全氫罩式退火爐加熱罩燒嘴燒損原因分析與改進(jìn)

韋肖文　潘禮雙

(廣西柳州鋼鐵集團(tuán)公司冷軋板帶廠，廣西545002)

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全氫罩式退火爐加熱罩燒嘴燒損原因分析與改進(jìn)

韋肖文潘禮雙

(廣西柳州鋼鐵集團(tuán)公司冷軋板帶廠，廣西545002)

摘要：針對柳鋼二冷軋全氫罩式退火爐加熱罩燒嘴使用不足一年出現(xiàn)變形、燒損等缺陷的情況，本文從燒嘴結(jié)構(gòu)、工作原理以及材質(zhì)等方面對加熱罩燒嘴進(jìn)行分析,提出改進(jìn)燒嘴旋流器、校核空煤比、增加防護(hù)套管等措施。實施措施后有效延長了燒嘴使用壽命，同時降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：全氫罩式退火爐；燒嘴；燒損原因分析

柳鋼冷軋廠二冷軋全氫罩式退火爐于2011年年底投產(chǎn)，加熱罩在使用不到一年時間時發(fā)現(xiàn)有部分加熱罩外殼有超溫甚至是燒紅現(xiàn)象。后將加熱罩吊到檢修架進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該部位的燒嘴燃燒筒已經(jīng)嚴(yán)重?zé)龘p變形，包裹燒嘴的保溫棉也已經(jīng)脆化脫落，如圖1所示。

加熱罩作為罩式退火爐的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響整個退火工藝過程，而加熱罩的加熱性能最終由燒嘴決定。退火工藝中加熱、保溫全階段的溫度參數(shù)都取決于燒嘴的工作狀況。若燒嘴出現(xiàn)變形、燒損將會直接導(dǎo)致火焰分散變形，降低加熱效率。同時，分散的火焰會使內(nèi)罩表面局部過熱，使內(nèi)罩筒體發(fā)生漲鼓和變形，縮短內(nèi)罩的使用壽命。

1　罩式爐加熱罩燃燒系統(tǒng)及燒嘴

1.1　加熱罩燃燒系統(tǒng)

柳鋼冷軋廠國產(chǎn)全氫罩式退火爐燃燒系統(tǒng)由雙平面切向安裝的12個燒嘴組成，在兩個平面上分兩層布置，上、下層各布置6個燒嘴，每個燒嘴均配置高壓點火變壓器、點火電極、火焰監(jiān)測器、燃燒控制器、電磁閥、燃?xì)夤芎椭伎諝夤艿?。此外在燃?xì)夤芫€上還安裝有調(diào)壓閥，用以穩(wěn)定燃?xì)獾墓┙o并控制燃?xì)獾膲毫Α?/p>

1.2　燒嘴結(jié)構(gòu)及原理

如圖2所示，燒嘴由燒嘴本體、套筒、點火電極、煤氣管、火焰監(jiān)視器、觀察孔、旋流器、燃燒筒和測壓頭等組成。煤氣從煤氣管進(jìn)入燒嘴后沿著燒嘴中間的獨立通道加速流動，再從噴頭中噴出與助燃空氣混合。經(jīng)預(yù)熱器加熱后的空氣通過旋流器后旋轉(zhuǎn)噴出與煤氣混合，并由點火電極點火后在燒嘴燃燒室中燃燒。燃燒后大量的混合氣體在壓力的作用下沿著燃燒筒繼續(xù)加速流動，在燃燒筒縮口頭部噴出，劇烈燃燒釋放大量熱量。

2　燒嘴燒損原因分析

為保證燃燒噴射出去的火焰在加熱罩與內(nèi)罩空間的中線上，燒嘴火焰設(shè)計成沿內(nèi)罩筒體圓周切向噴射。燒嘴局部燒損后火焰的長短和形狀都會發(fā)生變化，變形后的火焰垂直沖刷內(nèi)罩筒體表面，形成局部過熱區(qū)域，使內(nèi)罩筒體發(fā)生漲鼓、變形，縮短內(nèi)罩的使用壽命。同時煤氣在燒損的燒嘴中流動壓力損失較大，使得煤氣的流動速度小于火焰噴出的速度，導(dǎo)致火焰無法伸長，造成回火現(xiàn)象，大量煤氣在燃燒筒中燃燒，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致燃燒筒在火焰不斷沖刷和燒蝕下急速燒損脫落。燒嘴燒損后火焰形態(tài)發(fā)生變化，燒嘴區(qū)域的陶瓷纖維保溫模塊在散開的火焰持續(xù)沖刷下極易脆化脫落，失去保溫作用后造成加熱罩外殼超溫、燒紅、穿孔。

