文/季成東·北京富京技術(shù)公司

蓄熱式室狀加熱爐在厚壁管擠壓生產(chǎn)線中的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/季成東·北京富京技術(shù)公司

原爐型概況

內(nèi)蒙古北方重工集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“北方重工”）在2009年投產(chǎn)了兩臺(tái)用于擠壓生產(chǎn)線的室狀加熱爐，存在以下問(wèn)題：

(1）兩臺(tái)爐全部為溝道式蓄熱燃燒，通常要采用大空燃比，增加了燃料消耗，加大了鋼坯的氧化燒損；爐溫不均勻；蓋板磚壽命較短，經(jīng)常損壞；由于燃燒不充分，煙氣中有碳粒，造成蓄熱箱中的蓄熱球經(jīng)常堵塞；火焰偏軟，輻射強(qiáng)度小，升溫慢，燃耗高。

(2）控制系統(tǒng)：加熱階段能夠自動(dòng)，保溫只能手動(dòng)，不能自動(dòng)，自動(dòng)投入時(shí)波動(dòng)大（溫度波動(dòng)±30℃，爐壓波動(dòng)約±50Pa）。

(3）排煙溫度高，有時(shí)將排煙調(diào)節(jié)閥膠圈燒壞。

新建爐情況

2012年，北方重工為擴(kuò)大鋼管生產(chǎn)力，解決生產(chǎn)P91、P92鋼管的瓶頸問(wèn)題，擬新上一臺(tái)燒嘴蓄熱式室狀加熱爐。設(shè)備整體主要由爐體、燃燒系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、爐門及壓緊機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)等組成。爐體采用全澆注料結(jié)構(gòu)。爐體由型鋼和鋼板焊接而成；燃燒系統(tǒng)采用蓄熱式燃燒技術(shù)，爐門采用雙層鋼構(gòu)及含鋯和含鉻折疊塊組成。工件放置于爐底200mm墊鐵上。北京富京技術(shù)公司根據(jù)原爐情況進(jìn)行了認(rèn)真總結(jié)，在招標(biāo)比價(jià)中中標(biāo)此加熱爐項(xiàng)目。

新建爐與原爐型設(shè)計(jì)方案相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1）采用蓄熱狀蜂窩體和格柵磚，外掛方式。能夠保證蓄熱體的清潔，不至于在蓄熱體壽命周期內(nèi)老化，降低了排煙溫度。且采用燒嘴分散換向，避免控溫滯后，適當(dāng)減少換向周期，保證換向閥墊圈壽命。

(2）爐門采用摩根含鉻或奇耐含鋯纖維折疊塊，爐門鋼結(jié)構(gòu)采用雙層防變形結(jié)構(gòu)，采用雙層壓緊軸壓緊，解決爐門過(guò)寬壓不緊的問(wèn)題。

(3）燃燒系統(tǒng)由坑式小球蓄熱箱改為側(cè)墻外掛蜂窩體蓄熱燒嘴，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊；燃燒完全，降低氧化燒損；采用燒嘴單控，開(kāi)閉靈活，更容易控制，能夠獲得好的爐溫均勻度；采用零啟動(dòng)換向燃燒，可以保證在升溫開(kāi)始時(shí)換向系統(tǒng)的開(kāi)啟，更有利于節(jié)約能源，且保證燃燒的穩(wěn)定；蓄熱體更換簡(jiǎn)單方便，降低了工人維修強(qiáng)度。

蓄熱式燃燒技術(shù)

蓄熱式燃燒技術(shù)即高溫空氣燃燒技術(shù)（HTAC），是一種全新燃燒技術(shù)，它具有高效煙氣余熱回收和高溫預(yù)熱空氣以及低污染排放等多重優(yōu)越性。其設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 蓄熱式室狀加熱爐

