紧凑型蓄热式加热炉冷热混装时的燃烧控制方法

廖 纲，张建辉，柯 燕，汪文刚

（宝武集团 鄂钢公司，湖北 鄂州 436000）

鄂钢棒三车间加热炉原设计产量130 t/h， 随着轧线的提速改造，产量日趋提升，轧线已经具备185 t/h 的生产能力，因加热炉的能力不足，经常出现待温的现象。 为了满足生产，加热炉强制加热，有时仍满足不了轧线要求。同时炉压升高（高峰时达到80 Pa以上），对加热炉炉体及设备侵蚀损害较大。 加热炉的加热能力必须与轧线的生产能力相配套， 才能将整条生产线的能力发挥出来。 针对这种情况以及节能减排的需要， 公司在棒三与转炉4#连铸机之间修建了一条长度为640 m的钢坯红送辊道，辊道输送过来的钢坯入炉温度在750 ℃以上，这一举措，基本解决了棒三加热炉加热能力不足的问题， 将棒三车间的机时产量提升至190 t/h。 辊道红送带来的产能提升、煤气消耗下降，产生了巨大的效益，但因棒三加热炉为蓄热式加热炉， 在进辊道输送过来的红坯或者红坯与温坯、红坯与冷坯混装时，在燃烧控制上也带来一些新的问题。

（1）钢坯红送时，需要的煤气量较小，同时棒三车间使用的高焦混合煤气热值较高，在小流量时，会出现烟气温度较难控制的问题。

（2）钢坯红送时，轧线出现故障，大部分蓄热室会进行双关，蓄热室温度超温，重新投入后会引起烟道闪爆的问题。

（3）因连铸机换浇次、轧线故障、轧线换孔换辊、辊道输送节奏与入炉节奏不一致等原因带来的冷热坯混装时的温度控制问题。

结合蓄热式加热炉的特点以及棒三加热炉的实际操作实践，本文针对以上问题进行分析，并提出技术解决方案。

1 棒三加热炉及钢坯红送辊道的基本情况

1.1 棒三加热炉基本情况

棒三加热炉为上、 下供热的步进梁式双蓄热加热炉，设计年产量130 t/h。 基本情况见表1。

表1 棒三加热炉基本情况

炉体共有64个烧嘴，分两侧对称布置，分为8个燃烧单元，其中加一段2个燃烧单元，加二段、均热段分别有3个燃烧单元。 烧嘴布置情况见图1。

图1 棒三加热炉蓄热烧嘴布置示意图

1.2 棒三加热炉的特点

1.2.1 炉体结构特点

棒三加热炉为紧凑型蓄热式加热炉， 炉长只有21.5 m，导致蓄热箱布置密集，炉尾预热段也布置了3个燃烧单元，供热负荷较大，温度梯度不强。加热炉共8个燃烧单元，分为预热段（3个燃烧单元）、加热段（3个燃烧单元）和均热段（2个燃烧单元）。 预热段的供热负荷与加热段一致，其目的是在炉长较短的情况下，可以有效利用加热炉长度，在进冷坯时保证加热能力。 但是当钢坯红送时温度较高 （表面780℃，芯部达到950 ℃），钢坯在预热段即使煤气流量很低时，温度都会超过1 000 ℃，稍微控制不好就会超过1 050 ℃。 因此在钢坯红送时，预热段3个燃烧单元的蓄热箱都会双关。 蓄热箱双关是依靠换向阀进行双关，而换向阀的密封圈做不到零泄漏，加上炉压为正压，炉内的热量还是会缓慢沁入蓄热体，双关时间超过30 min后，整个蓄热体就会吸能吸满，温度达到950 ℃以上，失去了给烟气降温的能力。

