加热炉烧嘴火焰长度控制技术研究

王　敏，周继良，孙茂林，刘志民，曹　恒，麻卫平

（1.首钢技术研究院，北京100041；2.首钢迁钢公司，河北迁安064404）

加热炉烧嘴火焰长度控制技术研究

王敏1，周继良1，孙茂林2，刘志民2，曹恒2，麻卫平2

（1.首钢技术研究院，北京100041；2.首钢迁钢公司，河北迁安064404）

对加热炉SDF调焰烧嘴使用中出现的板坯长度方向温度不均匀，在RT2温度曲线中间温度较高、两端温度较低，温度偏差较大的问题进行研究，发现主要原因是烧嘴结构设计上存在问题，烧嘴火焰长度过长而且不利调节。通过烧嘴燃烧模拟计算，确定二次风对侧烧嘴前压力场变化的影响，使压力控制值能够满足获得合理火焰长度的需求。在烧嘴头部增加煤气扩散片，并合理调节二次助燃风阀门的开度，解决火焰过长造成的温度偏差大问题。

加热炉；烧嘴；火焰长度；控制

加热炉侧烧嘴采用SDF调焰烧嘴。该烧嘴使用中存在的主要问题是，板坯长度方向温度不均匀，主要表现在RT2温度曲线中间温度较高、两端温度较低，存在明显温度偏差［1］。经过分析认为，造成该现象发生的主要原因是烧嘴设计上存在不足，烧嘴火焰过长不利调节，使靠近炉墙处的钢坯加热温度较低，钢坯长度方向加热温度均匀性较差。有文献对燃烧器［2］、燃烧过程［3］及一、二次风混合特性［4］等进行过研究。本文采用数值模拟和理论分析的方法确定侧烧嘴的压力大小，调整控制压力值满足得到最佳火焰长度的需求；改进侧烧嘴燃烧时二次空气配比，合理调节二次助燃风阀门的开度，并得出二次风大小与火焰长度的关系。

1　加热炉烧嘴模拟

1.1模型

由于烧嘴结构复杂，包括中心风、煤气、一次风、二次风等管道，因此在模拟时采用的是先分步后整合的模拟方法。图1是整体模型示意图。

1.2边界条件

采用的煤气成分如表1所示。

煤气和空气采用质量流量人口边界条件，具体数值见表2。

图1　模拟用整体模型示意图

表1　煤气成分

表2　煤气、空气条件

采用自由出口，考虑了气体的滑移，未考虑旋流叶片对气体流场的影响。

1.3主要计算结果

针对二次风存在与否对燃烧、传热等的影响考虑，进行了两组模拟，A组考虑了二次风，B组没有二次风，得到图2的结果。

从图2的结果对比可见，有无二次风对加热炉内部的流场、温度场和各气体组分分布有比较大的影响。计算结论主要如下：

（1）加热炉烧嘴有二次风的平均温度为1 678.4 K，无二次风的平均温度为1 163.8 K，二者相差514.6 K；

（2）加热炉烧嘴有二次风的CO、H2摩尔分数剩余较少（出口位置分别为0.036、0.018），说明更多的可燃气体参与到燃烧放热中，而无二次风的可燃气体摩尔分数剩余较多（CO、H2出口位置分别为0.157、0.197），说明参与燃烧放热的可燃气体较少；

（3）从温度场估算，以温度超过1 800 K为界，有二次风约是无二次风长度的4倍。

2　烧嘴火焰长度控制

加热炉侧烧嘴采用SDF调焰烧嘴。该烧嘴在生产使用中出现的主要问题是，板坯长度方向温度不均匀，主要表现在RT2温度曲线中间温度较高、两端温度较低，反映出板坯沿长度方向温度不均匀。经过试验证明，烧嘴火焰过长，加热炉两侧烧嘴火焰在炉膛中心存在重合，且烧嘴已到最大调节能力仍不能改善这种状况。

图2　燃烧模拟结果对比图

经过分析得出，造成该现象发生的主要原因有三个：一是在该烧嘴结构设计时对于流量考虑不全面。混合煤气的热值较低，为9 614 kJ/m3，与天然气相比需要4倍的流量。因此，混合煤气具有的喷射流动动能也大4倍，燃料具有到达较远处的倾向。二是由于该烧嘴的煤气喷嘴设计时，混合煤气射流是与烧嘴中心平行方向喷出，致使混合煤气射流的宽广度与空气自由射流的宽广角度一样窄，从而造成混合煤气的速度衰减变得缓慢。三是混合煤气外周部位流动的一次空气旋流数设计值较低（约为0.5），采用了较弱的回旋，以不影响混合煤气射流的速度为原则进行设计的。上述三个原因导致了燃烧火焰过长现象的发生。

