厚板坯步进梁式加热炉

厚板坯步进梁式加热炉
王　珍　鞍钢设计研究院工业炉室　(邮编:114021)
摘要　文章论述了我国第一座自行设计、
制造、施工、且冷热态试车一次成功的厚板坯步进梁式加热炉。

三年多的生产实践证明,该炉炉型设计经济合理,步进机构稳定可靠,步进梁至今无泄漏拉裂现象,跑偏量小。

炉子采用的PL C 计算机控制及DCS 系统实现最佳燃烧控制实可用靠。

关键词　设计　步进梁　加热炉　间隙　节能
W a lk i ng Beam Furnace for Hea ti ng Th ick Pla te B illet
W ang Zhen
(A nGang D esig n and R esea rch Institu te ,114021)
Abstract T he p ap er states the structu res and featu res of w alk ing 2beam heating fu rnace of
A nGang T h ick 2P late P lan t .T he fu rnace w as equ i pp ed w ith PL C com p u ter con tro l and DCS sys 2tem in o rder to gain the best com bu sti on .
Key words design ,w alk ing 2beam heating fu rnace ,gap ,energy 2saving
收稿日期:1999-03-10 修稿日期:1999-07-01
1　前　言
鞍钢厚板厂从1993年6月投产以来,厚板产品
在国内外市场销售一直看好,两年多时间仅一台推钢式加热炉就生产了120多万t 厚板,为该厂创造了巨大效益。

为了满足市场需求,公司决定1996年的生产计划由50万t 扩大到100万t 。

因此,需增建一台步进梁式加热炉,以达到提高板坯加热质量和增加产量的目的。

根据公司的实际情况,公司决定这座步进梁式加热炉由鞍钢设计研究院设计,鞍钢自己制造、施工、调试。

除板坯的装出料PL C 控制与日本中外炉公司联合设计和部分烧嘴引进外,其余主要设备由鞍钢设计研究院完全靠自己的技术力量,在3个月时间内设计出了我国第一座国产化程度最高的厚板坯、双排料大型步进梁式加热炉。

该炉仅经过3个月的调试(包括计算机软件调整、调试以及电气设备、机械设备联调),在1996年
元月末正式投产。

投产以来受到用户的好评,使用情
况和各种性能指标均达到了国内外先进水平。

体现
的优点如下:
(1)板坯加热温度均匀,钢坯沿水冷却炉梁面通过炉膛,板坯底面局部冷却黑印明显见小;
(2)板坯在步进炉内可随意和均匀地留设间隙,不粘钢;
(3)加热速度快,减少了钢坯氧化和脱碳;
(4)钢坯与水梁上的垫块不摩擦,杜绝了板坯在通过炉膛的过程中,出现滑轨产生的轧不掉的划痕; (5)不受薄料和不规整板坯限制;
(6)可根据需要通过步进机构出空或退空炉内坯料,防止钢坯过烧、氧化,缩短停炉时间,减轻劳动强度;
(7)加热操作灵活,可根据需要任意减小和加宽板坯的间距来调整产量,且加热时间不变;
(8)板坯轻拿轻放,避免撞击所造成的氧化铁皮脱落,炉底迅速长高现象,相应水管包扎寿命明显高于推钢式加热炉。

(9)由于炉型选择侧下加热式,操作环境明显好于轴向加热炉型。

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2　炉型结构及燃烧系统设计 2.1　炉型结构设计
目前国外对于大型板坯步进梁式加热炉设计已发展到第三代炉型。

第一代炉型为最早的美国表面燃烧公司发明的上下加热全侧向烧嘴供热炉型;第二代炉型为上加热为曲线全轴向加热炉顶,下加热为全侧向加热;第三代炉型为当今世界技术最成熟、最先进、最有经验的法国斯太因公司及日本中外炉公司设计的炉型。