1.2.2 加热炉使用燃料的特点

棒三加热炉使用的焦高转混合煤气热值高、热值波动大、爆炸性强。 因为鄂钢用气结构原因，棒三车间与棒二车间共用一个混合站， 且棒二棒三车间加热炉的炉长都较短（棒二炉长24 000 mm）,产量高，为了满足产量要求，一般使用的煤气热值较高。且棒二、棒三共用一个混合站，热值互相有制约。 在棒三钢坯辊道红送时，为了兼顾棒二的生产，没有大幅度降低煤气热值， 而是会继续使用1 700×4.16 kJ/m3左右的高热值煤气， 导致冷却蓄热体的煤气流量降低， 蓄热体没有得到充分的冷却就要再次排烟吸热，烟温不好控制，局部的炉内高温未经充分的冷却排入烟道时，容易引起烟道的闪爆。此时如果再遇到轧线故障，加热炉不能出钢，则必须双关6～7个燃烧单元，只留1～2个燃烧单元，双关的时间超过30 min以上时，整个蓄热箱内的蓄热体全部吸能饱满。如此时投入此单元时， 一侧蓄热箱进气， 一侧蓄热箱排烟，排烟这侧的烟气经过蓄热箱时，因蓄热体已经有950 ℃以上的温度，不能吸收烟气中的热量，就会导致高温烟气直接排入烟管， 同时蓄热式加热炉在换向过程中，嘴前管道的煤气会吸入烟管，高温烟气遇到一定浓度的煤气时，引起烟管的闪爆。

1.3 棒三钢坯红送辊道基本情况

连铸至棒三的热送辊道输送线于2020年9月建成投产， 目前棒三加热炉所用钢坯主要通过辊道热送至入炉辊道。 热送辊道基本情况见表2。

表2 棒三钢坯红送辊道基本情况

1.4 辊道红送与加热炉的匹配情况

（1）在连铸机、红送辊道设备正常运行、轧线连续生产的情况下， 加热炉全部进红送辊道输送的红坯，此种情况占整个生产时间的65%。

（2）在正产情况下，2#连铸机5流的红坯直接红送入炉，节奏与加热炉基本匹配，偶尔辊道出现故障，需要在红坯中补入1～30根钢坯，补入的钢坯根数不等，红坯与冷坯之间不空步。

（3）在连铸机换浇次或连铸机故障时，辊道停止钢坯红送，进冷坯加热。

（4）在轧线需要2 h以上的检修时间，提前1 h停止红送，开始进冷坯，便于加热炉保温时控制炉温。

2 冷热混装时的燃烧控制方法研究

2.1 制定合理的加热及停轧保温制度

棒三轧线粗轧电机较小，为了轧制顺利，要求的开轧温度较高， 要求开轧温度在1 060～1 100 ℃之间，因此加热炉的加热温度较高。考虑到红坯与冷坯不同的加热属性， 为保证冷坯的加热能满足轧制需求， 控制红坯的氧化烧损， 避免过烧带来的钢坯弯曲， 针对160 mm×160 mm×1 200 mm方坯不同的入炉温度状态，制定了合理的加热制度（见表3）。

表3 棒三加热炉加热制度

因辊道红送的钢坯芯部温度高， 入炉后只是进行一个补热， 所以制定的加热制度较冷坯时的温度要低20 ℃。 同时在加热辊道红送的钢坯时，加热炉温度达到1 200 ℃，轧线出现故障时，如果降温不及时，很容易造成钢坯弯曲，严重时无法出炉，需要拆除悬臂辊进行出钢。所以在冷热坯混装过程中，因故停轧保温时，要迅速地降低炉温。主要的原因及目的有3个：

（1）在轧线停轧时，加热炉不能出钢，钢坯长期在加热炉加热时会弯曲， 尤其是辊道红送入炉的钢坯，芯部温度高，发生的弯曲风险更大。 因此在轧线停轧后必须及时降低加热炉的炉内温度， 防止钢坯烧弯。

（2）轧线停轧时，降低煤气流量，可以节约能源消耗。

（3）在轧线故障处理完，看火工接到调度指令后，迅速提温恢复生产。

为达到以上目的，结合现场实际操作经验，制定了棒三加热炉停轧保温控制规范， 详细停轧保温方法见表4。

表4 棒三加热炉停轧保温控制规范

2.2 优化加热操作方法

2.2.1 加热炉加热过程原理及问题分析

蓄热式加热炉的原理是利用蓄热体对炉内的烟气热量进行回收，回收的余热对进入炉内的空气和煤气进行预热，一方面节能，另一方面可以提高加热炉有限面积内的加热效率。蓄热室通过三通换向阀进行进气状态和排烟状态两种工作状态的切换（见图2）。

