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大型天然氣臺車加熱爐燒嘴選型及布置的探討

 

大型天然氣臺車加熱爐燒嘴選型及布置的探討
隨著我國裝備制造業的迅猛發展，相關的設備配套業擴展非常快，重機行業的壓機無論單臺能力還是總噸位數速度遞增。壓機能力的大幅度提高，對鍛造需要的臺車式加熱爐能力和技術水平是重大考驗。國家節能減排政策的不斷推進，對鍛造加熱爐的能耗提出了更高的要求。  通過對國內著名重機行業的了解，結合做過大型燃天然氣臺車式加熱爐群的經驗，筆者認為影響加熱爐整體水平的關鍵是燃燒系統。近年來隨著控制水平和控制元器件質量的不斷提高，控制軟件和硬件的成熟，燃燒系統中的控制技術已日臻完善。隨之而來的關于燃燒器的選型和布置成為了工業爐界的一個熱門話題，同時也成為影響臺車式加熱爐技術水平提高的一個瓶頸。
1加熱原理
    燃天然氣臺車加熱爐爐內的熱交換是一個相當復雜的過程，爐內鋼料主要以對流和輻射方式加熱，也接受爐氣傳給爐襯后再由爐襯反射回來的部分熱量，使鋼坯逐漸加熱到需要溫度。爐襯接受爐氣傳來的熱量，一部分反射給爐氣并為爐氣吸收，一部分傳給鋼料，還有一部分由爐襯吸收以補償它向大氣的散熱損失及其本身在升溫過程中的蓄熱。加熱爐的傳熱方式主要取決于爐氣的溫度和流速，爐溫在700℃以上，爐氣在爐內自然流動，以輻射傳熱為主，對流傳熱為輔。
2燒嘴選型的方式根據傳熱的原理結合工藝，才能確定燒嘴形式。隨著技術的不斷進步，燒嘴結構形式發生很大變化。一般有如下幾種形式:蓄熱式燒嘴、高速燒嘴、亞高速燒嘴、平焰燒嘴、低壓渦流燒嘴和高壓噴射式燒嘴等等。
由于低壓渦流燒嘴及高壓噴射燒嘴對溫度控制難以達到較高自動水平，目前在加熱爐上基本不選用。近年國外又研發了蓄熱式高速燒嘴及蓄熱式平焰燒嘴，把蓄熱式技術引入常規燒嘴之中，帶來了燒嘴的第二次革命，它的缺點是占地而積大，適應工藝變化性差，在臺車爐這種間斷式變溫爐中，顯現不出其節能的根本效果，反而影響爐子的使用性能，再加上鍛造車間工藝及操作的復雜性，蓄熱式高速燒嘴和蓄熱式平焰燒嘴很難在臺車加熱爐上推廣使用。如果加熱工藝單一穩定，使用這種燒嘴節能效果非常好(韓國釜山鋼鐵廠有一臺臺車加熱爐使用這種燒嘴)。國內的蓄熱式燒嘴研發較早，使用也很成熟。其形式有兩種;一種是坑道式，其特點是蓄熱體在爐側墻排煙道內;第二種是燒嘴式，蓄熱體在燒嘴后的蓄熱箱內。無論哪一種形式，它的燃燒方式與常規燒嘴有本質區別，它們都是空氣和天然氣在爐膛內混合燃燒。靠排煙抽力形成爐內氣流，所以爐內氣流速度很低。這兩種燒嘴也比較適合加熱工藝比較簡單的臺車加熱爐，國內在第一重型機器集團、中冶陜西軋輥廠有限公司、馬鋼重機公司等都有使用。它不適用于一爐多種工藝的臺車爐。高速燒嘴及亞高速燒嘴，是指燃料與助燃空氣在燃燒室或燃燒坑道內基本實現完全燃燒，燃燒后的高溫氣體以高速噴出，促進爐內氣流循環，達到均勻爐溫的目的。高速燒嘴的優點是調節比大，可達1:50，適合各種形式的自動控制。使用高速燒嘴的臺車式加熱爐，可適應多種加熱工藝，也可配合其它措施改變爐子的用途，做為熱處理爐使用，國內外在臺車爐應用最為廣泛。它的缺點是火焰沖擊力大，火焰必須在一定的通道內燃燒，容易造成通道局部高溫，若通道堵塞，極易使氧化鐵皮燒熔，因而對工件造成燒損，引起設備損壞及產品的質量降低。因此加熱爐使用高速燒嘴，對其本身也有較高要求，最重要的是要求其火焰長度可調范圍要大，火焰噴出速度要容易控制，空氣系數要調節好，再結合下而談到的燒嘴布置方式，以解決上述問題。平焰燒嘴噴出的不是直焰而是緊貼爐壁向四周均勻伸展的圓盤形平火焰，能在很大的平而內造成均勻溫度場，并具有很強的輻射能力。平焰燒嘴主要以對流方式傳熱給爐墻，以輻射方式傳熱給被加熱工件，有利于強化爐內傳熱過程和實現均勻加熱，避免工件過熱。國外多見在臺車式加熱爐上應用平焰燒嘴，國內近來也有所應用。第二重機集團的臺車加熱爐首次在國內使用了平焰燒嘴。對于穩定加熱工藝的臺車爐來講，使用平焰燒嘴是可行的，最大優點是避免了爐內墊鐵及工件的過熱現象，缺點是平焰燒嘴調節比較小，不適用多種工藝加熱，再者平焰燒嘴主要靠輻射傳熱，其爐內氣流流速較低，對爐膛寬度有嚴格要求，不能應用在爐膛較寬的爐子上。綜上所述，在臺車加熱爐燒嘴選型上，能夠適應重機行業復雜的工藝及操作，選用高速燒嘴是最合適的;對具有穩定加熱工藝和操作的加熱爐，選用蓄熱式燒嘴、平焰燒嘴也是可行的。
3燒嘴布置
  燒嘴形式很重要，但對臺車式加熱爐來講，選定燒嘴后，其在爐子上的布置更加重要，因為這直接影響到爐溫的均勻性，影響到設備使用安全和工件的加熱質量。燒嘴的布置選擇有下排布置、上下排布置和中上部布置幾種形式。燒嘴的布置主要是燒嘴高度方向位置及上下排能力的分配。除坑道式蓄熱式燒嘴外各種形式的燒嘴都可以上下排布置。從實踐來看，對大型燃氣臺車加熱爐來說，無論是后排煙還是下排煙，上下排布置較為合理。有關工具書中規定的上下排能力比例為下排80%}90%，上排10%}20%。對日益發展的大型臺車加熱爐來講，實踐證明是不合適的，上下排布置能力應為上排30%}50%，下排50%}70%。國外同等規模的加熱爐實際應用也是這種分配，否則就會引起上下溫差加大，造成局部過熱現象。這是在大型臺車加熱爐設計中應當注意的重要問題。在燒嘴選型上確認選用高速燒嘴后，下排燒嘴應在墊鐵通道內
燃燒。上排燒嘴應向上傾斜7.50}150，以避免火焰沖刷加熱工件。國外多見為避免下排燒嘴燒熔氧化鐵皮而采用平焰燒嘴，而上排燒嘴采用高速燒嘴組合布置。為控制簡單可靠，國內未見此種燒嘴組合布置。總之，在大型燃氣臺車加熱爐上適用高速燒嘴，
但應當避免氧化鐵皮燒熔和工件過熱，燒嘴合理布置是實現加熱工藝優化和節能減排目的最佳選擇。