(1）燃燒原理。

當(dāng)燒嘴A處于燃燒狀態(tài)時(shí)，被加熱介質(zhì)（助燃空氣/燃料）通過(guò)換向閥進(jìn)入蓄熱室，高溫蓄熱體把介質(zhì)預(yù)熱到比爐溫低130～150℃的高溫，通過(guò)燒嘴磚進(jìn)入爐內(nèi)，進(jìn)行彌散混合燃燒。而另一個(gè)配對(duì)的燃燒裝置B則處于蓄熱狀態(tài)，高溫?zé)煔饬魅霟霣，將蓄熱體加熱，煙氣溫度降到150℃左右后流過(guò)換向閥經(jīng)排煙機(jī)排出。燃料、空氣預(yù)熱各設(shè)置一臺(tái)排煙機(jī)，只預(yù)熱空氣則設(shè)置一臺(tái)空煙排煙機(jī)。

(2）蓄熱式燒嘴的優(yōu)點(diǎn)。

節(jié)約能源、提高爐溫均勻性、提高傳熱效率、降低NOX濃度。

(3）蓄熱式扁平上噴口式燒嘴結(jié)構(gòu)。

燒嘴布置在兩側(cè)墻下部，火焰由下向上噴射，而后對(duì)側(cè)排煙，即每個(gè)燃燒排煙的過(guò)程（換向周期）都能形成U型輻射面，從而延長(zhǎng)了火焰在爐內(nèi)停留的時(shí)間，加強(qiáng)了火焰與被加熱工件傳熱。天然氣采用小管與空氣垂直噴入、保證混合均勻、形成火幕結(jié)構(gòu)。燒嘴的半內(nèi)混結(jié)構(gòu)，提升了火焰的輻射強(qiáng)度、剛度，有效地對(duì)工件進(jìn)行均勻加熱，提高了升溫速度?？杖?xì)饣旌暇鶆?，空燃比更接近理論空燃比?0.5：1）。

控制系統(tǒng)

控溫方式：保溫階段采用脈沖燃燒控制，通過(guò)控制燒嘴開(kāi)閉的時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)爐溫，反應(yīng)快，消除滯后現(xiàn)象；升溫階段可采用連續(xù)控制方式，實(shí)際溫度一直在追趕設(shè)定溫度，從而真正實(shí)現(xiàn)了爐溫的自動(dòng)控制，避免了單一連續(xù)調(diào)節(jié)的弊病。

采用PLC可編程控制器控制，可完成自動(dòng)程序換向控制，手動(dòng)強(qiáng)制換向控制，并設(shè)有功能顯示，工作狀態(tài)顯示等，使操作者對(duì)蓄熱燃燒系統(tǒng)工作情況一目了然，操作和監(jiān)視十分方便。每只燒嘴設(shè)有煙溫超溫報(bào)警及換向超時(shí)報(bào)警裝置，可以發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，將出現(xiàn)問(wèn)題的蓄熱式燒嘴單獨(dú)自鎖、并顯示故障位置及原因。PLC可編程控制器如圖2所示。

圖2 PLC可編程控制器

爐襯結(jié)構(gòu)

新加熱爐爐墻由水泥澆注料外加絕熱磚和硅鈣板砌筑，爐頂采用整體澆注的復(fù)合砌體結(jié)構(gòu)。加熱爐砌筑的設(shè)計(jì)充分考慮了工作面的耐溫、耐沖刷性，各結(jié)合面的密封和隔熱，以確保加熱爐在使用中的嚴(yán)密性、安全性以及最小的散熱損失，保證爐子的壽命和熱效率。為滿足在環(huán)境溫度25℃時(shí)，爐體外表面溫度不超過(guò)50℃（GB/T 3486—1993），經(jīng)計(jì)算得出加熱爐爐墻、爐頂耐火砌體的構(gòu)成，見(jiàn)表1。

爐襯嚴(yán)格按照相應(yīng)的烘爐曲線升溫、保溫，保證爐襯完成游離水、結(jié)晶水的析出，從而完成爐襯烘干、燒結(jié)的過(guò)程。這是保證窯爐壽命的最關(guān)鍵步驟和部位。烘爐低溫采用烘爐管，高溫采用蓄熱燒嘴的方式，保證爐襯在不受外力磕碰的條件下能夠保證壽命達(dá)到5年。