图2 加热炉蓄热箱工作原理示意图

排烟时，炉内的高温烟气通过蓄热室，烟气中大部分热量被蓄热体回收，对蓄热体进行加热。经过一个换向周期后，换向阀换向，由排烟切换的进气，冷煤气或者冷空气流经蓄热室喷向炉内， 冷煤气或冷空气流经蓄热体时被蓄热体进行预热， 同时带走蓄热体的热量，对蓄热体进行降温。

正常情况下，蓄热室、换向阀按换向周期的时间进行定时的上述动作，达到平衡。 而在红送时，因为钢坯的入炉温度较高，燃烧使用的煤气量就会降低，极端情况下，红坯入炉后遇到轧线故障，需要停轧待温，此时就要关闭大部分蓄热室，只保留一到两个蓄热室燃烧进行保温， 以免炉温超过工艺标准或者钢坯烧弯。 而煤气流量过低会带来蓄热室冷却不足或冷却不稳定的情况， 因棒三加热炉使用的煤气为高焦转混合煤气，热值较高（红送时需要的煤气流量一般为7 000～8 000 m3/h，冷坯进炉时煤气流量一般在20 000 m3/h），此时在排烟时蓄热体被加热，而在进气时，因进气量小，蓄热体的热量没有被冷煤气或者冷空气充分地吸收掉；紧接下一个换向周期排烟时，蓄热体就不能对高温烟气进行充分吸热， 导致排烟温度升高，高温烟气达到一定温度时，排入烟管就会引起烟道爆炸。

如果遇到红坯入炉后， 轧线故障， 需要停轧待温，并关闭大部分蓄热室。蓄热室的关闭是靠两位三通换向阀进行双关， 而三通阀的双关是不可靠的切断， 即使有密封圈，在排烟侧的腔室为负压时，仍会有少量的烟气经过蓄热室继续往烟道沁入； 同时蓄热式加热炉一般为正压操作， 炉内的热量也会缓慢地沁入双关的蓄热室。 当这种双关状态一般持续20 min以上时， 整个蓄热室的蓄热体就会吸能饱满，蓄热体温度会接近炉内的高温烟气温度。此时如果需要投入这些双关的蓄热室时，排烟这一侧的蓄热室在排烟时已经无法吸热，高温的烟气直接排入烟道，引起烟道的爆炸。 因此在钢坯红送或者冷热混装时，蓄热室加热炉烟气温度的控制难度就会增大。通过现场的摸索，棒三加热炉按下列措施进行操作，可以较好地控制烟气温度，避免发生烟道超温、爆炸事故。

2.2.2 加热炉加热操作优化

对加热炉加热操作进行优化， 解决冷热坯混装时的燃烧问题，同时借助智能化的燃烧技术，改善加热质量，操作频率，提高加热的安全性和稳定性。

首先是控制煤气热值。 在进红坯或者冷热混装时，要降低煤气的热值。 具备条件时，在完全红坯入炉或者红坯量较大时， 要求混合站尽可能地降低煤气热值，最好是直接不混入焦气和转气，烧纯高炉煤气，但是因受条件的限制（因混合站还要给其他产线供气，要避免对其他产线造成影响），棒三加热炉进冷坯强制加热时的煤气热值由2 000×4.16 kJ/m3降低至1 600×4.16 kJ/m3（高焦煤气的配比在3∶1左右），保证煤气的进气量足以冷却蓄热体以及降低煤气的爆炸极限范围。