他们推荐的是上加热全辐射炉顶,下加热为全轴向加热的炉型。

实践证明各代炉型各
有利弊。

第一代炉型简单投资少,但钢坯加热在长度方向温度明显不均,加热质量差一些;第二代炉型投资少,操作环境好,但有一定的局限性,不适合8m 以上宽的炉子;第三代炉型造价高,也不适合鞍钢实际情况,全辐射炉顶要全燃煤气,而鞍钢厚板厂远离鞍钢厂区,没有足量的煤气,主要燃料为重油,板坯规格为(2.75～4)m ×(1.15～1.55)m ×(0.17～0.385)m ,针对这些条件经过多方案比较论证,最终确定了既借鉴法国、日本炉型优点又适合我国国情、鞍钢厂情的改进式的第二代炉型,最大产量170t h ,额定能力135t h ,砌体尺寸10136mm (宽)×35340mm (长)。

炉型如图1所示。

图1　鞍钢厚板厂步进梁式加热炉炉体简图
此种炉型上部均热段采用平顶式配备双旋流平火焰烧嘴。

一上、二上加热段为轴向供热,炉下部均热、一下加热、二下加热段全部侧向供热,共6点供热,此种炉型改变了以往全轴向炉顶状态,克服了炉宽方向的温度不均,增大辐射温压,提高加热速度,减少炉口吸风量,降低钢坯烧损,提高了加热质量。

而一上加热、二上加热采用曲线炉顶轴向供热,解决了无煤气需燃重油的难题,火焰对钢坯表面适当的热冲击减薄了钢坯表面冷附面层,增加了传热量。

这种炉型造价大大降低,维修量也小,由于烧嘴个数减少,操作也方便,炉子总供热能力为253GJ h 。

2.2　燃烧系统及控制
各段烧嘴个数及参数见表1。

双旋流式平火焰烧嘴是当前国内外先进燃烧设备,使用情况证明,燃烧混合煤气效果比较理想,火焰为盘状,温度均匀、寿命长。

高压内混油烧嘴点火容易,燃烧稳定,更换油枪方便,造价低;而低NO x
表1　各段烧嘴个数及参数
序号
部位烧嘴名称数量
能力制造
1上均热段
双旋流式平火焰
24170m 3 h ・只国内制造2一上加热段高压内混式8190kg h ・只国内制造3二上加热段高压内混式8132kg h ・只国内制造4下均热段低NO x
可调焰8100kg h ・只日本引进5一下加热段低NO x 可调焰8240kg h ・只国内制造6
二下加热段
低NO x 可调焰
8
190kg h ・只日本引进
烧嘴是国内外最先进的燃烧器,它可以大大降低燃料燃烧生成的氧化氮(NO x )排放到大气中的数量,NO x 与碳氢化物(HC )结合成的光化学烟雾,对人体危害很大,是一种必须加以控制的有害气体。

对大型加热炉来说,废气量大,炉温高,促进了NO x 的生成。

低NO x 燃烧器可通过两次风调节,限制NO x 的
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2
生成量,将NO x还原N2,有利于环境保护。

更重要的一点是,低NO x可调焰烧嘴可形成长火焰,使鞍钢厚板厂步进梁式加热炉采用极限炉宽的侧加热炉型取得了成功。

经过实践,在关键部位的一下加热段采用国产的低NO x烧嘴火焰长度达到了4.5～5 m。

下均热由于无煤气燃重油,这对于步进梁式加热炉条件是恶劣的,钢坯加热质量很难保证,但采用日本中外炉低NO x烧嘴后解决了人们的顾虑。

二下加热段两侧墙设计各4个低NO x烧嘴,操作灵活,适应鞍钢厚板厂特定的生产品种变化多、批量小、炉子能力变化频繁的特点。

二侧8个二下加热烧嘴可以方便地随生产节奏和板坯规格变化增减开启数量,即改变加热段长度,选择合理的加热制度,从而达到节能降耗的目的。

由于采用低NO x烧嘴,NO x生成量大幅度下降。

一般NO x量在大型炉子可达(400～500)×10-6,而厚板坯步进梁式加热炉NO x量可控制在(60～100)×10-6,完全达到200×10-6以下的环保要求。

