大型天然气台车加热炉烧嘴选型及布置的探讨

 

大型天然气台车加热炉烧嘴选型及布置的探讨
随着我国装备制造业的迅猛发展，相关的设备配套业扩展非常快，重机行业的压机无论单台能力还是总吨位数速度递增。压机能力的大幅度提高，对锻造需要的台车式加热炉能力和技术水平是重大考验。国家节能减排政策的不断推进，对锻造加热炉的能耗提出了更高的要求。  通过对国内著名重机行业的了解，结合做过大型燃天然气台车式加热炉群的经验，笔者认为影响加热炉整体水平的关键是燃烧系统。近年来随着控制水平和控制元器件质量的不断提高，控制软件和硬件的成熟，燃烧系统中的控制技术已日臻完善。随之而来的关于燃烧器的选型和布置成为了工业炉界的一个热门话题，同时也成为影响台车式加热炉技术水平提高的一个瓶颈。
1加热原理
    燃天然气台车加热炉炉内的热交换是一个相当复杂的过程，炉内钢料主要以对流和辐射方式加热，也接受炉气传给炉衬后再由炉衬反射回来的部分热量，使钢坯逐渐加热到需要温度。炉衬接受炉气传来的热量，一部分反射给炉气并为炉气吸收，一部分传给钢料，还有一部分由炉衬吸收以补偿它向大气的散热损失及其本身在升温过程中的蓄热。加热炉的传热方式主要取决于炉气的温度和流速，炉温在700℃以上，炉气在炉内自然流动，以辐射传热为主，对流传热为辅。
2烧嘴选型的方式根据传热的原理结合工艺，才能确定烧嘴形式。随着技术的不断进步，烧嘴结构形式发生很大变化。一般有如下几种形式:蓄热式烧嘴、高速烧嘴、亚高速烧嘴、平焰烧嘴、低压涡流烧嘴和高压喷射式烧嘴等等。
由于低压涡流烧嘴及高压喷射烧嘴对温度控制难以达到较高自动水平，目前在加热炉上基本不选用。近年国外又研发了蓄热式高速烧嘴及蓄热式平焰烧嘴，把蓄热式技术引入常规烧嘴之中，带来了烧嘴的第二次革命，它的缺点是占地而积大，适应工艺变化性差，在台车炉这种间断式变温炉中，显现不出其节能的根本效果，反而影响炉子的使用性能，再加上锻造车间工艺及操作的复杂性，蓄热式高速烧嘴和蓄热式平焰烧嘴很难在台车加热炉上推广使用。如果加热工艺单一稳定，使用这种烧嘴节能效果非常好(韩国釜山钢铁厂有一台台车加热炉使用这种烧嘴)。国内的蓄热式烧嘴研发较早，使用也很成熟。其形式有两种;一种是坑道式，其特点是蓄热体在炉侧墙排烟道内;第二种是烧嘴式，蓄热体在烧嘴后的蓄热箱内。无论哪一种形式，它的燃烧方式与常规烧嘴有本质区别，它们都是空气和天然气在炉膛内混合燃烧。靠排烟抽力形成炉内气流，所以炉内气流速度很低。这两种烧嘴也比较适合加热工艺比较简单的台车加热炉，国内在第一重型机器集团、中冶陕西轧辊厂有限公司、马钢重机公司等都有使用。它不适用于一炉多种工艺的台车炉。高速烧嘴及亚高速烧嘴，是指燃料与助燃空气在燃烧室或燃烧坑道内基本实现完全燃烧，燃烧后的高温气体以高速喷出，促进炉内气流循环，达到均匀炉温的目的。高速烧嘴的优点是调节比大，可达1:50，适合各种形式的自动控制。使用高速烧嘴的台车式加热炉，可适应多种加热工艺，也可配合其它措施改变炉子的用途，做为热处理炉使用，国内外在台车炉应用最为广泛。它的缺点是火焰冲击力大，火焰必须在一定的通道内燃烧，容易造成通道局部高温，若通道堵塞，极易使氧化铁皮烧熔，因而对工件造成烧损，引起设备损坏及产品的质量降低。因此加热炉使用高速烧嘴，对其本身也有较高要求，最重要的是要求其火焰长度可调范围要大，火焰喷出速度要容易控制，空气系数要调节好，再结合下而谈到的烧嘴布置方式，以解决上述问题。平焰烧嘴喷出的不是直焰而是紧贴炉壁向四周均匀伸展的圆盘形平火焰，能在很大的平而内造成均匀温度场，并具有很强的辐射能力。平焰烧嘴主要以对流方式传热给炉墙，以辐射方式传热给被加热工件，有利于强化炉内传热过程和实现均匀加热，避免工件过热。国外多见在台车式加热炉上应用平焰烧嘴，国内近来也有所应用。第二重机集团的台车加热炉首次在国内使用了平焰烧嘴。对于稳定加热工艺的台车炉来讲，使用平焰烧嘴是可行的，最大优点是避免了炉内垫铁及工件的过热现象，缺点是平焰烧嘴调节比较小，不适用多种工艺加热，再者平焰烧嘴主要靠辐射传热，其炉内气流流速较低，对炉膛宽度有严格要求，不能应用在炉膛较宽的炉子上。综上所述，在台车加热炉烧嘴选型上，能够适应重机行业复杂的工艺及操作，选用高速烧嘴是最合适的;对具有稳定加热工艺和操作的加热炉，选用蓄热式烧嘴、平焰烧嘴也是可行的。
3烧嘴布置
  烧嘴形式很重要，但对台车式加热炉来讲，选定烧嘴后，其在炉子上的布置更加重要，因为这直接影响到炉温的均匀性，影响到设备使用安全和工件的加热质量。烧嘴的布置选择有下排布置、上下排布置和中上部布置几种形式。烧嘴的布置主要是烧嘴高度方向位置及上下排能力的分配。除坑道式蓄热式烧嘴外各种形式的烧嘴都可以上下排布置。从实践来看，对大型燃气台车加热炉来说，无论是后排烟还是下排烟，上下排布置较为合理。有关工具书中规定的上下排能力比例为下排80%}90%，上排10%}20%。对日益发展的大型台车加热炉来讲，实践证明是不合适的，上下排布置能力应为上排30%}50%，下排50%}70%。国外同等规模的加热炉实际应用也是这种分配，否则就会引起上下温差加大，造成局部过热现象。这是在大型台车加热炉设计中应当注意的重要问题。在烧嘴选型上确认选用高速烧嘴后，下排烧嘴应在垫铁通道内
燃烧。上排烧嘴应向上倾斜7.50}150，以避免火焰冲刷加热工件。国外多见为避免下排烧嘴烧熔氧化铁皮而采用平焰烧嘴，而上排烧嘴采用高速烧嘴组合布置。为控制简单可靠，国内未见此种烧嘴组合布置。总之，在大型燃气台车加热炉上适用高速烧嘴，
但应当避免氧化铁皮烧熔和工件过热，烧嘴合理布置是实现加热工艺优化和节能减排目的最佳选择。