优化看火的操作， 确保三通阀的进气量能达到降温和预热的平衡。 棒三加热炉共8个燃烧单元，在进红坯或者冷热混装时，因使用的煤气热值较高、蓄热箱也比较小（全炉的蓄热体安装量为21 m3），进气量不能满足8个燃烧单元的冷却要求，因此需要依据现场的实际情况进行开关部分蓄热室的操作， 同时双关的蓄热室在开启时， 不能直接投入正常的燃烧单元， 仍应先手动对每个蓄热室进行一定时间的降温操作后，再投入正常的燃烧换向。

在红坯进炉量减少时，煤气进气量加大，此时需要投入之前双关的蓄热室， 双关后的各蓄热室投入时，先手动开启单侧的蓄热箱进行进气操作，一般进气操作60 s（60 s的进气在通常情况下可以将蓄热体冷却至正常温度值），让冷煤气或者冷空气先对蓄热室内的蜂窝体进行冷却，冷却后关闭此侧蓄热室；对此蓄热室对应侧的蓄热室执行进气操作60 s， 对蓄热室内的蜂窝体进行冷却。 此单元两侧的蓄热室都冷却完成后，再开启此单元的正常换向燃烧。

双关后的蓄热室不能在短时间内大量的投入，而应该根据煤气流量的增加实际情况， 按照以下规则进行分批投入。 预热段先投入1#燃烧单元，当煤气用量＞2 000 m3后再投入2#燃烧单元；在降低炉温时，当煤气用量＜2 000 m3时先关闭2#燃烧单元， 当煤气用量＜1 000 m3时，关闭1#燃烧单元，即预热段的燃烧单元全部关闭。 加热段先投入3#燃烧单元，当煤气用量＞4 000 m3时，投入4#燃烧单元，当煤气用量≥6 000 m3时，投入5#燃烧单元；降温时，当煤气用量＜6 000 m3时，关闭4#燃烧单元，当流量＜4 000 m3时，关闭5#燃烧单元，当流量＜1 000 m3时，关闭3#燃烧单元。 均热段先投入6#燃烧单元，当煤气用量＞4 000 m3时，投入7#燃烧单元，当煤气用量≥6 000 m3时，投入8#燃烧单元；降温时，当煤气用量＜6 000 m3时，关闭8#燃烧单元， 当流量＜4 000 m3时， 关闭7#燃烧单元， 当流量＜1 000 m3时，关闭6#燃烧单元。这样操作的原理是保证进入蓄热室的煤气量， 对蓄热体进行充分的冷却，避免烟温超标。

适当增加空烟的排烟温度，降低煤气蓄热室的排烟负荷。 在红坯进炉量较大时，因煤气量小，煤气蓄热室冷却不足，此时可以增加空气侧引风机的频率，调大空烟调节阀的开口度，适当增加空气侧的排烟温度（正常工艺规程为150 ℃以下，可以提高至160～170 ℃，以此来降低煤气侧的排烟负荷，控制煤烟排烟温度）。

2.3 蓄热体优化改进

通过改善蓄热体的材质，改小蓄热体的孔径，增加蓄热体的蓄热能力，使烟气温度便于控制。棒三加热炉蓄热室小，使用的煤气热值高，在钢坯红送时，烟气温度控制难度较大，此种情况下，加强蓄热室的蓄热能力就显得比较重要。首先改善蓄热体的材质，蓄热室共8排， 在蓄热室的前三排安装高蓄能蓄热体，后5排安装锆刚玉蜂窝体，同时经过计算将原蓄热体的孔径由4 mm改为3.5 mm，在不影响进气量的前提下，增加蓄热室的蓄热能力。具体的材料成分及外形尺寸要求见表5。

表5 蓄热体理化指标统计

3 结语

钢坯冷热混装时， 蓄热式加热炉燃烧控制的主要难点为：①控制加热温度，使得加热炉温度始终控制在加热制度范围内；②红坯进炉量较大时，低煤气流量状态下，控制好煤烟温度；③在遇到轧线故障，需要长时间停轧保温时， 如何在按工艺执行降温操作的同时保证各个蓄热室在双关状态时的温度不超标。 棒三车间加热炉同时实行上面的加热优化操作及技术改进后， 基本可以满足冷热坯混装状态的加热要求，确保了加热炉的安全生产。