连退线退火炉辐射管损坏原因浅析

2019-08-13常树林候大伟王道金

设备管理与维修 2019年7期

关键词：高温区吊耳直管

李鑫，常树林，候大伟，王道金

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司冷轧作业部，河北唐山 063200）

1 辐射管工作原理

某连退退火炉由法国斯坦因公司设计，辐射管燃烧模式为on/off模式，燃烧介质为焦炉煤气，结构形式为W型。辐射管下方是烧嘴用于点火，上方是换热器用于将助燃空气预热，空气通过中间管道与由下方管道进入辐射管的焦炉煤气混合燃烧。

辐射管是连退线退火炉的主要加热设备。通过管内介质燃烧为炉内带钢进行加热。自某线2009年投产以来，该设备陆续出现开裂的问题。2012年共更换损坏的辐射管226根，占总装机量的2/3，给产线造成了巨大损失。

2 损坏形式分析及抑制措施

从出现问题的辐射管可以总结出两种损坏形式，一种是烧嘴端直管的环形裂纹（图1），这种形式占损坏总数的68%。另一种是辐射管尾部吊耳处根部开裂（图2）。

2.1 直管根部环形裂纹

通过对大量拆下的辐射管结构、外形进行观察，未发现辐射管出现较大的结构变形。直管处的裂纹集中出现在放置烧嘴端，另外3根直管无一例外的未出现问题。通过这一规律可以得出该处出现的裂纹与烧嘴有直接关系。再经过大量的数据测量，发现以下规律。

（1）该处裂纹绝大部分出现在离直管根部12 cm左右的位置，同时该位置亦是管内火焰高温的位置。

（2）直管端的裂纹几乎全部出现在管子的下端（图3）。

（3）烧嘴端直管根部出现规律性的波齿形色差，而裂纹则都对称分布在该波齿之间，如图4所示。

图1 烧嘴端直管的环形裂纹

图2 尾部吊耳处根部裂纹

通过以上的分析可以大胆得出该处裂纹的出现是与烧嘴有直接关系的。为了佐证这一结论，可以看一下烧嘴的结构。如图5所示：烧嘴的末端为一圆盘，中间管接焦炉煤气，右边管内安装点火电极，左边管内用于火焰的检测。圆盘四周设计有4个支脚与辐射管配合可以形成4个弧形通道以让空气进入。也正是这4个支脚造成了辐射管局部高温，如图6所示，从管内拍摄的裂纹的分布与这4个支脚的位置同样是吻合的。

针对烧嘴端直管开裂，目前有3种解决方案。

（1）方案1。将圆盘与4个支脚错开一定的距离以消除因对空气阻挡造成的局面高温区。这种解决方案需要更换大量的烧嘴，成本较高，实施起来有较大难度。

（2）方案2。将支脚切割出一个豁口改善空气的流通性。为了验证这种分析的正确性，于2013年4月检修时对炉子烧嘴的第一列（共14根）做了试验，在2014年11月的检修中对第一批辐射管再次进行检查，只有1根出现了开裂，2015年5月检查有4根开裂。为保证试验的准确性，2015年5月检修时增加19根试验，截止2015年9月第二批试验辐射管出现开裂4根。通过以上数据可以看出，这种方案可以缓解辐射管开裂的速度。

图3 波齿形色差

图4 裂纹的分布位置

图5 烧嘴结构

（3）方案3。采用新型烧嘴。目前国内外先进的烧嘴燃烧技术是二次燃烧，且辐射管的最高温点大致在辐射管下弯头处，为此决定试验部分新型烧嘴。

改进的新型烧嘴包括2个部分，如图7所示。采用燃气分离技术，避免空燃气一次性混合，将少量煤气和空气在燃烧室内混合并依靠点火电极点燃，进而一次混合的小火焰点燃二次混合的大火焰。

这种新型烧嘴在其他连退线已试用了23根，与斯坦因现在的烧嘴相比，这种烧嘴可以在不改变设备安装位置前提下，使火焰长度得到延长且高温区后移，辐射管温度更均匀，避免高温区集中造成过大温度应力的出现，从而抑制裂纹的产生。

对新烧嘴辐射管热模拟情况分析，辐射管的高温区位于第一弯头附近，烧嘴火焰延长且辐射管高温区后移，辐射管受热面积增大，受热更加均匀，减小了烧嘴工作时辐射管的热震荡。

图7 新型烧嘴

2.2 直管根部环形裂纹

针对第二种开裂形式，即辐射管尾部吊耳处根部开裂。当辐射管工作时，直管受热会产生热膨胀，辐射管的原设计是将中间两根的支点置于最下方直管上，这种设计的缺陷一是将两根管子的重量施加于下方管上对下方直管造成压迫，二是由于接触面过大，当中间管子受热伸长时阻力较大，造成中间管滑动困难。考虑这些因素，可以从两方面做工作。第一方面，将支点改在辐射管前端法兰上，在法兰上安装一个平面支座，更方便中间管受热滑动。目前这种设计已经用于新更换的备件。从使用情况来看尾部吊耳处根部出现开裂的机率较以上有了较大的下降。表1说明了统计数据中两种开裂形式所占的比重。

表1 开裂位置比例

第二方面，改变辐射管弯头的安装方式，增加下弯头支点[1-2]。该新安装结构在3个弯头上设计各自的支点，而文中产线的使用辐射管下弯头无支点，而是采取了悬挂于上方的弯头处。这种形式有2个缺点，一是不利于辐射管下方2根管子的伸长（受热后）。二是下方2根直管与弯头的连接部分有应力集中，目前弯头的裂纹就出现在这个位置。目前产线新上线的辐射管，包括新备件及修复件都是按这种形式改造的。