炉底烧嘴在步进梁式热处理炉上的应用

赵振永，汪有源，刘东国，张艳明

（1.特诺恩技术（天津）有限公司，天津300192；2.湖北新冶钢有限公司，湖北 黄石435001）

随着工业化水平的提高，对钢材机械性能的要求也越来越高，热处理是提高钢材机械性能的重要手段，而炉温均匀性是对钢材进行热处理的重要指标之一，所以，用户对炉温均匀性的要求也越来越高。

传统的步进梁式钢管热处理炉通常设计成多段式结构（见图1）。由于炉膛很宽（通常在10 m 以上），通常将传统的烧嘴布置在炉顶或端墙上部，并沿炉宽方向分成几个温度控制区，在梁的下部通常没有烧嘴，在钢管布满步进梁的情况下，从梁下面流过的烟气也很少，其结果就是炉膛上下温差很大。

图1 步进梁式钢管热处理炉结构示意图

对于高温淬火炉，炉内传热以辐射为主，温度均匀性会好一些。对于低温回火炉，辐射传热大幅减少，由于没有使炉气流速加大的措施，对流传热也不大，因此使得钢管上、下部的温差较大，即使钢管在梁的凹槽内局部转动，仍避免不了下部温度低的问题。尤其对于：

（1）大直径的管子，可能从进炉到出炉都不能转一周；或者由于转得慢，钢管上下表面的温差较大。

（2）壁厚较大的钢管，则钢管截面上的温差较大。

为解决炉膛上下温差过大的问题，LOI 公司与FBB 公司合作开发了炉底烧嘴（如图2、图3 所示）。

图2 炉底烧嘴安装位置示意图

图3 炉底烧嘴结构示意图

该烧嘴主体穿过炉底耐材被安装到炉内步进梁下面，由于梁的上部和下部均布置烧嘴，同时供给热量，并且都采用脉冲燃烧方式进行分区控温，使得炉膛上下温差大大缩小，热处理产品的质量大幅提高，很好地满足了市场上对高质量钢管的要求。该烧嘴最早于2006 年用于德国的一家钢管公司的步进炉上，以后又陆续用于其它公司的步进炉上。

1 炉底烧嘴的结构特点及技术效果

如图3 所示，炉底烧嘴由烧嘴主体、 异型烧嘴砖、烧嘴保护罩、点火烧嘴等部分组成，烧嘴主体被垂直安装于炉底固定梁与步进梁之间，烧嘴头部（燃烧室）穿过炉底钢结构及炉底耐材，烧嘴壳体固定于炉底钢结构上。异型烧嘴砖置于烧嘴头部，与烧嘴主体呈90°布置——这是该烧嘴的独特之处，使得垂直安装的烧嘴能够形成水平火焰。该烧嘴砖材质为抗热震、耐高温耐火浇注料；烧嘴保护罩采用高温耐火浇注料制成，呈半圆柱形置于烧嘴砖周围用来保护烧嘴砖和烧嘴头，同时利于水平火焰的形成并有效隔断火焰对钢管及步进梁的直接烧烤，避免局部过热，还可防止氧化皮落到烧嘴砖上。火焰喷射形成的负压迫使烧嘴周围烟气回流到烧嘴保护罩内，与保护罩内的高温火焰混合，降低火焰温度，更趋近于炉温，从而提高炉温均匀性。点火烧嘴、点火用燃气电磁阀、主烧嘴用燃气/空气电磁阀、烧嘴控制器，以及点火用空煤气管路、 主烧嘴燃烧用空煤气管路等组成燃烧系统，实现烧嘴点火及燃烧控制。

在步进炉内上述炉底烧嘴沿炉宽方向均匀布置在炉底固定梁与步进梁之间。烧嘴采用on/off 脉冲燃烧控制方式工作，根据炉内控温热电偶测量值选择工作或是关闭。当热电偶测量值低于设定温度时，燃烧系统控制软件发出点火指令，主烧嘴空气/煤气阀门开启，炉底烧嘴点燃开始工作,燃气与空气在异型烧嘴砖内混合燃烧。炉底烧嘴稳定燃烧直至控制软件发出熄火指令停止工作。至此，该烧嘴完成了一个周期的点火燃烧过程。

