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离线蓄热式钢包烘烤器应用实践

吴元刚，张 磊，丁国伟，王爱东，马 冬

( 河北钢铁集团 唐钢公司 第一钢轧厂，河北 唐山 063016)

摘 要: 针对唐钢第一钢轧厂钢包烘烤器采用常规燃烧技术存在钢包加热不均、加热能力不足、能耗高的问题进行了改造，采用了离线蓄热式燃烧技术; 改造了相关设备; 优化了烘烤工艺; 提出了钢包火焰调控、烘烤时段操控及投包标准。改造后，钢包烘烤系统运行安全、可靠，钢包各项指标良好，节约了燃气成本，经济效益、社会效益显著。

关 键 词: 蓄热式燃烧技术; 钢包烘烤器; 应用

1 前言

唐钢第一钢轧厂现有双工位单吹颗粒镁铁水脱硫站 2 座，150 t 顶底复吹转炉 3 座，150 t LF 炉 3座，RH 精炼炉1 座，单机单流中厚板坯连铸机1 台、双机双流中厚板坯连铸机 1 台和单机单流薄板连铸连轧设备( FTSC) 2 台，离线烘烤器 5 台。2010 年、2011 年钢产量持平，平均月产钢 38 万 t，可循环使用钢包壳共 36 个，每月平均新投钢包 120 个。

2010 年设备改造前原有的钢包烘烤器采用常规燃烧，主要存在以下几个方面的问题。

( 1) 燃烧器设置于某一固定位置作连续性的燃烧，这种加热方式的热量与温度分布和热通量的分布一样，其最高点均位于火焰基部，然后沿着火焰中心轴往下游方向逐渐降低，分布极不均匀，无法实现对钢包均匀加热，钢包烘烤后包底温度与包沿温度相差 100 ℃以上，包壁任意两点温差大于 80 ℃，同环的温差大于 30 ℃，影响钢包的使用寿命。

( 2) 钢包烘烤器采用间壁式换热器来回收高温烟气中的热能，这类换热器的温度效率约 40%，燃烧效率低造成能源消耗高，同时很难达到预定的1 100 ℃ 烘烤温度，加热能力不足。

为此，2010 年对 5 台钢包离线烘烤器进行了蓄热式钢包烘烤器设备优化改造，应用实践表明，此次改造取得了很好的效果。

2 蓄热式燃烧技术的工作原理

蓄热式换热技术属不稳态传热，利用耐火材料作载体，交替地被废气热量加热。再将蓄热体蓄存的热量加热空气或煤气，使空气和煤气获得高温预热，达到回收废热的效能。由于蓄热体是周期性地加热、放热，为了保证加热的连续性，蓄热体必须成对设置，同时要有换向装置完成蓄热体交替加热、放热。

蓄热式燃烧系统主要由燃烧器、蓄热体及切换系统三者组成。其中一对燃烧器作周期性交互运转，当燃烧器 A( 左) 进行燃烧时，燃烧器 B( 右) 则作为炉气排放的通道。此时空气、煤气经蓄热体得到预热后进入燃烧器 A，而高温烟气通过燃烧器 B由蓄热体吸收其热能后排出; 在进入下一个周期时，切换阀动作，燃烧器 B 开始运转燃烧，燃烧器 A 反过来作为高温烟气排放通道，空气、煤气则利用从蓄热体吸收的热能先行预热后进入燃烧器 B，如此周而复始进行切换运转的动作，其工作原理见图 1。

3 蓄热式钢包烘烤器设备改造内容

蓄热式燃烧技术用于钢包烘烤器改造，需要更换或添加的主要设备包括: 1 对蓄热式煤气燃烧器、切换阀、抽风机、空气、煤气管道等。同时控制系统必须作相应改变，以实现蓄热式燃烧技术的控制要求，其改造方案如下。

( 1) 烘烤装置采用混合煤气作为燃料，煤气压力: 8 000 ～10 000 Pa。混合煤气参数见表 1。

( 2) 由于煤气蓄热式燃烧存在换向损失，在使用热值较高煤气时采用助燃空气单蓄热形式。本设计采用助燃空气单蓄热的形式。烧嘴本体耐火材料采用大连摩根超强耐火浇注料整体成型，保证烧嘴的整体强度及使用寿命在 1 ～2 年，蓄热体采用长寿命耐火陶瓷蜂窝体，既保证了足够的蓄热能力又能保证其使用寿命在 1 年以上。

( 3) 包盖耐火材料采用耐火度达 1 400 ℃的多晶莫来石高温耐火纤维预制块，使用寿命大于 1 年。为了保证包盖金属结构的寿命大于 3 年，包盖金属结构采用不锈钢制造。

