蓄熱式加熱爐的技術(shù)改造和優(yōu)化

       從20世紀(jì)末開始，蓄熱式燃燒技術(shù)在我國得到了迅猛的發(fā)展，然而在實踐中又常被人所詬病，例如“雙蓄熱技術(shù)只是為了使用低熱值高轉(zhuǎn)爐煤氣，節(jié)能效果不明顯”以及“蓄熱式燃燒設(shè)備、材料可靠度不高，節(jié)能不節(jié)錢”等議論。這種褒貶不一的評價對蓄熱式技術(shù)的發(fā)展及推廣帶來很大的負(fù)面影響，爐壓高、燒損大似乎成了蓄熱式加熱爐的通病。相當(dāng)一部分蓄熱式加熱爐開始時節(jié)能效果尚可，使用一段時間后能耗逐步升高，尤其是一些蓄熱式燒嘴磚隨爐墻一起塌落到爐內(nèi)，爐墻與燒嘴之間的結(jié)合處躥火、高爐煤氣泄漏等現(xiàn)象時有發(fā)生。上述問題既影響了鋼鐵企業(yè)的效益和安全生產(chǎn)，同時對蓄熱式技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展也帶來相當(dāng)大的阻力。
       本文通過對一座棒線材蓄熱式推鋼加熱爐和一座帶鋼蓄熱式步進(jìn)梁加熱爐問題的分析，實施改造方案，并對最終改造效果進(jìn)行分析，可為部分“帶病工作”的蓄熱式加熱爐進(jìn)一步優(yōu)化提供一些借鑒，同時也通過結(jié)論還原加熱爐蓄熱式燃燒技術(shù)的本來面貌，為蓄熱式燃燒技術(shù)的推廣提供有益的參考。
       一、蓄熱式加熱爐基本條件和存在問題
       1、D公司棒材蓄熱式推鋼加熱爐
       D鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司一棒材生產(chǎn)線蓄熱式推鋼加熱爐于2010年8月投產(chǎn)，投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)諸多問題，嚴(yán)重影響加熱爐的產(chǎn)能并存在一定安全隱患，經(jīng)過兩次整改后依然沒有明顯的改變，故2012年末D公司委托我公司對該爐進(jìn)行有針對性的改造。
       （1）加熱爐基本條件
       加熱爐為蓄熱式推鋼加熱爐；換向系統(tǒng)采用三通換向閥，分段分側(cè)換向；加熱爐的主要結(jié)構(gòu)尺寸為：有效長度：27000mm；加熱爐內(nèi)寬：12700mm；上爐膛高度：1500mm；下爐膛高度：2000mm；坯料規(guī)格為150mm×150mm×12000mm，最大 160mm×160mm×12000mm；加熱爐產(chǎn)量：180t/h （冷坯），最大產(chǎn)量200t/h；加熱鋼種：低合金鋼、碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼；燃料及發(fā)熱值：高爐煤氣熱值2928kJ/Nm3（Nm3為標(biāo)準(zhǔn)立方米），接點(diǎn)壓力為5～10kPa。
       （2）存在的主要問題
       加熱爐能耗較高，噸鋼高爐煤氣消耗量310～340m3；鋼坯氧化燒損高達(dá)1.2%以上，約4個月清渣一次；爐膛壓力80Pa以上；三通閥故障率高；多處蓄熱式燒嘴與爐墻結(jié)合處躥火，泄漏煤氣。
       （3）原因分析
       加熱爐設(shè)計的蓄熱體數(shù)量不足，且所選擇的陶瓷蜂窩體蓄熱能力不足是影響爐膛壓力和能耗的主要因素；蓄熱式燒嘴在設(shè)計上沒有考慮到偏流問題，造成加熱爐蓄熱能力的進(jìn)一步不足；對于本加熱爐27m的有效長度、180t/h的冷裝產(chǎn)能而言，爐膛高度相對于燃燒強(qiáng)度而言顯得偏低。
       氧化鐵皮的生成過程主要取決于爐內(nèi)氧化性氣氛、爐膛溫度、鋼坯超過900℃高溫下的滯留時間。原蓄熱式燒嘴噴口角度設(shè)計不合理，空氣、煤氣蓄熱溫度不足，造成了高爐煤氣和助燃空氣混合燃燒速度較慢，只有人為地提高空氣過剩系數(shù)才能保證高爐煤氣的完全燃燒，進(jìn)而造成爐膛形成氧化性氣氛。同時爐內(nèi)水梁強(qiáng)度不夠，致使水梁出現(xiàn)較嚴(yán)重的下?lián)�、震動等問題。水梁的劇烈震動造成附著在鋼坯表面的氧化鐵皮很容易被震落，鋼坯裸露的部位又會形成新的氧化鐵皮層，這也是氧化燒損較重的原因之一。原蓄熱式燒嘴的結(jié)構(gòu)、密封設(shè)計不合理是造成燒嘴與爐墻結(jié)合處躥火的主要因素，爐膛壓力高是出現(xiàn)燒嘴躥火漏氣的次要因素。
