節(jié)約能源是我國能源戰(zhàn)略的重要目標(biāo)。在軋鋼生產(chǎn)中，加熱爐是主要的耗能設(shè)備之一。合理選用加熱爐，提高燃料利用率，對于降低能源消耗，減少鋼坯氧化燒損，提高加熱質(zhì)量，從而充分創(chuàng)造整個(gè)軋線生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益，具有非常重要的意義。基于2000年建成投產(chǎn)的第一條線材生產(chǎn)線加熱爐的狀況，并且對國內(nèi)外大中型線材生產(chǎn)線加熱爐在節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)等方面進(jìn)行調(diào)研對比，在新建的第二條高速線材生產(chǎn)線中采用了雙蓄熱式步進(jìn)梁加熱爐。
步進(jìn)梁加熱爐的作用是將大于500℃的熱裝或常溫下冷裝的連鑄坯加熱到軋制所需要的溫度，以提高金屬的塑性，減少軋制變形抗力和機(jī)械電氣負(fù)荷，節(jié)約能源和能耗。
蓄熱式加熱爐的工作原理
1 蓄熱式加熱爐的理論基礎(chǔ)
蓄熱式燃燒技術(shù)，19世紀(jì)中期就開始用于高爐熱風(fēng)爐、平爐、焦?fàn)t、玻璃熔爐等規(guī)模大且溫度高的爐子。其原理是采用蓄熱室余熱回收裝置，交替切換煙氣和空氣，使之流經(jīng)蓄熱體，達(dá)到在最大程度上回收高溫?zé)煔獾娘@熱，提高助燃空氣溫度的效果。但傳統(tǒng)的蓄熱室采用格子磚作蓄熱體，傳熱效率低，蓄熱室體積龐大，換向周期長，限制了它在其他工業(yè)爐上的應(yīng)用。新型蓄熱室，采用陶瓷小球或蜂窩體作蓄熱體，其比表面積高達(dá)200～1000m2/m3，比老式的格子磚大幾十倍至幾百倍，因此極大地提高了傳熱系數(shù)，使蓄熱室的體積可以大為縮小。另外，由于換向裝置和控制技術(shù)的提高，使換向時(shí)間大為縮短，傳統(tǒng)蓄熱室的換向時(shí)間一般為20～30min，而新型蓄熱室的換向時(shí)間僅為0.5～3min。新型蓄熱室傳熱效率高和換向時(shí)間短，帶來的效果是排煙溫度低（200℃以下），被預(yù)熱介質(zhì)的預(yù)熱溫度高（只比爐溫低100～150℃）。因此，廢氣余熱得到接近極限的回收，蓄熱室的溫度效率可達(dá)到85%以上，熱回收率達(dá)80%以上。
2 蓄熱式加熱爐的工作原理
宣鋼二高線步進(jìn)梁蓄熱式加熱爐是將助燃空氣和高爐煤氣經(jīng)換向系統(tǒng)后經(jīng)各自的管道送至爐子左側(cè)各自的蓄熱式燃燒器，自下而上流經(jīng)其中的蓄熱體，分別被預(yù)熱到950℃以上，然后通過各自的噴口噴入爐膛，燃燒后產(chǎn)生高溫火焰加熱爐內(nèi)鋼坯，火焰溫度較同種煤氣做燃料的常規(guī)加熱爐高400～500℃,90%以上的熱量被蓄熱體回收，最后以150℃以下的溫度排放到大氣中，比常規(guī)加熱爐節(jié)能30%～50%。同時(shí)，高溫?zé)煔膺M(jìn)入右側(cè)通道，在蓄熱室進(jìn)行熱交換，將大部分余熱留給蓄熱體后，煙溫降到150℃左右進(jìn)入換向機(jī)構(gòu)，然后經(jīng)排煙機(jī)排入大氣。幾分鐘后控制系統(tǒng)發(fā)出指令，換向機(jī)構(gòu)動(dòng)作，空氣、高爐煤氣、煙氣同時(shí)換向?qū)⑾到y(tǒng)變?yōu)橄乱粋�(gè)狀態(tài)，此時(shí)空氣和高爐煤氣從右側(cè)噴口噴出并混合燃燒，左側(cè)噴口作為煙道，在排煙機(jī)的作用下，高溫?zé)煔馔ㄟ^蓄熱體后排出，一個(gè)換向周期完成。
圖1 蓄熱式加熱爐燃燒系統(tǒng)工作原理簡圖
加熱爐簡介及其性能特點(diǎn)
1 加熱爐基本結(jié)構(gòu)
宣鋼二高線廠加熱爐為懸臂輥側(cè)進(jìn)料、側(cè)出料的步進(jìn)式加熱爐。加熱爐從進(jìn)料端到出料端分為I加熱段、II加熱段、均熱段，采用蓄熱式燃燒技術(shù), 蓄熱式燒嘴在I加熱段、II加熱段、均熱段進(jìn)行上下供熱，燃燒高爐煤氣，熱值為 750X4.18KJ/Nm3。爐子的主要尺寸見表1：
表1:加熱爐的主要尺寸
項(xiàng) 目 尺 寸（mm）
有效長度 22388
爐子內(nèi)寬 12600
上加熱爐膛高度 1400
下爐膛高度 2200
砌底總長 23888
砌底總寬 13800
有效爐底面積（m2） 282
固定梁頂面標(biāo)高 57.5
爐子鋼結(jié)構(gòu)由普碳鋼板和型鋼焊接件組成，分為四個(gè)主要部分:爐底鋼結(jié)構(gòu)、爐子兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)、裝、出料端鋼結(jié)構(gòu)、爐頂鋼結(jié)構(gòu)。加熱爐砌體采用澆注料整體澆注，爐頂采用平頂?shù)鯍旖Y(jié)構(gòu)，錨固磚用錨固鉤吊掛在爐頂鋼結(jié)構(gòu)上。爐區(qū)設(shè)有平臺(tái),平臺(tái)之間安置梯子和欄桿。加熱爐除裝料爐門和出料爐門外，設(shè)4個(gè)檢修爐門，端墻帶有耐熱透視玻璃的自閉式窺孔。爐門采用無水冷卻。加熱爐設(shè)置6根固定梁和4根步進(jìn)梁，采用單排布料。在加熱段和均熱段間采用水梁交錯(cuò)技術(shù)，保證鋼坯溫度均勻性。