该烧嘴技术效果：（1）可以加快步进炉加热区的物料升温，以确保足够的工艺保温时间；（2）提高了炉温及料温均匀性，有力保证热处理产品质量；（3）设计独特，不占用步进炉有效操作空间。

2 实测结果与分析比较

Tenova 天津公司于2012 年为国内某钢管公司提供了一台带有炉底烧嘴的步进梁式钢管回火炉，调试完成后，由第三方对炉子的温度均匀性做了测试，实测结果如图4 所示，钢管上各点温差±4 ℃。

由于钢管上各点的温差较以前大幅减小，钢管的机械性能大大提高，创造了很好的经济效益，客户非常满意。

图4 钢管温度均匀性实测曲线图

作为比较，这里再介绍另外一种在炉外设燃烧室并采用循环风机将烟气鼓入炉内的加热方式，这也是常见的一种加热方式，通常用于低温回火炉。

将这种加热方式用于步进炉，热烟气是循环的，加热完钢管后又回流到燃烧室内，燃烧室内的烧嘴再将低温烟气加热到要求的温度，然后再进入炉内加热钢管。通常采用逆流方式加热，即烟气在炉内的流动方向与钢管的运行方向相反。

这种加热方式存在的主要问题是低温回火炉的加热速度较慢（或生产率较低），因为工艺上要求足够长的保温时间，因此，从燃烧室出来的烟气温度与钢管最终加热温度比较不能高出太多，导致辐射传热量较小。而炉膛空间又很大，使得烟气的流速也不够大，这样，对流传热效果也不佳。通过加热曲线可以看出两种加热方式不同：

（1）图5 曲线为采用烧嘴直接对钢材加热。该种加热方式可以将入口端炉温设置成与出口端炉温相同或更高些，形成很大的温差，以利于钢材升温。

图5 烧嘴直接加热的温升曲线图

（2）图6 曲线为采用鼓入炉内的烟气为钢材加热。它是用烟气携带的热量加热钢材，随着烟气将部分热量传给钢材，烟气温度必然下降，所以，与图5加热方式比，烟气与钢材之间的温差自然会小很多。

根据辐射给热量公式：

图6 通过鼓入烟气加热的温升曲线图

式 中：σ—导 出 辐 射 系 数，W/（m2·K4）；Tl—炉 温，K；Tb—钢材平均表面温度，K。

以Tb=100+273=373 K 计算，炉温400 ℃时的辐射给热量只有炉温500 ℃时的55%。

对于采用外置燃烧室循环烟气加热的炉子，若想提高升温速度（或产量），一个主要措施就是加大对流换热量，可以通过加大烟气循环量（相应需加大高温循环风机的风量、功率）、在炉内加装导风板或直接在炉内加装循环风机（或搅拌风机）等实现。

此外，采用烧嘴直接加热，炉膛的温度比较容易控制：（1）炉子是分区进行控温的，为缩短加热时间，加热区的炉温可以适当设的高些；（2）采用成熟的脉冲燃烧控制系统，来控制各区炉温，保证要求的炉温均匀性。而从炉外鼓入炉内的烟气温度则不好控制。

不同的炉型采取不同的措施，比如台车炉或炉宽较窄的辊底炉等，在炉内安装导风板（或风箱）是常用的结构形式，但对于炉宽在10 m 以上的步进炉来说，目前还没有在炉内安装导风板的先例，主要原因就是过宽的炉膛无法形成合适的导风板结构，而且投资更大。

3 结论

炉底烧嘴作为一种新型烧嘴（燃烧器）已成功应用在国内外多座步进梁式热处理炉上，实践证明可以有效提高炉温均匀性，大大改善了钢管的机械性能，为提高步进梁式热处理炉的炉温均匀性提供了一种新的途径，值得推广、应用。