表1 爐窯各結(jié)構(gòu)層構(gòu)成

鋼結(jié)構(gòu)

主要由立柱（側(cè)柱和前、后柱）、加強(qiáng)型鋼、爐壁鋼板及固定爐子附屬構(gòu)件的各類鋼結(jié)構(gòu)組成。在充分考慮到爐子整體強(qiáng)度、架體結(jié)構(gòu)下?lián)?、變形等?wèn)題的基礎(chǔ)上，盡量輕型化。

爐體外壁為6mm的厚鋼板，側(cè)立柱、后立柱采用25＃工字鋼；門柱采用方箱式結(jié)構(gòu)，立柱間及立柱頂端之間均設(shè)置拉筋，受力好，兼顧耐用。

平臺(tái)、梯子和欄桿

在爐子周圍和爐頂?shù)母鞑僮?、檢修區(qū)域，根據(jù)需要設(shè)有操作、檢修平臺(tái)及梯子。平臺(tái)、通道和梯子均設(shè)有安全防護(hù)欄桿，爐頂走欄和護(hù)欄，三者之間構(gòu)成回路。平臺(tái)、通道根據(jù)不同部位分別由型鋼和花紋鋼板、柵隔板組成。

平臺(tái)及梯臺(tái)等一切安全要求符合國(guó)家安評(píng)標(biāo)準(zhǔn)要求，符合《兵器工業(yè)安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化》的要求。

爐底結(jié)構(gòu)

爐底是承載工件的平臺(tái)，本爐底的尺寸是3.5m×7.6m，爐底由表面立砌高鋁磚（抗氧化鐵皮腐蝕）和平砌粘土磚和輕質(zhì)磚構(gòu)成，標(biāo)高為+0.4m，可以保證與進(jìn)出爐操作機(jī)相匹配，爐底上平鋪3條墊鐵，工件置于墊鐵上。

爐門及升降機(jī)構(gòu)

爐門鋼結(jié)構(gòu)

圖3 爐門鋼結(jié)構(gòu)

爐門鋼結(jié)構(gòu)如圖3所示。爐門采用雙層鋼結(jié)構(gòu)焊接，爐口四周及爐門周邊護(hù)板采用耐熱鋼Cr25Ni20材料制作，爐口護(hù)板與護(hù)板安裝座用防轉(zhuǎn)耐高溫螺栓連接。邊框厚度25mm，防止出料、進(jìn)料時(shí)對(duì)工作人員的輻射。

爐門內(nèi)襯

爐門內(nèi)襯耐火纖維氈與纖維折疊塊復(fù)合結(jié)構(gòu)采用摩根含鋯材質(zhì)（如圖4所示）。保證爐門的保溫性，使?fàn)t門完全密封，內(nèi)襯做成四周帶密封凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)，并采用隔板使?fàn)t門四周的纖維與內(nèi)部纖維隔開(kāi)。這樣只要更換四周的纖維就可以完成爐門的小修，減少了維修成本和工作量。

圖4 爐門內(nèi)襯

爐口護(hù)板

在爐口下部及兩個(gè)前側(cè)柱和爐頂橫梁上安裝耐熱鑄鋼護(hù)板，材質(zhì)為G35Cr24Ni7SiN，在爐門壓緊時(shí)可保證爐門和爐口的密封效果，不會(huì)漏火和吸冷風(fēng)。鑄鋼護(hù)板的形狀采用“L”型，盡量減輕爐口部位可能對(duì)爐門立柱造成的熱輻射。

爐門的驅(qū)動(dòng)及密封

爐門由單個(gè)電動(dòng)提升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行提升和下降。雙排鏈輪、雙排套筒滾子鏈和軸承安裝在封閉的爐門橫梁內(nèi)，鏈條安裝在爐門中間重心兩側(cè)。鏈條與爐門的連接處有可調(diào)裝置，調(diào)節(jié)爐門的平行度。爐門平衡錘安裝在爐門側(cè)立柱內(nèi)。采用四點(diǎn)提升。防止?fàn)t門在升降過(guò)程中跑偏。在爐門上方立柱間安裝隔熱屏，隔熱屏與爐門內(nèi)壁距離大于100mm。

