首钢迁钢2160mm热轧工程加热炉技术的研究与应用
2013-09-10 22:00 来源：钢联资讯 作者：陈迪安
北京首钢国际工程技术有限公司（以下简称首钢国际工程公司）凭借多年从事轧钢加热炉设计的丰富经验，对国际上加热炉的新工艺、新技术、新设备进行消化、吸收及再创新，完成了首钢迁钢2160mm热轧工程加热炉的设计，并成功应用于生产。投产以来，加热炉炉体步进机械、装钢机、出钢机、汽化冷却系统、空气换热器、煤气换热器、烧嘴及燃烧系统、水冷系统、液压系统、供风系统、自动化控制及检测系统等运行良好，新技术综合运用成功，受到用户好评。
1 技术研发背景
从武钢1700mm到宝钢2050mm热轧加热炉的建成，标志着我国热轧加热炉进入到了大型和特大型的时代,这个时期的大型加热炉都是由国外引进的，加热炉的结构型式较传统。由于燃烧关键设备烧嘴的特性，采用的还是轴向加热，炉型复杂、操作环境恶劣。随着烧嘴技术的研发，火焰长度逐渐加大，炉型曲线也向简单实用方向发展；采用水冷却，钢坯的“黑印”较大；耐热滑轨的材质、布置都还有局限性，钢坯的加热质量存在不足。钢坯热送热装技术越来越得到重视，长行程装钢机应运而生；步进机械轮距加大；步进梁的布置和间距越来越向节能方向发展；随着耐火材料行业的发展，加热炉的砌筑向着复合结构方向发展，逐步减小厚度并节能；加热炉控制自动化水平越来越高。
2 主要技术特点
迁钢2160mm热轧厂4台250t/h大型步进梁式加热炉是迁钢“120t转炉→炉外精炼→大板坯连铸→板带轧制”紧凑式生产线上的关键设备。有效长度41.1m，炉膛内宽11.2m，额定加热能力250t/h（热装料时可达320t/h）;以高炉、焦炉和转炉的混合煤气（热值2300Kcal/Nm3）为燃料，共设六个控制段。加热炉热工自动化仪表采用先进的检测、控制系统，并具有安全报警功能。加热炉的基础自动化系统设备亦采用先进的控制系统，对加热炉区的装炉辊道、长行程装钢机、装料炉门、步进梁、出料炉门、出钢机和出料辊道等设备的动作进行自动逻辑控制；燃烧系统采用双交叉限幅控制以及炉内残氧自动修正等技术，确保炉内保持微氧化气氛，降低钢坯氧化烧损；余热回收采用空、煤气双预热技术以及水梁和立柱汽化冷却技术，确保余热回收效益最大化；采用电气-仪表一体基础自动化和二级过程计算机控制技术，实现全自动烧钢，加热炉的整个生产过程由计算机进行管理和控制。
2.1 加热炉主要技术参数
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序号
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项 目 名 称
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单 位
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技 术 参 数
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1
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炉型
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－－
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端进、端出步进梁式加热炉
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2
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用途
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－－
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轧制前板坯加热、直接热装时生产缓冲
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3
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加热钢种
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－－
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普碳钢、优质碳素钢、低合金钢、API-5L管线钢等
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4
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板坯规格
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mm
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230，250× 900～2050× 8000～10500
4000～5000（短尺）
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5
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标准板坯
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mm
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230× 1350× 10000，24.2t
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6
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最大板坯
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mm
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230× 2044× 10500，38.5t
250× 1880× 10500，38.5t
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7
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加热炉有效长× 内宽
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mm
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41100× 11100
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8
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加热炉生产能力
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t/h
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冷装（20℃）： 250（最大260）
直接热装（800℃）：320（生产缓冲时）
380（生产不缓冲时）
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9
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炉底强度(标准坯)
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Kg/㎡.h
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608
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10
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钢坯装料温度
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冷装20℃，占20%；
直接热装800℃，占80%
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11
