蓄热式加热炉低负荷下炉宽方向温差消除

马 众，王爱中，王文虎，马翠芝

（1.中天钢铁集团有限公司，江苏常州213011；2.无锡龙山科技有限公司，江苏无锡214072）

1 引言

中天钢铁集团有限公司共有轧钢加热炉14座，燃料均为高炉煤气，并全部采用空、煤气双蓄热燃烧技术，从2003年首台蓄热炉投产至今，为中天钢铁集团高炉煤气的综合利用找到了最佳方案，节约了大量的高热值能源消耗，为企业取得了巨大的效益，更为社会、为环保做出了巨大贡献。但在使用过程中也发现了一些不足，如新上项目初期，轧线设备的调试磨合期或新工艺要求需要加热炉经常在低负荷下运行，此时，加热炉炉宽方向的温度均匀性问题比较突出。尤其是三轧1#加热炉，加热钢坯两端与中部最高温差85℃，同时氧化烧损也随之提高，严重影响产品质量，因此必须采取相应的技术整改措施改善或解决。

2 现场实际情况及原因分析

以三轧1#加热炉为例，加热炉额定产量为150 t/h，但当生产∅5.5m m规格产品时，产量仅为64.8 t/h。此时，供热负荷仅为额定量的43%，钢坯两端温度高出中部近90℃，靠提高炉温或延长均热时间维持生产。经过现场观察、详细讨论分析后，认为主要原因包括以下几点。

2.1 蓄热式烧嘴的供热调节比小

蓄热式燃烧技术亦称无焰燃烧技术，是一种将空、煤气置于高温、低氧环境下形成弥散式全新型燃烧技术，具有高效烟气余热回收和超高的空、煤气预热温度、无局部高温、低N O x排放等多重优越性。它是集节能、环保于一体的21世纪核心工业技术。

蓄热式烧嘴，不论是左右布置还是上下布置形式，其空气喷口与煤气喷口是完全独立的。靠两者高温下的喷出速度及交角来形成弥散式燃烧条件。同时通过卷吸烟气达到低氧状态，实现低N O x排放。两者交角一旦形成就固定不变，倘若喷出速度发生了较大变化，则无法保证燃料充分燃烧及相对的燃烧效果。

2.2 低负荷下，蓄热式烧嘴的喷口流速低

通常，空、煤气双蓄热烧嘴在额定能力下的空、煤气喷口标态流速为8～10m/s，按预热温度1000℃计算，实际流速也仅为37～47m/s。当热负荷低于50%时，实际流速仅为20m/s，动能低，对炉气的搅动差，甚至影响空、煤气的混合效果，造成未能参与燃烧高温空气与钢坯接触发生的氧化反应加剧（空、煤气蓄热箱左右布置形式的尤为明显）。

3 解决方案

改造前，仅能通过操作工频繁地开关各段的部分烧嘴来改善炉温的均匀性。其完全依靠操作人员的经验与责任心，效果不明显。而且烧嘴前的空、煤气手动阀也不适合频繁开关操作，泄漏程度不一致，造成氧化加剧、燃耗上升。

热负荷在不同值时两种模式的燃烧状态见图1～图5。

联合无锡龙山科技有限公司技术部针对情况最突出的三轧1#加热炉蓄热式燃烧控制系统进行了技术升级改造，彻底解决了以上问题。

图1 热负荷处于100%时两种模式的燃烧状态（完全相同）

图2 热负荷降至75%时两种模式的燃烧状态

图3 热负荷降至50%时两种模式的燃烧状态（差异较明显）

图4 热负荷降至25%时两种模式的燃烧状态（差异明显）

图5 两种模式的实际燃烧状态（高温时）

3.1 蓄热式燃烧控制系统改造

控制模式由“前馈型双交叉限幅燃烧控制”改为“蓄热式脉冲燃烧控制”。

“前馈型双交叉限幅燃烧控制”是通过控制煤气、助燃风流量大小来实现炉内温度的控制。将温度偏差作为前馈量，大幅提高了温度控制的响应速度，是目前燃烧系统中较为成熟、传统的一种控制模式。

“蓄热式脉冲燃烧控制”是采用一种间断燃烧模式，通过调节烧嘴的通断比来实现炉内温度的控制。这种燃烧模式下，单个烧嘴只要工作便处于额定负荷下，因此特别适用于小流量、低负荷的燃烧控制。

3.2 换向系统改造方案

为了满足蓄热式脉冲燃烧控制对换向系统的硬件要求，换向阀应具有换向动作快速，换向频率更高，使用寿命更长，并用要求在切断空气（煤气）的同时切断相应的排烟。

4 主要技术措施

4.1 蓄热式燃烧控制方式改进的具体措施

脉冲燃烧控制技术发展至今已有30多年的历史，它是一种间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的占空比（通断比）实现炉内的温度精确控制。

本方案仅是将成熟、先进的脉冲燃烧控制思路引入蓄热式燃烧控制系统，组合成蓄热式脉冲燃烧控制。而且蓄热式烧嘴总是成对布置应用的，一侧燃烧时，另一侧处于抽烟针，对单个蓄热式烧嘴而言，其自身就是通断比（占空比）为50%的间断燃烧方式，只是处于“断”状态时不是停顿，而是抽烟状态。

与传统的双交叉限幅燃烧控制相比，蓄热式脉冲燃烧控制系统比较简捷，且烧嘴一旦燃烧，就处于其设计的最佳燃烧状态，保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。蓄热式脉冲燃烧控制系统的主要优点为：系统简单可靠，性价比高；可提高炉内温度场的均匀性，尤其是低负荷下炉温的均匀性，即提高了蓄热式烧嘴的调节比。

当热负荷低于50%，采用流量控制（双交叉限幅燃烧控制）模式时，烧嘴喷出速度过低，混合效果差，易造成钢坯炉宽方向温度不均，两头温度远高于中部，影响轧制。

4.2 换向系统的改进措施

为适应脉冲控制控制要求，空、煤气换向阀除了作为空（煤）气与烟气的切换装置外，还应具备以下功能或特点：

（1）具备双截止功能：此状态下，所连接的烧嘴处于“休克”状态，即不供入空、煤气，也不排出烟气。

（2）工作行程短，换向动作快：单程动作时间≤2s。

（3）使用频率高，寿命长：20～120s/次，150万次以上。

（4）密封可靠：零泄漏，并采用高进、低出结构设计，在关闭状态时，有效利用流通介质压力压紧阀板。

（5）更换方便：阀芯组件可以整体拆除、修复后整体安装，维修过程中管道不需要作任何变动。

LSP23直立式双截止三位三通快速换向阀工作原理见图6。

图6 LSP23直立式双截止三位三通快速换向阀工作原理

5 改造后实际效果

三轧厂改造后由钢坯炉宽方向最高温差由85℃降至30℃以下，完全满足了轧制要求。在提高加热质量的同时，降低了炉内的最高点炉温，氧化烧损也随之降低。

6 结语

采用蓄热式脉冲燃烧控制方式可以轻松解决蓄热式加热炉低负荷下炉宽方向的温差，而且蓄热式燃烧采取脉冲控制方式仅需利用双板换向阀自带的全截止功能，不增加任何设备投入，是较为经济、实用的解决方案，值得推广。

[1]王秉铨.工业炉设计手册[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2]张先棹，高仲龙，高家锐.工业加热炉发展方向 [J].工业炉，2001，23（1）：1-5.