第一章 加热炉汽化冷却系统概述

第一章加热炉汽化冷却系统概述

1.1 加热炉（尤其蓄热式）一应用概况

加热炉是轧钢生产中不可缺少的设备之一，它在很大程度上影响着产品的质量和技术经济指标[1]。钢铁企业轧钢领域蓄热式换热技术的应用，可从以下几个方面来分：

从炉型上分：有推钢式加热炉；步进梁式加热炉；车底式炉；均热炉；罩式炉；带材连续式热处理炉及冶炼连铸领域的烘烤设备。

从匹配的轧机分：棒材、高速线材、中厚板、热带、H型钢、及型钢等加热炉。其中以步进梁炉为主。

从加热的钢种分，普碳、低和金和特殊钢加热炉。（暂无加热硅钢坯的业绩）从加热钢坯规格分：方坯最长达16m，断面最大为300×400mm；板坯最长达15.6m；板坯厚：250mm~300mm。

在轧钢生产中加热炉必须满足几方面的要求：生产率高、加热质量好、燃耗低、劳动条件好、寿命长。为了达到这几方面的要求，必须很好的掌握加热炉的结构、原理和设计方法，以便选好、用好、改造好和设计好所需的加热炉。采用这项技术的企业主要还是集中在地方中小型和民营钢铁企业，并且大部分都是烧纯高炉煤气的蓄热式加热炉，因此这些企业加热钢坯的燃烧成本低，钢铁产品的价格竞争性强，利润率高。其中代表性的烧高炉煤气的蓄热式步进梁式加热炉有：一是唐山国丰的1450mm连铸连轧工程，加热的板坯长15.6m，小时产量达290t的步进梁式加热炉，采用的也是烧高炉煤气的蓄热式步进梁式加热炉，该座炉子已经顺利投产。加热质量、产量、热耗都达到预想的效果。唐钢连铸连轧，板坯长15m，产量250t/h，也是烧高炉煤气的蓄热式步进梁式炉，也成果显著[2]。

1.2加热炉的组成结构及热工控制

1.2.1加热炉的结构

一般加热炉由以下几部分组成：炉膛、燃料系统、供风系统、排烟系统、冷却系统、余热利用装置等。按钢料在炉内的运动方式分类：推钢式炉、步进式炉、辊底式炉等等。按空气和煤气的预热方式分类：不预热式炉、换热式炉、蓄热式炉。

蓄热式燃烧系统由蓄热室、煤气燃烧室、换向系统、供风系统、煤气系统、排烟系统等组成，主要由蓄热式烧嘴和换向系统组成。蓄热室布置在炉子两侧，并以炉子中心线成对称布置。每个“烧嘴”包括一个空气喷口和一个煤气喷口，成上下布置，其中上加热煤气在下，空气在上；下加热煤气在上，空气在下。空气、煤气喷入炉膛后，边混合边燃烧造成高温、低氧环境，使NOx的生成量大大降低，这种燃烧方式可以达到节能环保的目的。

换向装置是加热炉的重要部件，整个燃烧过程都是靠换向装置完成的。其原理是采用蓄热室预蓄热，达到在最大程度上回收调温烟气的温热，提高助燃空气温度的效果。包括俩部分，高炉煤气、空气换向，换向阀换向。

换向一：高炉煤气、空气分别经换向阀，通过左边的煤气蓄热室B、空气蓄热室A在烧嘴1燃烧。高温废气由烧嘴2经煤气蓄热室B、空气蓄热室A分别将蓄热室内蓄热体加热后通过换向阀排出。见图1-1

换向二：换向阀换向：煤气、空气分别经右边煤气蓄热室B、空气蓄热室A 被室内炽热的蓄热体预热（预热温度达1000ºC以上）后在烧嘴2燃烧，高温废气由烧嘴1经煤气蓄热室B、空气蓄热室A分别将室内蓄热体加热后，通过换向阀排出。见图1-2