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钢坯加热温度
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℃
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1150～1250
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12
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燃料种类及热值
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kJ/m3
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高、焦混合煤气，2300×4.18
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13
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烧嘴型式
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上均热段：平火焰烧嘴
其余供热段：大调节比、低NOX调焰烧嘴
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14
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最大燃料消耗量
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m3/h
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43080
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15
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最大空气消耗量
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m3/h
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100400
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16
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最大烟气产生量
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m3/h
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134600
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17
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烟气出炉温度
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℃
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850
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18
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空气预热器形式
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带插件的金属管状预热器
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19
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空气预热温度
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℃
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～550
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20
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煤气预热器形式
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金属管状预热器
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21
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煤气预热温度
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℃
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～300
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22
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汽化冷却产汽量
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t/h
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10.0 （绝热层完好时）；
18.0（绝热层脱落10％时）
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23
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装料方式
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长行程装钢机，行程～8m
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24
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出料方式
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出钢机
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25
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步进梁根数
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活动梁4根，固定梁4根（均热段5根）
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26
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步进梁传动方式
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斜坡滚轮、全液压传动
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27
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步进梁运动周期
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sec
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45
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28
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步进梁运动行程
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mm
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升降200，平移550
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29
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单位热耗
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kJ/kg
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300× 4.18（冷装、普碳钢、标准坯、出炉温度1250℃、产量250t/h）
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30
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板坯表面与中心温差
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≤35
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31
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板坯水梁黑印温差
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℃
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≤20
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32
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板坯通过加热炉跑偏量
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mm
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±30
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2.2 加热炉布置及结构设计
首钢迁钢2160mm热带轧机工程车间布置，采用代表现代钢铁生产工艺流程的炼钢—连铸—热轧工序三位一体的紧凑式布置。2台连铸机板坯输出辊道和热轧轧制线及加热炉装炉辊道直接相连接，为实现高水平热装生产创造了前提条件。
加热炉采用下排烟，即炉内燃烧生成物自炉尾两侧下部的分烟道进入空气预热器和煤气预热器，汇总后经烟道引至车间外烟囱排出。2座加热炉共用1座烟囱，烟囱出口直径为5.2m，高度为90m。
炉内钢坯支承梁采用汽化冷却，每座加热炉的汽包设置在2座加热炉之间的平台上。
加热炉助燃风机，布置在加热炉装料跨的地下室。
为保证炉宽方向上温度分布的均匀性以及提高炉气对炉内板坯的传热效率，对炉型和烧嘴选择进行了合理配置。
加热炉采用全平顶结构，各段之间设置隔墙。由于加热炉较长，加热炉自出料端至装料端沿炉长方向上共分为均热段、第二加热段、第一加热段、预热段；除预热段不设置烧嘴外，其余各段均设置烧嘴。共6个燃烧控制段。均热段上部供热全部采用平焰烧嘴；其余各段均采用侧部调焰烧嘴。加热炉设置4根固定梁和4根活动梁，为消除水管黑印和适应双排装料，在均热段增加1根固定梁。
为确保设计精准，首钢国际工程公司在国内率先应用Bentley/PSDS软件实现对首钢迁钢2160mm热轧加热炉进行三维可视化设计，在计算机上实现了预装配、模拟演示、受力分析及各种干涉检查，将设计缺陷消除在施工图设计阶段，大大提高了设计质量，迁钢2160mm热轧加热炉成为国内首座三维可视化大型步进梁式加热炉。在炉型结构以及烧嘴喷口大小以及角度采用流体分析软件Fluent进行模拟，对炉型结构以及烧嘴参数进行优化。2160mm热轧工程加热炉三维设计、炉内流场模拟见图1和图2。
图1 首钢迁钢2160mm热轧工程加热炉三维设计
图2 首钢迁钢2160mm热轧工程加热炉炉内流场模拟
2.3 主要新技术应用
首钢国际工程公司工业炉事业部在设计步进加热炉的主要结构、设备选型、平面布置时，借鉴近年来设计轧钢加热炉成功的经验，博采众家之长，结合首钢实际，采用国内外先进、成熟的新技术，稳妥可靠的应用到首钢迁钢2160mm热轧步进加热炉的设计上，采用的主要新技术有以下几点：
1）低NOX烧嘴。采用日本新型超长火焰低NOX调焰烧嘴，弥散燃烧，火焰无明显高温区，温度场均匀。
2）空煤气双预热技术。空气预热到550℃，煤气预热到300℃，节能20%。
3）炉体复合保温结构。炉顶采用可塑料和3层隔热材料复合，高温段内粘贴多晶莫来石纤维块，再刷高温节能涂料；炉墙采用浇注料和两层隔热材料复合；炉底采用砌砖和隔热材料复合；水梁包扎采用耐火纤维和浇注料复合结构。
4）水梁交错布置并分段。在高温段和低温段水梁根数不同；在炉长方向水梁分成4段。
5）水梁高合金耐热垫块。垫块采用高合金的耐热垫块，双块“千鸟足”布置方式，减少水梁与板坯接触处温差，提高板坯加热质量。
6）炉底梁采用汽化冷却技术。水梁采用汽化技术不仅能降低板坯黑印温差，提高板坯加热质量，还可以产蒸汽6-15t/h，节能效果明显。
7）热装热送。装炉温度300-700℃，并采用长行程装钢机，缩短加热时间，提高加热炉产量和热装率，节能效果好。
8）烧嘴间拔控制。除均热段外，其余各个供热段每个烧嘴均可实现间拔控制，燃烧控制系统根据热负荷的变化情况，通、断工作烧嘴数量，保证每个烧嘴在额定工况工作，烧嘴火焰特性好，炉内温度场更均匀，提高坯料加热质量。
9）自动化程度高。采用全自动化控制，各个供热段炉膛温度控制采用具有“动态限幅带”的双交叉限幅控制，实现一、二级自动控制。
2.4 主要节能措施
1）按节能炉型加热炉配置不供热的预热段，以充分利用高温段烟气预热入炉的冷料，降低排烟温度。
2）在加热炉烟道上设置空气预热器、煤气换热器，回收出炉烟气带走的热量，节约燃料，降低板坯单位热耗。空气预热器是带插入件的金属管状预热器，预热温度约550 ℃、煤气换热器是高效对流管状换热器，预热温度约300℃。
3）炉底水梁和立柱采用优化设计，设计大跨度的炉底梁立柱结构，采取合理的支承梁及其立柱的配置，力求减少管底比，并采用双重绝热包扎，以减少冷却管的吸热损失和冷却水用量。
4）采用高合金耐热垫块，双块“千鸟足”布置方式，以减少水管黑印，同时也达到了不因减小板坯断面温差而延长均热时间，从而减少燃料消耗的目的。
5）炉内支承梁及其立柱采用汽化冷却，利用汽化产生的高压蒸汽并网使用，以充分利用废热，降低生产成本。
6）采取高温耐火可塑料整体捣制的炉顶和复合层炉墙结构，保证加热炉有较长的使用寿命。同时，加强加热炉砌体的绝热，减少散热损失。
7）合理配置加热炉两侧窥视孔、操作炉门及检修炉门，结构设计做到开启灵活，关闭严密，减少炉气外溢和冷风吸入的热损失。
8）配备完善的热工自动化控制系统，确保严格的空燃比和合理的炉压等控制,使热损失及燃耗降低到最小。
9）加热炉采用超长火焰低NOx调焰烧嘴，NOx的排放达到44.7PPmm,远低于国家排放标准的规定。
10）加热炉采用90m高烟囱，粉尘和SO2排放浓度均符合《工业炉窑大气污染物排放标准》的规定。
11）加热炉的助燃风机置于地坑内，采取有效的减震措施，并在风机的入口安装消音器，风机机壳以及出口部分管道采用纤维包扎，可使车间内的噪音值远低于85dB。
首钢迁钢2160mm热轧加热炉实景见图3。
图3 首钢迁钢2160mm热轧加热炉实景
3 技术推广及应用价值
首钢迁钢2160mm热轧工程加热炉设计采用世界上加热炉的先进技术和节能措施，代表大型板坯加热炉的发展方向，布局紧凑、合理，维修、操作方便；炉型结构节能、经济、寿命长；设备、材料选型先进、经济、合理、适用，具有广泛推广和应用价值。
4技术研发团队
源自百年首钢，服务世界钢铁。首钢国际工程公司成立了首钢迁钢2160mm热轧加热炉工程技术创新团队，公司副总经理李春生亲自挂帅，工业炉事业部部长苗为人总负责，总设计师刘文田、主管设计师陈迪安等专业负责人积极参与。设计团队广泛搜集国内外热轧步进加热炉各种燃料和坯料的资料，充分分析、研究国内大型热轧加热的技术现状和优缺点，特别是在使用过程中出现的问题和需要改进的地方，将首钢迁钢2160mm热轧工程加热炉的设计方案与类似的加热炉进行全方位、深层次对比，不断完善设计方案，4座加热炉已全部投产，均是一次试车成功，用户非常满意。首钢迁钢2160mm热轧加热炉的建成投产，标志着首钢国际工程公司在特大型加热炉的设计、技术研发和应用方面迈向了国际先进水平的行列。首钢国际工程公司工业炉技术团队将会继续深入研究、不断探索，为我国热轧和冷轧技术的发展、为钢铁冶金和相关事业做出更大的贡献。
撰稿人： 陈迪安