整个燃烧系统采用微机DCS燃烧控制自动化系统,实现了最佳燃烧。

此系统综合了过程控制技术、电子回路技术、通信技术中人—机界面技术的最新技术。

3　步进梁、固定梁、升降机构及水冷系统设计
炉内分别设有4列步进梁和固定梁。

步进周期为45s,行程600mm,总提升高度200mm。

为适应炉内双排布料,设计了两套升降、平移双层框架。

通过斜台面液压分别驱动,可适应2.7～4m长坯料双排均匀布料,使生产更容易组织,具有灵活性。

步进梁靠平移框架支撑,其水平移动通过平移液压缸驱动,使它在提升框架上面的两排平移轮上滚动。

通过液压缸驱动提升框架,随着提升框架下面的滚轮沿斜台面滚动,可使步进梁做垂直升降(此时平移液压缸处于静止状态),每套升降框架两侧采用前后两组定心导向装置来克服跑偏。

全炉共2个平移液压缸,2个提升缸,液压系统靠比例阀控制。

由于比例变量系统具有精度高,动态响应快的特点,对步进机械可实现速度变化控制,使得整个升降系统结构简单,制造容易,运行可靠。

为保证步进梁、固定梁的冷却效果,保证其刚性,满足应力变化,将步进梁分为两段,固定梁分为三段,其炉尾部一段为预热段,单独设计成较短一段,有利于检修更换。

为了保证步进梁、固定梁运行稳定,增加炉梁的承载能力,减小炉梁直径,防止板坯跑偏,对整个步进梁系统采用预变形技术。

因为炉梁在高温状态下,有一定的伸长量,产生热应力,立柱会产生弯曲,引起承载能力下降。

针对这一难题,在炉梁安装时,选定按照计算的位置进行弯曲,使得炉梁受热伸长时立柱正好处于垂直状态,即无内应力或使内应力大幅度下降。

这是炉梁设计计算的关键环节。

我们在设计中进行了认真的分析,合理地计算出了预变形量。

此项技术的应用使得冷、热态试车均一次性成功,保证了移动框架步进梁整体刚性,跑偏仅15 mm,此项指标达到世界先进水平。

步进梁预变形技术的应用还可以大大降低焊缝开裂、漏水、烧毁炉梁等事故,据介绍国外引进的设备也只能保证3个月不漏水。

本炉从投产至今还没出现拉裂漏水等问题。

炉内水梁上面垫块设计选择了耐高温、耐冲击、耐摩擦的材料,其材质按炉温分段选择耐热材料,这样分段选材,经济合理、效果好,出料端经测定滑块表面温度可达1050～1090℃,板坯水印极小,保证了钢坯加热质量,达到了用户要求。

在步进梁、固定梁水冷系统进出水的软管系统安装设计中,我院吸取国内外诸多步进炉施工安装的经验教训,进出水点接头方式严格按照国家标准设计成U形连接方式,管之间间隙设计合理,没有造成摩擦,投产后一直正常,未出现任何问题。

另外,在步进梁、固定梁下端排水点中安装一个排污阀,可解决排污除垢和开炉初期排气问题。

投产应用至今已3年,没发生水梁堵塞、烧漏的停产现象。

4　板坯的装出炉PLC控制
厚板坯步进梁式加热炉PL C控制比推钢式加热炉多了一套配有合理联锁条件的板坯间隙、步进梁上升、前进、下降、后退的带有加减速矩形运动轨迹的控制系统,并且可实现步进梁的踏步、逆循环等特殊的工艺要求,因而实现了步进梁式加热炉全线的准确PL C位置控制。

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4.1　板坯入炉控制及推钢行程设计 厚板厂3年来加热的钢坯规格为(2500～4000)
mm (长)×(1150
～1550)mm (宽)×(140～385)mm (厚),在一炉内装相同规格钢坯的情况很少,一般都是在一炉内装几种或十几种规格板坯,一坯一换规格的情况也是有的。