       2、F公司1000mm帶鋼步進(jìn)梁加熱爐
       F鋼鐵公司1000mm帶鋼1#加熱爐于2009年1月投入生產(chǎn)，投產(chǎn)不久加熱爐就暴露出產(chǎn)能不足、燒損高的問題，尤其是爐墻和蓄熱式燒嘴經(jīng)常出現(xiàn)倒塌和傾覆事故。2011年6月因爐墻傾斜，更換了全部燒嘴磚，重新澆筑爐墻。使用一個月后，均熱段爐墻又出現(xiàn)傾斜倒塌。上述問題嚴(yán)重影響軋線的正常生產(chǎn)，為解決這些問題，消除缺陷和隱患，F(xiàn)公司決定對該爐進(jìn)行綜合優(yōu)化改造，改造后的加熱爐總體要求是：高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗，生產(chǎn)操作簡便，使用安全、可靠。
       （1）加熱爐基本條件
       加熱爐為蓄熱式步進(jìn)梁加熱爐；換向系統(tǒng)采用分散換向；上下組合蓄熱式燒嘴；加熱爐的主要結(jié)構(gòu)尺寸為：有效長度：28750 mm；加熱爐內(nèi)寬：9700mm；上爐膛高度：1650mm； 下爐膛高度：2200mm；坯料規(guī)格：長度900～4500 mm，寬度500～900mm，厚度180～200mm；加熱溫度1180～1280°C；加熱爐產(chǎn)量150t/h（冷坯）；加熱鋼種：低合金鋼、碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼；燃料及發(fā)熱量：高爐煤氣熱值3344kJ/Nm3，接點(diǎn)壓力5～10kPa。
       （2）加熱爐存在的主要問題
       加熱爐產(chǎn)能不足，僅能達(dá)到120 t/h，與設(shè)計要求相差較大；鋼坯氧化燒損高達(dá)1.5%以上；爐膛壓力70～80Pa；爐墻與燒嘴結(jié)合處多處冒火，泄漏煤氣，燒嘴磚向爐內(nèi)傾覆、塌落；三通閥故障率高，蓄熱體壽命短。
       （3）原因分析
       上下組合結(jié)構(gòu)蓄熱式燒嘴是造成燒嘴傾覆、塌落的主要原因，這種結(jié)構(gòu)使得上下燒嘴之間較窄的縫隙內(nèi)無法有效地填實澆注料，施工過程中燒嘴中間位置必然存在澆注料虛填情況。當(dāng)爐膛壓力較高時，爐內(nèi)的熱氣流會不斷地通過此縫隙向外涌，在長期沖刷下，此縫隙中的一些施工時留下的粉料被沖刷掉之后，爐內(nèi)的高溫氣體可將爐皮鋼板燒紅，持續(xù)到爐皮鋼板燒穿后，就形成躥火現(xiàn)象。因此解決燒嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計問題是改造的核心。這種燒嘴結(jié)構(gòu)形式的本意是實現(xiàn)鋼坯上下表面被還原性的高爐煤氣覆蓋，進(jìn)而降低氧化燒損，而在實踐中并沒有明顯的證據(jù)表明該方法對降低氧化燒損有益，而設(shè)計合理的左右布置的蓄熱式燒嘴低燒損的案例則比比皆是。
       其次，蜂窩體質(zhì)量不過關(guān)，蓄熱體抗熱振性以及抗高溫收縮性較差，蓄熱體收縮或粉碎后，煙氣或空氣煤氣從蓄熱室內(nèi)無蓄熱體的空間短路流通，蓄熱體已無法發(fā)揮蓄熱效用，加熱能力也隨之下降。
       二、改造優(yōu)化內(nèi)容
       1、D公司棒材蓄熱式推鋼加熱爐改造內(nèi)容
       拆除原有兩側(cè)墻、裝料端墻、出料下端墻及均熱段爐底（保留爐頂、出料上端墻不動），重新設(shè)計更換左右布置的防偏流蓄熱式燒嘴，重新砌筑兩側(cè)墻、裝料端墻、出料下端墻及均熱段爐底。
       采用高蓄能、長壽命陶瓷蜂窩體，加大蓄熱體裝載量；更換三通閥及支管、燒嘴前管道及閥門；更換爐皮鋼板、吹掃放散系統(tǒng)；壓縮空氣系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)；改造原有電氣自動化燃燒控制系統(tǒng)，自動化控制程序及界面重新編制；水梁重新更換，提高立柱及水梁強(qiáng)度。
       2、F公司帶鋼步進(jìn)梁加熱爐改造內(nèi)容
