环形加热炉产量及炉子结构的优化

林雪松 李谦 张忠民 孙国栋

摘 要：某公司15m环形加热炉在生产过程中，存在加热炉实际产量无法达到设计产能、加热炉炉墙多次坍塌等问题。在分析其原因之后，改造了热炉的供热分区结构、烧嘴的形式、炉墙的结构、炉墙锚固钩的形式等。通过对加热炉进行改造，使得上述问题得到了有效解决，提高了加热炉的整体技术水平和加热质量。

关键词：环形加热炉；产量；优化

中图分类号：TG155文献标识码： A

某公司无缝钢管生产线现有1座中径Ф15米环形炉，生产线于2009年投产。加热炉设置加热段和均热段两个温度控制段，加热炉的主要参数：

投产以来，加热炉主要存在以下问题：

·加热炉产量无法达到设计产能

·加热炉内环炉墙多次坍塌

1原因分析

1.1 关于加热炉产量无法达到设计产能的原因分析

该厂加热炉的设计最大加热能力为35t/h，按5250Nm3/h的煤气供气量和1.58GJ/t额定单耗进行反算，实际上加热炉具备18.6%的富裕供热能力，实际最大产量为42t/h[1]。因而从加热炉的炉型和供热能力上来看，加热炉的产量完全可以满足生产线的产量要求。

经过分析认为，造成加热炉产量无法达到设计产能的原因如下：

·生产过程中，加热炉炉墙经历了多次坍塌，频繁的大修造成了加热炉年产量的下降。

·加热炉采用低压涡流烧嘴进行加热，且烧嘴位置较低。该型烧嘴的缺点是煤气高压时火焰发散，火焰发散时较低的火焰容易直接冲刷钢坯而导致钢坯局部过热，导致脱碳现象频繁出现，为了保证坯料的加热质量，加热炉烧嘴无法开到足够的功率进行加热，导致了产量的降低。从现场了解到的实际情况是：加热炉烧嘴前的阀门只能开到开度的30%-40%，否则就容易出现脱碳。

·加热炉只有加热段和均热段两个供热控制段，其中加热段控制着18个烧嘴，共136.5°的弧长，几乎占整个加热炉总长的40%，这样的分段方式燃烧控制不灵活，炉膛无法进行温度梯度控制，要求产量时坯料无法避开高温脱碳峰值区，强调坯料加热质量时，只能整段的降低供热负荷进行加热，导致钢坯的产量达不到要求。

1.2加热炉内环炉墙坍塌的原因分析

经过分析认为，原因如下：

·炉墙工作层太薄，该厂加热炉炉墙作为工作层的浇注料厚度仅为204mm，而经了解目前国内很少有炉墙工作层厚度低于240mm的，过于单薄的炉墙厚度导致炉墙整体稳定性的降低，在强烈烧嘴气流冲刷及加热炉急冷急热的工况下，很容易造成坍塌。

加热炉炉墙砌筑尺寸如下：

·炉墙锚固钩采用普碳钢材质的“Z”形钩，且与锚固砖穿孔连接，锚固钩深入到锚固砖内部，锚固砖嵌入浇注料中，而浇注料和锚固砖都是重质料，不具隔热性，因此，在生产时锚固钩处的实际温度非常高，造成普通碳钢材质的锚固钩强度大幅度下降，而内环炉墙又是向炉膛方向膨胀，锚固钩要承受很大的拉力，在此高温拉力的环境下很容易变形失效，再者“Z”形钩与锚固砖是穿孔连接，锚固砖受力过于集中，很容易从孔的位置拉裂，从而容易造成内环炉墙的垮塌。

2改造措施实施

对于加热炉存在的问题，基于以上的原因分析，我们于2011年集中一个月的大修时间对加热炉进行了改造，在解决加热炉所存在的问题的基础上尽量挖掘本加热炉的潜能，使之更好地满足需要的产量和质量要求。

2.1 改造了原加热炉不合理的控制分段。

改造了加热炉不合理的供热控制分段，将加热炉分为加热I段、加热II段、均热段三个温度控制段，供热配比分别为40%、40%、20%，再配以成熟稳定的双交叉限幅的燃烧控制方式，使得加热炉燃烧控制更加灵活，控制精度得以提升。

改造后，合金钢生产需要的温度梯度得以更好的保证，钢坯受热更加均匀，钢坯的加热质量得以保证，加热炉产能得到有效提升。

图1 改造后环形炉的平面图

2.2 改造了原加热炉烧嘴的数量和布置

改造了烧嘴数量和布置，烧嘴由原来的27个增加为33个，并按多数量、小能力、灵活控制的原则，按照供热配比重新核算了烧嘴的供热能力。

将所有烧嘴的标高较原环形炉提高了50mm，减少了烧嘴火焰直接冲刷钢坯上表面的机会，烧嘴对炉膛加热，使得钢坯所吸收的热量大部分来自于炉膛砌体及炉内气氛的辐射传热，大大降低了钢坯表面脱碳的风险，使得加热炉可以满负荷运转，原加热炉由于烧嘴问题被压制的供热能力得到了释放，产能相较以往得到大幅上升。