爐子的機(jī)械設(shè)備主要包括：裝料爐門、爐內(nèi)裝料輥道、推鋼機(jī)、步進(jìn)機(jī)械、爐內(nèi)出料輥道、出料爐門。
宣鋼二高線步進(jìn)梁式加熱爐設(shè)置汽化冷卻系統(tǒng)一套，采用強(qiáng)制循環(huán)方式。進(jìn)出料懸臂輥道和工業(yè)電視采用循環(huán)水冷卻。
鋼坯進(jìn)入加熱爐前在爐外上料輥道上通過測長后由爐外上料輥道送入爐內(nèi)，通過懸臂輥道減速定位，然后由爐后液壓推鋼機(jī)推到固定梁上。通過步進(jìn)梁上升——前進(jìn)——下降——后退的周期運(yùn)動(dòng)，爐內(nèi)鋼坯被輸送到加熱爐出料端并放置在出料懸臂輥道上，然后由懸臂輥道輸出爐外。
2 供熱制度和燃燒系統(tǒng)
宣鋼二高線加熱爐采用蓄熱燃燒技術(shù)，蓄熱體為蜂窩體。通過爐墻側(cè)部的空氣蓄熱燒嘴和煤氣蓄熱燒嘴進(jìn)行供熱，將空氣和煤氣分別預(yù)熱到950℃以上再噴入爐膛。加熱爐分為三個(gè)供熱段,分別為I加熱段、II加熱段、均熱段, 沿爐長方向上設(shè)置多個(gè)供熱點(diǎn)，兩側(cè)上下蓄熱燒嘴供熱，供熱燒嘴共64只，采用三段爐溫制度（各段空氣蓄熱燒嘴和煤氣蓄熱燒嘴的分布見表2），其中，I加熱段爐溫為850～1050℃；II加熱段爐溫為1050～1150℃；均熱段爐溫為1150～1250℃，各段上下供熱比約為45%/55%。各供熱段的流量和空燃比通過自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，上下供熱量的調(diào)節(jié)通過燒嘴的能力和燒嘴前手動(dòng)蝶閥實(shí)現(xiàn)。
表2:各段空氣蓄熱器燒嘴和煤氣蓄熱器燒嘴的分布及燃料配比
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序號(hào)
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供熱段
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空氣蓄熱器 燒嘴個(gè)數(shù)（個(gè)）
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煤氣蓄熱器 燒嘴個(gè)數(shù)（個(gè)）
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燃 料 配 比
%
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1
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I加熱段上
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4
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4
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11
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25
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2
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I加熱段下
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4
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4
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14
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3
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II加熱段上
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6
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6
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17
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37.5