爐門密封

爐門壓緊裝置設(shè)置上、下、左、右四邊斜面結(jié)構(gòu)，保證了超寬爐門能夠與爐口很好的貼合。爐門與爐口采用自重壓緊密封結(jié)構(gòu)：當(dāng)爐門下降到位時(shí)，通過(guò)設(shè)置在左右爐門柱、爐頂、爐底壓緊槽處的斜塊，將爐門壓緊到爐口護(hù)板上，當(dāng)爐門需要提升時(shí)，斜塊將爐門推離爐口，然后再進(jìn)行提升，防止?fàn)t門密封纖維被剮蹭掉，比一般的密封機(jī)構(gòu)要先進(jìn)實(shí)用。

總之，良好的密封是爐溫均勻性的保證，爐壓保證在+10～20Pa是形成均勻溫度場(chǎng)的前提，此密封方案是可行的。

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

加熱爐的考核指標(biāo)

表3為加熱爐測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。以上加熱爐的最終驗(yàn)收考核中，所有指標(biāo)一次性通過(guò)，受到了用戶的一致好評(píng)。圖5為加熱爐全貌圖。

表3 加熱爐測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)（驗(yàn)收考核指標(biāo)）

圖5 加熱爐全貌圖

經(jīng)濟(jì)性分析

新加熱爐建成后，氧化率比原內(nèi)置蓄熱式爐降低1%，因燒嘴式采用零啟動(dòng)換向燃燒，點(diǎn)火燒嘴開(kāi)啟即啟動(dòng)蓄熱式燃燒，而常規(guī)蓄熱式是只有在爐溫到達(dá)650℃以上才啟動(dòng)換向燃燒的，在低溫段無(wú)任何節(jié)能措施，因此單耗降低60m3/t。

(1）節(jié)能量計(jì)算。

單臺(tái)年產(chǎn)8500t計(jì)算：

氧化燒損率：8500tx1%=85t；

節(jié)氣量：60m3/t x8500t=510000m3；

減排量CO2：510000m3x2=1020000kg= 1020t。

(2）合計(jì)費(fèi)用。

燃?xì)赓M(fèi)：510000m3x3元/m3=1530000元；

多出鋼：85tx10000元/t=850000元；

總計(jì)：2380000元，投資回收期10個(gè)月。

意義

燒嘴式加熱爐作為厚壁管擠壓前加熱設(shè)備，節(jié)省空間、占地面積小、便于排布擠壓機(jī)、除鱗機(jī)等主機(jī)設(shè)備是其最大特點(diǎn)，且更適應(yīng)擠管工藝的布置，便于采用同一個(gè)裝取料機(jī)裝、出料；同時(shí)省去臺(tái)車及牽引，降低了臺(tái)車進(jìn)、出爐的熱損失，提高了熱效率；同時(shí)若干臺(tái)的室狀加熱爐同時(shí)加熱、保溫，生產(chǎn)效率高，且適應(yīng)不同錠型的加熱，堪比連續(xù)爐；燒嘴式加熱爐設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、造價(jià)低廉。用燒嘴式加熱爐加熱坯料，只需5h左右時(shí)間，既提高了生產(chǎn)效率，也起到了非常好的節(jié)能效果。

從使用蓄熱燒嘴式燃燒技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果可以看出，上噴式更加適合寬爐膛的室狀加熱爐，更加適合擠管工藝的加熱（富京技術(shù)已經(jīng)先后安裝四臺(tái)同樣加熱爐）。在燃燒技術(shù)和爐型特點(diǎn)上具有很大的優(yōu)勢(shì)，特別是經(jīng)過(guò)業(yè)內(nèi)人士的不斷探索，該技術(shù)將更加趨于完善，必將為企業(yè)和社會(huì)作出更大的貢獻(xiàn)。