道闸板采用铸铁转动闸板，由电动执行机构驱动，其执行机构与炉压信号联锁，以控制炉膛压力保持微正压。另一部分烟气从空煤气蓄热式烧嘴出来，温度已降至200℃以下，流经换向阀、烟管和排烟机，分别打入各自的钢烟囱排出。蓄热燃烧系统分别设置1台空气侧排烟机和1台煤气侧排烟机。在排烟管路上排烟机入口前设有烟温检测和自动调节阀，其执行机构与炉压检测信号联锁，用来控制炉膛压力。在车间厂房外设置2座钢烟囱和一座混凝土烟囱，2座钢烟囱分别用于排出蓄热燃烧系统的空气侧和煤气侧烟气，混凝土烟囱用于排出流经炉尾不供热段的烟气。
3.4 炉体主要部位耐火材料的选择
环形炉的炉墙、炉顶和炉底内衬均采用性能良好的耐火浇注料整体浇注而成，外层采用双层轻质隔热材料进行绝热，从而组成复合砌体，以提高炉子的整体性、密封性和隔热性，获得最小的热损失和最大的炉衬寿命。炉墙和炉顶耐火内衬材料由紧固在炉子金属结构上的金属锚固件和耐火锚固砖来固定，炉底内外环边缘用预制块砌筑。炉顶：共分为三层，总厚度330mm。工作层根据使用部位的温度不同，高温段选用低水泥浇注料，低温段选用粘土质浇注料，既保证了整体性能，又做到了经济适用。中层是轻质浇注料，起隔热作用。最外层是硅酸铝纤维毯，绝热效果好。炉顶砌体中设有高铝质锚固砖，浇筑时埋入浇注料中，作为骨架承受整个吊挂炉顶的重量。炉墙：共分为四层，总厚度494mm。工作层根据使用部位的温度不同，高温段选用低水泥浇注料，低温段选用粘土质浇注料，经济适用并且性能稳定可靠。接着是一层0.6的轻质粘土砖，起隔热作用，减少热损失。最外面两层分别是硅钙板和硅酸铝纤维毯，用于绝热。内外环炉墙中均设有锚固砖，防止炉墙向内倾倒，锚固砖用耐热钢扣件牢固的吊挂在侧墙钢板上。炉底：共分为五层，总厚度620mm。最上面的工作层采用低水泥浇注料整体浇注。浇注料下面是一层普通粘土砖，两层轻质粘土质，起隔热作用，隔断工作层和绝热层。最外层是硅钙板，起绝热作用。炉底内外边缘用和工作层材质相同的低水泥浇注料预制块砌筑，保证炉底耐磨抗渣，提高炉底整体使用寿命。
3.5 环缝和水封装置
为了保证炉底运转良好，在环形炉转动的炉底和固定的内外环炉墙之间留有一定的缝隙，即环缝。环形炉工作时，环形的炉底受热后向外膨胀，故在冷态时，炉子的外环缝要比内环缝的缝隙大一些。综合考虑各因素，本设计外环缝确定为145mm，内环缝确定为75mm。炉子工作时，为了避免炉内热气体溢出炉外和外界冷空气吸入炉内，应尽可能保证炉子严密，所以应对环形炉的内外缝进行密封，本环形炉的密封采用水封。水封装置由水封槽、活动刀、固定刀组成。水封槽安装在内外环的立柱上，活动刀安装在炉底上，随炉底一起转动，固定刀安装在炉墙上不动，在活动刀底部装有刮渣板，这样在炉底转动时环缝落入水封槽内的氧化铁皮和其它一些杂质，随着转动的活动刀和固定的水封槽之间相对运动，逐步被刮到水封槽上的漏斗处，最后通过漏斗定期清渣，用小车运走。水封槽为可拆卸式，便于检修和更换。水封槽内的水位采用溢流控制。
3.6 环缝和水封装置
为了保证炉底运转良好，在环形炉转动的炉底和固定的内外环炉墙之间留有一定的缝隙，即环缝。环形炉工作时，环形的炉底受热后向外膨胀，故在冷态时，炉子的外环缝要比内环缝的缝隙大一些。外环缝为145mm，内环缝为75mm。
炉子工作时，为了避免炉内热气体溢出炉外和外界冷空气吸入炉内，应尽可能保证炉子严密，所以应对环形炉的内外缝进行密封，本环形炉的密封采用水封。水封装置由水封槽、活动刀、固定刀组成。水封槽安装在内外环的立柱上，活动刀安装在炉底上，随炉底一起转动，固定刀安装在炉墙上不动，在活动刀底部装有刮渣板，这样在炉底转动时环缝落入水封槽内的氧化铁皮和其它一些杂质，随着转动的活动刀和固定的水封槽之间相对运动，逐步被刮到水封槽上的漏斗处，最后通过漏斗定期清渣，用小车运走。
3.7 余热利用，降低能耗
预热段、加热I段、加热II段、加热III段燃料为高炉煤气，采用双蓄热空煤气燃烧技术。蓄热烧嘴内蓄热体采用蜂窝体结构，蜂窝体根据工作温度的差别采用两种不同的材质，高温部分采用刚玉莫来石材质，低温部分采用堇青石材质。蜂窝体通道采用矩形结构，通道间壁厚度加厚处理以提高强度，延长使用寿命。蜂窝体在线维护时更换速度快，检修容易，蓄热利用率高。通过蓄热烧嘴把空煤气预热至约1 000℃，有效地回收烟气余热，大大降低燃料消耗，同时又利用了低热值的高炉煤气。
均热I段、均热II段燃料为天然气，采用平焰烧嘴顶部供热，燃烧后的烟气通过炉尾设置的常规烟道排出，在炉尾烟道内设置有带插入件的金属管状空气换热器。插入件式金属管状换热器与一般换热器相比，具有传热效率高、体积小、气密性好、维护方便等特点。换热器材质在低温段采用渗铝的20g无缝钢管，高温段采用0Cr17不锈钢管。进换热器的烟温约为600℃~750℃，可将空气预热至约450℃，充分利用了烟气余热，降低了能耗。
参考文献
[1]王秉铨.工业炉设计手册.北京：机械工业出版社，1996，8.
[2]《钢铁厂工业炉设计参考资料》编写组.钢铁厂工业炉设计参考资料.冶金工业出版社，1979，5.