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4
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II加熱段下
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6
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6
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20.5
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5
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均熱段上
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6
|
6
|
17
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37.5
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6
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均熱段下
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6
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6
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20.5
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合計(jì)
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32
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32
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100
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100
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蓄熱式燃燒系統(tǒng)由空（煤）氣蓄熱室、換向系統(tǒng)及控制單元組成，采用分側(cè)分散換向系統(tǒng)對空氣和煤氣蓄熱燒嘴進(jìn)行換向。分側(cè)分散換熱系統(tǒng)采用二位三通換向閥對空氣與煙氣進(jìn)行換向，每側(cè)同一段內(nèi)的上下幾個(gè)煤氣燒嘴共用一個(gè)二位三通換向閥對煤氣和煙氣進(jìn)行換向。這種換向方式可以將換向閥到各燒嘴之間的管道體積減少到最小，這樣，換向過程中的熄火時(shí)間可以縮短2秒以下，換向過程中的煤氣損耗也可以減少到最小。另外，采用分段分側(cè)二位三通換向，爐子兩側(cè)的換向閥和管道對稱，消除了爐子兩側(cè)熱狀態(tài)不均的問題。二位三通換向閥采用雙作用形式，并遵守先關(guān)供氣，后開排煙的操作策略，雙作用換向閥在換向過程中可以當(dāng)作切斷閥使用，避免了煤氣或空氣與煙氣相遇的可能。
分側(cè)分散換向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：
-解決了集中換向方式存在的問題，縮小了換向閥到燒嘴之間的管道長度和體積；
-節(jié)約了煤氣消耗；
-解決了全分散換向方式管路過多、設(shè)備過多、故障點(diǎn)過多和檢修空間太小的問題
-系統(tǒng)簡潔可靠，設(shè)備故障點(diǎn)少，管道美觀大方，檢修空間寬敞。
換向系統(tǒng)采用PLC控制。主要功能有：
-當(dāng)換向系統(tǒng)處自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，換向閥以一定的時(shí)間間隔完成換向動(dòng)作。
-當(dāng)排煙溫度過高時(shí)，系統(tǒng)將強(qiáng)制換向閥換向，直至排煙溫度下降到設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可在觸摸屏上進(jìn)行手動(dòng)換向。
-超溫報(bào)警
-動(dòng)作異常報(bào)警：當(dāng)換向閥閥位異常或長時(shí)間動(dòng)作不到位時(shí)，觸摸屏上會(huì)出現(xiàn)報(bào)警指示燈閃爍并指示故障點(diǎn)所在位置，蜂鳴器報(bào)警，系統(tǒng)作出相應(yīng)的應(yīng)急或人工干預(yù)。
3 爐區(qū)控制系統(tǒng)