圖1　燒損的燃燒筒

圖2　燒嘴結(jié)構(gòu)圖

對于燒嘴異常燒損主要從以下幾方面進(jìn)行分析：

(1)燒嘴燃燒筒(如圖1)出現(xiàn)如此大面積的燒損，首先懷疑是材質(zhì)出了問題。按照設(shè)計要求燃燒筒需采用0Cr25Ni20耐高溫不銹鋼材質(zhì)，經(jīng)過化驗分析材質(zhì)符合設(shè)計要求，這也從后面我們更換了新定制的壁厚更厚的0Cr25Ni20不銹鋼燃燒筒后同樣出現(xiàn)燒損得到了進(jìn)一步驗證。由此材質(zhì)問題得到排除。

(2)燒嘴空煤比不匹配。燒嘴的正常燃燒需要確保煤氣壓力和熱值的穩(wěn)定性，當(dāng)煤氣壓力和熱值出現(xiàn)波動時就會直接影響到燒嘴的工作，造成燒嘴局部過燒，出現(xiàn)變形、燒損現(xiàn)象。但是對于脈沖控制點火的開閉式燒嘴系統(tǒng)來說，系統(tǒng)煤氣和空氣的配比是按照燒嘴設(shè)計參數(shù)和調(diào)試數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)好，并通過煤氣和空氣電磁閥閥芯的開度來控制氣體流量，最終實現(xiàn)空煤比的調(diào)節(jié)。實際使用過程中煤氣壓力、熱值是一個動態(tài)的值，因此燒嘴空煤比也必須根據(jù)實際情況進(jìn)行及時調(diào)整。

(3)燒嘴空氣旋流器設(shè)計不合理導(dǎo)致燃燒時煤氣與空氣在燃燒筒內(nèi)部混合形成紊流，火焰長度變短?；鹧娌皇前丛O(shè)計的切向角度噴射出去而是在燃燒筒內(nèi)部燃燒，然后沖刷燃燒筒內(nèi)壁外射噴出。燃燒筒在高溫火焰不斷沖刷下內(nèi)部組織出現(xiàn)變化，最后碳化脫落。

3　改進(jìn)與優(yōu)化措施

針對以上燒損原因的分析，對燒嘴進(jìn)行如下改進(jìn)：

(1)校核空煤比，優(yōu)化燃燒參數(shù)。

調(diào)節(jié)空煤比需要兩個重要參數(shù)，即空氣流量和煤氣流量，這兩個參數(shù)均需要通過測量流量孔板壓差計算而得，即:

式中，Q為空氣或煤氣流量；ΔP為孔板前后壓差；F為孔板系數(shù),孔板系數(shù)為固定值，其中煤氣孔板系數(shù)F煤= 1.798 45×102，空氣孔板系數(shù)F空= 4.136 71×102。

燒嘴空煤比調(diào)節(jié)首先要確定煤氣、空氣的流量，然后通過調(diào)節(jié)燃燒系統(tǒng)空氣、煤氣管路上電磁閥閥芯開度來控制氣體進(jìn)入燒嘴流量的大小，從而保證燃燒后殘氧量處于最佳比例。通過比對燒嘴技術(shù)參數(shù)、計算值和現(xiàn)場實測值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣壓差為1 800Pa，煤氣壓差為1 000Pa時加熱罩燃燒煙氣中O殘余量為5%左右，CO殘余量小于10×10-6，說明這個狀態(tài)下煤氣是充分燃燒的，效率也是最高的。