       更換全部蓄熱式燒嘴，由上下組合燒嘴形式改為左右交叉組合燒嘴。原有爐墻全部拆除，重新砌筑；更換全部三通換向閥及附屬管道；改造原有電氣自動化燃燒控制系統(tǒng)，將全分散換向改為分段分側(cè)換向，實現(xiàn)風(fēng)壓、爐溫、爐壓的自動調(diào)節(jié)。
       三、改造效果及經(jīng)濟(jì)效益分析
       1、D公司棒材蓄熱式推鋼加熱爐
       該加熱爐于2013年1月4日停爐開始降溫、保護(hù)性拆除，2013年2月6日開始點(diǎn)火烘爐，2013年2月21日出紅鋼。改造后的效果見表1。
      
       優(yōu)化改造尚有遺憾之處：出于投資及工期考慮，爐頂高度未做調(diào)整，若將爐頂提高150～200mm，加熱爐爐壓控制等指標(biāo)將會更好。另外，操作工仍然習(xí)慣于原有的操作方法，在原加熱爐蓄熱能力不足的情況下，均熱段是被當(dāng)作加熱段進(jìn)行操作的。改造后的加熱爐蓄熱能力充足，各供熱段升溫速度快，建議操作中適當(dāng)降低均熱段爐溫，這對進(jìn)一步降低能耗，減少氧化燒損更為有利。
從上述比較可以看出，噸鋼節(jié)約了30～60m³高爐煤氣，按照平均噸鋼節(jié)約45m³計算，D公司高爐煤氣價格為0.08元/m³，則噸鋼節(jié)約3.6元/t。噸鋼氧化燒損下降了0.27%～0.47%，按照平均下降0.37%計算，當(dāng)時棒材市場價格為3700元，則噸鋼增效13.7元。
       從上述5大指標(biāo)的比較可知，僅第1、2兩項效益就非常大，噸鋼節(jié)約增效17.3元/t，2012年一年生產(chǎn)線產(chǎn)量1.05×10⁶ t，照此計算，年可增效1.8165×10⁷元。
       2、F公司帶鋼1#蓄熱式步進(jìn)梁加熱爐
       該加熱爐于2011年11月25日停爐降溫并開始保護(hù)性拆除，2011年12月上旬開始安裝，2011年12月30日上午11時點(diǎn)火，2012年1月17日開始出鋼。改造后的效果見表2。
       
       改造中的不足之處是：過度考慮了燒嘴防偏流的措施，造成加熱爐高溫段火焰偏短；爐溫均勻性與原加熱爐相差無幾，未有明顯提高，雖然可以滿足生產(chǎn)需求，但仍有總結(jié)提高之處。
       四、結(jié)論
       （1）無論棒線材加熱爐，還是帶鋼加熱爐，應(yīng)用蓄熱式技術(shù)都可以實現(xiàn)先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)；設(shè)計布局合理的蓄熱式加熱爐與常規(guī)加熱爐相比節(jié)能降耗作用明顯，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維護(hù)成本也不高，具有廣泛的推廣價值。
       （2）不同水準(zhǔn)的蓄熱式加熱爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、維護(hù)成本差異很大，經(jīng)過再優(yōu)化的蓄熱式加熱爐幾個月就可以收回改造投資。
       （3）長壽命、高蓄能的陶瓷蜂窩體是保證蓄熱式加熱爐各種經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵材料。蜂窩體技術(shù)、質(zhì)量、壽命、成本差異懸殊，許多鋼鐵企業(yè)將陶瓷蜂窩體僅僅看作“普通的耐材填充物”，備品選擇上只追求絕對成本的最低。實際上，由此給加熱爐帶來的經(jīng)濟(jì)效益是蓄熱體價格差的幾十倍，甚至上百倍，蓄熱體的選擇應(yīng)盡可能從保證加熱爐的技術(shù)指標(biāo)入手，從而確保效益更好。
       （4）爐膛壓力是蓄熱式加熱爐控制的核心，各指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)密切，相輔相成。若爐膛壓力得到很好的控制，則蓄熱式加熱爐的產(chǎn)量、能耗、燒損等指標(biāo)都會很好；反之，指標(biāo)都差。
       （5）蓄熱式加熱爐一旦開始出現(xiàn)燒嘴與爐墻處躥火等問題，幾乎就等同于惡性循環(huán)的開始，而且這種惡化趨勢是不可逆的，只有通過大修、拆除并重新砌筑爐墻、全部更換蓄熱式燒嘴來解決。
       （6）加熱爐操作制度不能習(xí)慣性地照搬以往模式，應(yīng)符合加熱爐的自身特性，發(fā)揮蓄熱式燃燒技術(shù)的最佳效益。