生产厂要求把板坯间隙布置为相同的距离50mm ,板坯入炉方式与推钢式加热炉相同(厚板厂板坯全部为冷料),采用推钢机将板坯从入炉辊道通过上料台架推至炉内,为防止推头烧损,入炉不宜过长。

通过PL C 设定公式计算推钢最大行程4150mm ,最小3550mm ,即板坯入炉后尾端距门边(砌体边线)最小距离140mm ,最大距离740
mm ,调整范围600mm ,刚好是步进梁的一个步距。

板坯入炉尾端140～740mm ,基本可以满足步进梁托坯>3 4板宽条件,即使最窄坯子1150mm 规格也能<2 3板宽,不至于板坯托不起来。

板坯装、出炉结构尺寸参看图2。

图2　板坯装、出炉结构图
在正常生产时PL C 操作台打在装入优先位置,步进梁托起板坯运到激光器检测位置时,停止前进
(此时步进梁可以不是走在整步位置),下降回到原点。

再经出钢机完成一系列动作后,钢坯出炉,步进梁上升移动到炉尾间隙,由PL C 计算出推钢的行程够装下一块板坯时,步进梁回原点停止运动,推钢机开始装下一块板坯。

这样可以保证炉内板坯间隙均为50mm 。

4.2　板坯出炉控制及出钢行程设计
当板坯接通激光器,步进梁停止前进,回到原点时,出钢机前进将板坯托起,再后退至出料辊中心位置下降回原点。

根据图2出钢机原点设在出料辊道中心线前300mm 处,出钢行程公式可以大大简化,通过PL C 计算出出钢机行程可满足板坯托起平稳的需要。

5　节能措施及效果
加热炉的能源消耗占全厂能源消耗的70%,在
能源供应紧张、价格上涨情况下,降低加热炉的能耗有着极其重要意义,步进梁加热炉采取了如下节能措施:
5.1　炉膛水梁双层绝热包扎
由于步进梁式加热炉的水管面积大,本炉管底比将近1.0,管内冷却水带走的热量在炉子总供热量中有一定比例。

因此解决好炉内水管的隔热包扎对降耗起重要作用。

本炉采用目前国际最先进的水管双层隔热包扎技术,内层包20mm 厚的耐火纤维毡,外层捣打国产重质高强浇注料,厚度60mm 。

从使用情况看寿命可达3年,低温段使用寿命预计超过5年,创国内寿命最长的记录。

双层隔热相对单层隔热,热损失可降低50%～60%。

5.2　纤维喷涂技术的应用
在炉子尾部炉顶及上排烟道和换热器室内采用喷涂纤维技术,结构轻便,施工快捷,解决了炉子尾部温度低、浇注料烧结困难、强度低、寿命短的问题,达到了节能、长寿的效果。

使用3年多,至今完好无损。

5.3　余热利用装置应用
烟气余热回收是加热炉节能的重要手段,该炉
的烟道内装有四行程高效波纹管插件换热器,可将空气预热至400～500℃,节能20%左右。

为了进一步回收烟气余热,在空气换热器后又安装了重油雾化用蒸汽加热器,将160℃饱和蒸汽加热到300℃,强化了油雾化,节能10%。

更重要的一点是解决了现场没有过热蒸汽的难题,否则,若新建锅炉将增加投资200余万元。

5.4　多效重油添加剂的应用
该炉以重油为主要燃料,随着石化工业的不断发展,重油的质量不断下降,重油粘度大、雾化困难、燃烧不完全、浪费能源、污染环境。

为解决这一问题,使用了多效重油添加剂,改善了重油燃烧条件。

多效重油添加剂技术作用机理及应用效果同重油乳化技术有着本质区别,多效重油添加剂含有引发剂、催化剂、稳定剂及防腐剂等成分,属油容性的,易与重油呈均相混合,有极强的分散能力,能将重油中的胶质沥青所形成的胶团和悬浮物离散,形成微
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小颗粒,显著地降低重油粘度,改善雾化条件并在燃烧过程中起催化作用,提高燃烧速度。