煤氣壓力及熱值是影響燒嘴空煤比的最大因素，我廠使用的焦?fàn)t煤氣壓力及熱值均不是很穩(wěn)定，燒嘴實際燃燒過程中空煤比不斷變動，因此必須在小范圍內(nèi)不斷反復(fù)調(diào)節(jié)空氣和煤氣的流量，才能保證燃燒尾氣殘氧量處于理想比值范圍內(nèi)。調(diào)整好加熱罩各個燒嘴參數(shù)后不能隨意改變電磁閥開度。在后續(xù)的運行中采取每個月對煙氣成分進(jìn)行分析，根據(jù)煙氣成分分析情況對燒嘴進(jìn)行微調(diào)保證燒嘴始終處于最佳燃燒狀態(tài)，同時結(jié)合煤氣進(jìn)氣總管壓力波動情況適當(dāng)調(diào)節(jié)煤氣穩(wěn)壓閥保證燒嘴前的壓力穩(wěn)定。

(2)調(diào)整空氣旋流器葉片數(shù)量及角度。

空氣旋流器角度與火焰長度的關(guān)系如圖3所示。通過前述分析得知燒嘴燃燒筒燒損主要原因是煤氣與空氣混合時，由于空氣通過旋流器后產(chǎn)生過大的旋流，形成紊流，火焰長度變短導(dǎo)致燃燒后火焰無法直線噴射出去而是不斷地旋轉(zhuǎn)沖刷燃燒筒才噴出。

測量原裝燒嘴旋流器角度為30°，屬中等火焰，火焰比較短粗，不能達(dá)到火焰沿加熱罩與內(nèi)罩中線切向噴射的設(shè)計要求。根據(jù)旋流器角度與火焰長度的關(guān)系，將角度改成15°，同時將旋流器直徑由?100mm縮小為?80mm，葉片由24片改成10片，且葉片開口度由5mm加大成8mm。此外，為減小氣流壓力損失，將旋流器各部位機(jī)加表面粗糙度控制在9級以上。

(3)增加保護(hù)套管。

旋流器角度變小，火焰長度得到了保證，但是火焰集中度不夠，分散火焰不僅會沖刷燒嘴也會破壞加熱罩保溫結(jié)構(gòu)及內(nèi)罩筒體。為提高火焰聚集度，在旋流器前方加裝了一個?90mm×120mm不銹鋼套管。套管起著分流燃燒前的空氣和集中火焰的雙重作用。改進(jìn)后燒嘴噴射出的火焰長度合適，集中度高。改進(jìn)前、后的對比情況如圖4所示。

4　結(jié)語

本文以燒嘴的結(jié)構(gòu)及工作原理為基礎(chǔ)，分析出燒嘴燒損變形的原因主要有材質(zhì)問題、燒嘴空煤比不匹配、燒嘴空氣旋流器設(shè)計不合理等，由此相應(yīng)地提出了三點改進(jìn)與優(yōu)化措施。按照本文所提的措施進(jìn)行設(shè)備和工藝改進(jìn)后于2014年2月開始試用，經(jīng)過12個月的使用，檢查燒嘴燃燒筒內(nèi)表面光滑，無一燒嘴燃燒筒發(fā)生燒蝕變形、燒損現(xiàn)象。經(jīng)過改進(jìn)的燒嘴加熱罩的加熱能力也明顯提升，0℃至350℃全速升溫階段的加熱時間由平均90min降至75min。對燒嘴進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化后，不僅燒嘴使用壽命得到有效延長，同時也降低了設(shè)備維護(hù)及生產(chǎn)成本。

圖3　旋流器角度與火焰長度的關(guān)系

a)旋流器改進(jìn)前

b)旋流器改進(jìn)后

參考文獻(xiàn)

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編輯李韋螢

Burnt-outCauseAnalysisandImprovementofHeatingMantle

NozzleforFull-hydrogenAnnealer

WeiXiaowen,PanLishuang

Abstract：Regarding to burnt-out deformation defect of heating mantle nozzle for full-hydrogen annealer on second cold rolling line less than one year in Liuzhou Steel，nozzle structure and working principle as well as material and other aspects have been analyzed on heating mantle nozzle, further optimization of air cyclone, check of air to coal ratio, assembly of protection tube and other meausures have been put forward. Service life of the nozzle has been prolonged efficiently and production cost has been reduced after upgrading.

Key words：full-hydrogen annealer; nozzle; burnt-out cause analysis

收稿日期：2015—03—04

中圖分類號：TG156.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B