2.2 改造了原有加热炉的烧嘴形式

由于特钢分公司属于包钢煤气的末端，煤气压力很不稳定（平均位于900Pa～3000Pa），压力忽高忽低，煤气热值也不稳定。

根据这一情况，针对原加热炉采用的低压涡流烧嘴的弊端。改造后加热炉烧嘴选用非标设计的适用于较大煤气压力区间的调焰烧嘴，烧嘴火焰长度可调，烧嘴火焰直径可控制在较小的范围内，避免了因火焰冲刷钢坯表面而导致的脱碳问题和坯料温度不均的问题，原加热炉由于烧嘴问题被压制的供热能力得到了释放，产能相较以往得到提升。

2.4 改造了炉墙结构

改造后，加热炉炉墙砌筑尺寸如下：

本次改造我们将炉墙工作层浇注料改为260mm，轻质砖厚度改为114mm，并将牌号为NG0.8的轻质砖改为牌号为NG0.6的轻质砖。

加厚工作层保证了炉墙的足够强度，减薄轻质砖可减轻轻质砖高温收缩时对炉墙造成的变形应力，替换的NG0.6的隔热性能也比NG0.8强，加厚保温层则大大降低了炉墙的散热。

实践证明改造后的炉墙结构，炉墙的强度大大增强，炉墙散热明显降低。

2.5 改造了炉墙锚固钩的形式

本次改造，我们将内外环炉墙的锚固钩全部改造为1Cr18Ni9Ti材质锚固卡的形式，此种形式锚固卡与锚固砖肩部紧密卡扣，并通过0Cr13材质的“回”形钩与炉墙钢板紧密相连，耐热钢材质的锚固卡和“回”形钩保证了锚固件高温受热时不至于因强度下降而失效，锚固卡与锚固砖卡扣的形式使力的传导分散在锚固砖的肩部和锚固卡的卡扣面上，更加均匀有力，保证了锚固砖和整个锚固结构的强度，从而解决了原有加热炉炉墙垮塌的问题。

2.6 改造了加热炉的PLC系统，重新编写了仪表和传动的控制程序

本次改造，我们采用西门子S7-300 315PLC替换原有西门子S7-300 312PLC，更换了仪表检测和控制系统，重新编写了加热炉仪表和传动控制程序。

优化了燃控仪表系统及操作界面，使得加热工作更简单，更具操作性，降低了加热工的劳动强度，现场反映加热炉烧钢更加简单了。

3 改造效果

3.1 改造后加热炉更加节能，炉子产量大幅上升

受到分区布置、烧嘴形式以及坯料脱碳等因素的限制，改造前加热炉的生产节奏平均为80根/小时，改造后加热炉的生产节奏平均达到了100-110根/小时。加热炉产量大幅上升。

节能方面，按目前该厂生产的直径为Φ150、长度为2000mm、材质为37Mn5的钢坯为例，炉子产量为23.57t/h，改造后加热炉正常加热此种钢坯，煤气调节阀开度仅为30%-35%左右，加热炉煤气用量仅为额定煤气用量的43%左右，按此反比计算，达到炉子额定产能35t/h的产量需要的煤气量仅为额定煤气量的64%。而根据现场操作人员反映，改造前原加热炉生产同样的坯料达到上述的产量，加热炉煤气调节阀的开度平均为50%-60%。这样一来，相比之下改造之后的环形炉比原加热炉大大节省了燃料消耗，当然加热炉可挖掘的产能也大大提高了。

加热炉装料机的速度现在调到了30s一个循环动作，出料机为26s，炉底动作在装出料后退时完成，不作计数，这样以最慢装料机的速度作为加热炉的出钢速度，30s一根钢，小时出钢量为120根，比轧线的速度快了15s-20s的时间，完全可以满足目前的轧制节奏。

3.2 炉墙垮塌问题得到彻底解决

由于改造了炉墙结构和炉墙锚固钩的形式，使得炉墙稳定性大幅加强，同时，炉墙散热情况相较以往有了明显改善，炉墙垮塌的情况没有再出现过。

4 结语

通过一个月时间的集中改造，改造了原加热炉不合理的控制分段，改造了烧嘴的数量和布置形式，改造了烧嘴的类型，重新编写了仪表控制和传动控制程序，原加热炉由于烧嘴问题和控制分段问题被压制的供热能力得到了释放，产能相较以往得到大幅上升。

改造了炉墙结构，改造了炉墙锚固钩的形式，彻底解决了长期困扰该厂的炉墙垮塌问题，使该厂的日常生产回到了正常的轨道。

参考文献：

[1] 王秉铨, 工业炉设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社. 1996.8。