为改善烧嘴燃烧火焰过长无法控制问题，对加热炉侧烧嘴头部进行改造，在烧嘴前中心风端部焊接混合煤气扩散片，见图3。

图3　烧嘴前中心风端部焊接混合煤气扩散片图

通过改进，降低混合煤气射流速度，并且促进混和煤气与一次空气的充分混合，从而缩短火焰长度。经过调试，改进后加热炉烧嘴阀门开度见表3。

表3　加热炉烧嘴阀门开度

在烧嘴手动阀门开度设定相同的条件下，烧嘴头部改进后火焰刚性较好，现场观察到的燃烧火焰长度明显比改造前的火焰长度缩短了约500 mm，且火焰变粗，火焰状态得到明显改善。改造前、后加热加热炉RT2温度曲线对比见图4。

图4可见，改进后中间坯长度方向的温度波动较为平缓，中间温度高的现象明显改善，不考虑钢坯尾部，整个中间坯长度方向的温度差在25℃以内（尾部温度低的原因是第四道次轧出后翘头，第五道次的除鳞水冲刷造成，大部分中间坯都是如此）。改进后中间坯长度方向的温度差减小，温度均匀性明显提高。

3　结论

（1）通过模拟计算二次风对烧嘴燃烧、传热的影响，确定烧嘴温度场、压力场、速度场及其可燃气体浓度分布情况。确定二次风对侧烧嘴前压力场变化的影响，使压力控制值能够满足获得合理火焰长度的需求，为改进烧嘴特性、改进热工操作提供依据。

（2）造成加热炉侧烧嘴火焰长度过长的原因是：烧嘴设计时，混合煤气射流沿烧嘴轴向喷出，致使混合煤气射流的宽广度与空气自由射流的宽广角度较窄，从而造成混合煤气的速度衰减较为缓慢。混合煤气在烧嘴外周部位流动的一次空气旋流数设计值较低（约为0.5），回旋不够，造成烧嘴燃烧时火焰较长。

（3）为解决实际生产中出现的烧嘴燃烧时火焰过长造成钢坯加热温度不均匀问题，针对混合煤气烧嘴头部进行改造，在烧嘴前中心风端部焊接混合煤气扩散片，降低混合煤气射流速度，并且促进混和煤气与一次空气的充分混合，能够较好地解决烧嘴燃烧火焰过长而不利调节的问题。

图4　改造前、后加热炉RT2温度曲线对比图

［1］张延平，王敏，胡雄光，等.大板坯温度均匀性测试与研究［C］//.全国能源与热工学术年会论文集.贵阳：中国金属学会能源与热工分会，2008.

［2］翁卫国，周俊虎，董若凌，等.一次风扩口角对旋流燃烧器影响的数值模拟［J］.浙江大学学报（工学版），2006，40（10）：1819-1822.

［3］祝易松，杨步云，李文科.一、二次风量配比对旋流燃烧器燃烧过程影响的数值模拟［J］.工业炉，2009（6）：10-13.

［4］周志军，周丛丛，许建华，等.低NOx旋流燃烧器一、二次风混合特性分析［J］.中国电机工程学报，2010，30（11）：8-13.

Research on Control Technology or Reheating Furnace Burner Flame Length

WANG Min1，ZHOU Jiliang1，SUN Maolin2，LIU Zhimin2，CAO Heng2，MA Weiping2
（1.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100041，China；2.Shougang Qian’an Iron and Steel Co.，Ltd，Qian’an 064404，China）

The problems of SDF burner during use in heating furnace were studied，such as the uneven temperature of slab longitudinal direction in SDF burner reheating furnace，the‘low-high-low’temperature shape in RT2 curve，large temperature deviation and so on.Burner structure design defect which makes flame length long and difficult to adjust is the main reason.The influence of secondary air on front side burner pressure field change was studied through simulations.And the request to obtain suitable flame length by control pressure was achieved.The opening of secondary combustion air valve was controlled by gas dispersal equipment which was added in the front of burner.And the large temperature deviation caused by long flame length was also solved.

reheating furnace；burner；flame length；control

TG307

B

1001-6988（2016）03-0022-03

2016-02-15

王敏（1962—），女，教授级高级工程师，主要从事冶金热工与系统节能技术研究工作.