其使用效果十分显著:重油粘度下降30%,油泵输送能力增强,节电13%;重油燃烧火焰明亮,无黑烟、无雪花、燃烧稳定,烧嘴结焦堵塞情况明显减少;节油达14%。

节能措施的采用使炉子的实际单耗为1.6GJ t钢,达到国内同类炉型的特等炉水平。

6　经济效益和社会效益 厚板坯步进梁式加热炉建成投产至今已生产130万t厚板,如以每吨钢板平均获取利润150元计算,现创效益近2亿元人民币。

由于步进炉加热钢坯温度均匀,加热质量高,扩大了产品品种,提高了成材率,目前在逐渐增加生产工艺复杂要求的特殊国防、军工用板的力度。

产品通过美国、德国、英国、法国、挪威、韩国、意大利等7国船级社认证。

投产至今出口钢板为鞍钢创汇近2亿美元。

(上接第16页)
助燃风机采用变频调节时,在炉窑工作的低温升温阶段,由于炉窑所需热量小,燃料量消耗小,需要的助燃风量也少,由图2特性曲线可知,此时风机变频调节的特性曲线与图5的特性曲线相矛盾。

即当变频调节增大转速n,使压力H升高以满足最小的P1时,在P1点的风量Q也相应增大,而此时管道阻力较大(燃烧器系统阀门开度小)。

由于风机供给的风量Q大于管路出口能流出的风量Q’,从而管路及风机出现风喘和喘振,风机工作不稳定,影响炉窑工作。

若降低Q使之与Q’相一致,则又产生了H不能满足助燃风压力P1的问题。

而采用阀门(或档板)调节风机时,在风机进风口处调节,则由图2可知,风量减小,但风压仍保持较大值,从而可以较好地解决燃烧与风机工况的统一,使之既符合炉窑工作特性,又能满足风机特性曲线。

因此,对于第三类风机中的助燃风机,当炉窑工艺要求燃烧器在低负荷有一定的工作时间时,采用阀门调节风机是较好的选择,选择助燃风机变频调节要慎重。

对于设有调温风的燃烧器,调温风机的主要作用是调节喷出气体的温度,并保持燃烧器在低负荷燃烧时具有一定高的喷出速度。

其工作特性曲线在低负荷燃烧区,风机H-Q曲线处于额定工作点附近,炉窑工作特性曲线适于变频调节调温风机(参见图4)。

在高温阶段,炉窑工艺要求调温风量既要尽量小,以保持有高的燃气温度,又要保持一定的压力,以使燃烧器工作正常,这与助燃风机在低负荷工作阶段遇到的情况相似,此时,选用调温风机变频调节要注意解决风机特性与炉窑工艺系统的矛盾。

在图3的间歇窑风机变频调节实践中,对第一、二类风机采用变频调节,可节电50%～60%,调节性能极大地完善,可靠性好。

对第三类中的助燃风机和调温风机,采用变频调节和阀门调节相结合的方法。

在风机不稳定工作区,采用阀门调节风机作补偿的方式,使炉窑工艺要求与风机特性相统一,效果较好,节电率达50%。

但设备投资较大。

在炉窑投资受限的情况下,第三类风机中的调温风机和助燃风机,单采用阀门调节风机的方式,可较好地满足炉窑的工作特性。

4　结束语
风机变频调节作为一项节能技术和新工艺,在炉窑上使用时,既要满足炉窑的工作特性,又要做到风机特性与炉窑特性的统一。

炉窑用第三类风机的变频调节选择要视具体情况慎重抉择,要注意解决不稳定工作区域的问题。

炉窑第一、二类风机适于选择变频调节。

参考文献
1　池桂兴.工业炉节能技术.北京:冶金工业出版社,1994.7.
2　工秉铨.工业炉设计手册.北京:机械工业出版社,1996.8.
3　宋耑.现代陶瓷窑炉.武汉:武汉工业大学出版社,1996.10.
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