全爐采用的自動(dòng)控制系統(tǒng)包括各設(shè)備的控制設(shè)定及所有設(shè)備的順序聯(lián)鎖控制。控制方式為手動(dòng)，半自動(dòng)和自動(dòng)控制。自動(dòng)控制具體包括：1）各段爐區(qū)的自動(dòng)控制，以合理的空燃比進(jìn)行調(diào)節(jié)，對各段空氣和煤氣流量進(jìn)行計(jì)量和檢測；2）對各種危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警；3）汽化冷卻系統(tǒng)自動(dòng)化控制；4）微機(jī)監(jiān)控軟件顯示系統(tǒng)流程圖、趨勢圖控制，并能生成報(bào)表。
4 加熱爐主要技術(shù)性能參數(shù)
爐型： 蓄熱式步進(jìn)梁加熱爐
鋼種： 普碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、焊條鋼、焊絲鋼、低合金鋼、彈簧鋼、冷墩鋼等
坯料尺寸（mm）： 150×150×12000
短尺長度 不短于9000 mm
單根坯料重量級(jí) 2052kg
燃料種類 高爐煤氣
入爐溫度： 冷裝：室溫
熱裝：>600℃，熱裝率60～80%
出爐溫度： 950～1150℃
爐子加熱能力： 150 t/h
空氣預(yù)熱溫度： ≥950℃
煤氣預(yù)熱溫度： ≥950℃
裝料方式： 采用爐內(nèi)懸臂輥道加對齊推鋼機(jī)側(cè)裝料
出料方式： 采用爐內(nèi)懸臂輥道側(cè)出料（軋制線標(biāo)高為+5.80米）
爐內(nèi)布料方式: 單排布料
蓄熱燒嘴式加熱爐的優(yōu)點(diǎn)及存在問題
宣鋼二高線加熱爐投產(chǎn)以后，加熱能力較一線將有大幅度提高，年產(chǎn)量可達(dá)45萬噸以上。
與普通加熱爐相比較,由于該加熱爐的廢氣排放溫度僅為150℃左右,幾乎達(dá)到了能源利用的極限值,因此節(jié)能效果好,較常規(guī)的加熱爐節(jié)能;另外,由于燃燒完全,熱耗降低減少CO2排放，這將極大地改變環(huán)境。同時(shí)，高效蓄熱燃燒，煙氣的排放溫度低于150℃，不僅減少排煙的熱效應(yīng)而且其排放煙塵的黑度是肉眼所看不見的，噪聲減小，環(huán)境清潔，這對保護(hù)環(huán)境是一大貢獻(xiàn)。由于高溫煤氣和空氣混合燃燒產(chǎn)生了較高的理論燃燒溫度，這種低熱值的高爐煤氣可以迅速、穩(wěn)定、充分的燃燒，高溫?zé)煔饩鶆虺錆M整個(gè)爐膛，鋼坯加熱溫度十分均勻，為軋制高質(zhì)量的鋼材創(chuàng)造了條件。
與其它蓄熱式加熱爐比較，蓄熱式燒嘴加熱爐不象其它蓄熱式加熱爐有專設(shè)的蓄熱室，它的燒嘴就是一個(gè)小小的蓄熱室，能直接安裝在爐子的側(cè)墻上，減少爐墻占用空間；蓄熱式燒嘴是由煤氣蓄熱式燃燒器與空氣蓄熱式燃燒器組成，它們在爐外分開布置，使煤氣與空氣通道分離，避免了煤氣與空氣互串的危險(xiǎn)；蓄熱式燒嘴的燃燒器中采用陶瓷小球作為蓄熱體，具有表面積大、耐高溫、耐急冷、導(dǎo)熱性強(qiáng)、更換容易的特點(diǎn)；每個(gè)燃燒器前的煤氣和空氣連接管上都安有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而使得各個(gè)燃燒器，特別是上部與下部燃燒器的能力能夠按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，簡便易行。
通過對已采用蓄熱式加熱爐的生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)蓄熱式加熱爐也存在一些問題。加熱爐必須換向方可工作，因此換向系統(tǒng)工作正常與否十分關(guān)鍵，操作時(shí)必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程；因其燃料為高爐煤氣，使用時(shí)安全問題尤為重要，爐區(qū)CO濃度超過100PPm時(shí)，CO檢測儀報(bào)警，操作工必須及時(shí)對爐區(qū)進(jìn)行巡檢和對漏點(diǎn)進(jìn)行處理；因蓄熱式加熱爐升溫速度快，一旦出現(xiàn)大的生產(chǎn)事故，停軋時(shí)間較長時(shí)，降溫時(shí)間不及時(shí)易出現(xiàn)粘鋼事故。針對以上問題，宣鋼二高線采取妥善準(zhǔn)備措施，避免事故出現(xiàn)。
結(jié)語
采用了先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，選用全連續(xù)小型軋機(jī)，軋制保證速度高達(dá)90m/s，大大縮短了軋制周期，使軋件溫降減小，節(jié)約了工序能耗。本廠采用的雙蓄熱式步進(jìn)梁加熱爐，并采用PLC控制，通過合理的熱工制度，使燃料合理燃燒,給企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在總煙道上布置有金屬空氣預(yù)熱器，降低尾氣溫度，減少廢氣帶走的熱量損失，大大提高生產(chǎn)的社會(huì)效益。