图1-1 换向阀状态一

1.2.2加热炉热工控制要求

三段炉温自动控制

三段炉压自动控制

炉压分三点控制，通过同时同向调节排烟机空气、煤气系统炉压调节阀来实现。

三段空燃比自动比例调节

排烟温度调节及超温报警

通过调节空、煤气侧排烟管上的炉压调节阀来实现，即通过调节各段空、煤气侧排烟管上的炉压调节阀间的比例设定值而使每段间空、煤气蓄热室的烟气温度趋于一致；排烟温度超温(>180℃)报警，并有信号输出给换向阀控制器，>200℃时实现强制换向。

煤气总管低压报警、煤气总管自动切断，切断点在煤气分管快切阀。

空气、压缩空气总管低压报警，煤气总管自动切断，切断点在煤气分管快切阀。

设4点CO检测报警装置

1.3 蓄热式加热炉汽化冷却系统的发展和现状

1.3.1 加热炉汽化冷却的发展过程

加热炉汽包是加热炉的重要设备之一，它的稳定运行，对整个生产的连续性、安全性以及生产出产品的质量都会产生影响[3]。如图为一个加热炉汽包的外形结构见图1-3：

图1-3 加热炉汽包外形图

工业加热炉汽包水位控制系统经历了几个阶段。

1.早期的控制方案多采用单冲量方式即以水位为反馈量构成单参数单回路反馈控制系统，它是最简单、最基本的控制方案，但单冲量方式存在着许多缺点：首先，只根据水位信号调节给水量，阶跃扰动很大时，加热炉汽包会产生“虚假水位”现象，导致精确控制难以进行。其次，给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动作，而在调节器动作后又要一段滞后时间才对汽包水位发生影响，因此，必将导致汽包水位波动幅度大，调节时间长。

2．双冲量控制方式. 对于虚假水位现象严重及水位反应速度快的加热炉，为了改善其调节品质，满足运行的需要，双冲量控制问世。双冲量控制方案是以加热炉汽包水位信号作为主调节信号，以蒸汽流量信号为前馈信号构成的控制系统。这种方法的缺点是调节作用不能及时地反映给水方面的扰动，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行器进行调节，滞后时间长，水位波动大。

3．三冲量水位控制系统以汽包水位为主调节信号，蒸汽流量为调节器的前馈信号，给水流量为反馈信号组成的调节系统。这种采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈调节，克服了外扰的影响，用给水流量信号作为反馈信号，克服了内扰影响，从而使给水调节质量大大提高了，较好的控制了水位的变化。

1.3.2 汽化冷却的原理和优点

1）冷却构件及原理

蓄热式加热炉的冷却构件有：支持钢料滑行的纵横炉底管、炉顶吊梁、进料端和出料端的托梁、出钢斜坡滑道和烧嘴等。炉头托梁、炉尾托梁和斜坡滑道等，它们通常是箱形结构，而一般箱形结构不适用于采用汽化冷却，故这些冷却构件可以用来加热汽化冷却装置的给水[4]。当这些构件采用汽化冷却时，一般须改成管式结构。所以为了简化炉子的冷却系统，提高冷却构件的寿命，应尽可能将加热炉的各种箱形冷却构件改为管式结构，并采用汽化冷却。汽化冷却的工艺图如下图1-4：

图1-4 汽化冷却工艺图

汽化冷却装置的循环方式有两种：一是自然循环，二是强制循环。

自然循环是依靠下降管和上升管内工质(水和汽水混合物)的重度差形成的。自然循环系统，是由汽包、下降管、炉底管和上升管组成的简单回路。在这个回路中，炉底管受热后，一部分水变成蒸汽，在上升集管中的汽水混合物向上流入汽包内，下降管中的水向下流人炉底管内，这样就形成了定向的自然循环流动。强制循环的动力是由循环水泵产生的。循环水泵迫使工质产生从汽包起经下降管、循环泵、炉底管和上升管，再回到汽包的密闭循环。

自然循环不需要循环水泵，也不要设置备用水冷却装置，不但具有系统简单、维护方便，消耗电能少，工作安全可靠等优点，而且在遇到突然停电时，也比较容易实现安全停炉。强制循环需要设置循环水泵和备用水冷却装置，由于系统复杂，维护不便，消耗电能多，尤其遇到突然停电时，转换水冷却的操作较为繁杂，容易造成停炉事故。过去，我国的加热炉汽化冷却装置，大多数采用强制循环