( 4) 空气蓄热体分别布置在包盖中心两侧，一侧的蓄热空气与中心的煤气构成 1 个蓄热式烧嘴，两侧蓄热空气交替使用，而中心的煤气不换向，采用风幕技术可防止煤气倒流进蓄热体。

( 5) 空气/烟气蓄热换向由一四通换向阀控制。换向阀根据烟气温度反馈及时间进行双控制，保证出蓄热体烟气温度在 200 ℃以下。助燃空气管路及混合煤气管路上分别设有“V”流量检测装置，通过介质的流量值实现燃烧的比例调节。

( 6) 考虑到大包烘烤测温时容易产生偏差，在距包盖边缘近的位置设一“S”电偶检测温度。根据该温度反馈控制混合煤气流量，进而实现按烘炉曲线烤包。

( 7) 出蓄热体的烟气仍然有较高的温度及少量的有害气体，在厂房柱列线附近设置专用的排烟管路，把烟气及有害气体排出厂房外。

( 8) 蓄热式烧嘴连同包盖固定在旋转横臂上，为了保证不影响吊包作业，横臂旋转角度在 75° ～80°之间。助燃空气与热废气分别从机架两侧的旋转轴承中导出，煤气采用金属软管软连接。旋转动力来自卷扬机。

4 优化烘烤操控工艺

4． 1 钢包火焰调控

烘包前要先将包内清理干净。烤包时必须开风机，烘烤盖南端与包沿的距离控制在 200 ～300 mm。烘烤时由小火、中火、大火( 在空气、煤气比例正常情况下，火焰长度不足 1 m 为小火，火焰长度 1． 5 m为中火，火焰长度 2 m 为大火) 逐渐升温，钢包达到烘烤时间后，若本班不使用要转为小火烘烤。如计划下班使用必须在本班下班前 2 h 转为大火烘烤。烤包位没包时火焰长度控制在 0． 5 m，大火时火焰翻出不能超过烘烤盖背面 200 mm。钢包火焰调控参考时间见表 2。

4． 2 钢包烘烤时段操控

钢包烘烤时段操控( 见表 3) 按全修钢包( 全修永久层、工作层) 、大修钢包( 修包底和全部工作层) 、中修钢包( 修包底、上渣线工作层) 、小修钢包( 只修包底) 进行分类。

4． 3 钢包烘烤后投包的标准

钢包 烘 烤 完 毕 的 标 准 要 求 达 到 包 内 通 红( ≥800 ℃) ，投包时包底温度实测≥700 ℃，下部包壳烫手( ≥50 ℃) ，包底、包壳不能冒蒸气。

5 钢包烘烤器实际运行效果

5． 1 烘烤实际曲线

采用分段烘烤方式运行烘烤，烘烤实际曲线( 见图 2) 与烘烤制度曲线趋势相差不大，烘烤温度平均可达 1 050 ℃以上。

5． 2 钢包吊离烘烤位到热修修包温降

钢包吊离烘烤位到热修修包时间平均为 15min，温降在 100 ～ 200 ℃ ，比较合理，见图 3。

5． 3 钢包包底温度与包壁温差

随机抽取不同烘烤种类钢包包底温度与包壁温度进行对比( 见图 4) ，发现两者温差总体小于 50℃ ，其中小于 30 ℃ 占 85% 以上，并且可完全满足同环温差小于 15 ℃。

5． 4 钢包月烘烤时间与煤气消耗分析

统计对比了 8 个月的钢包烘烤时间，发现全修包钢包烘烤时间比改造前减少 15%，大修包烘烤时间减少 20%，中、小修包烘烤时间减少 40% 以上。若不考虑其他经济效益的增加，仅从燃料节约这一项指标来看，用蓄热式燃烧技术替代常规燃烧技术5 台烘烤器按月用混合煤气 420 万 m3( 高炉煤气用量极少，忽略不计; 焦炉煤气月用 90 万 m3，价格为0． 45 元 / m3; 转炉煤气月用 330 万 m3，价格为 0． 15元/ m3) ，节约燃气按保守值 30% 计算，年可节约燃气成本:( 90 ×0．45 +330 ×0．15) × 10000 × 30% × 12 = 324( 万元)

5． 5 钢包周转情况

改造后，钢包周转正常，钢包耐材寿命没有降低，并且从转炉到连铸冶炼过程温降合理。

( 1) 从转炉到精炼蹲钢过程中的平均温降为2． 56 ℃ / min。

( 2) 精炼后期净吹时温降 0． 98 ℃ /min。

( 3) 中包平均温降 2． 41 ～2． 78 ℃ /炉。

6 结语

自 2010 年蓄热式钢包烘烤器在唐钢第一钢轧厂运行至今，烧嘴和蓄热装置运行效果良好。燃烧火焰长、平稳，有助于 NOx的降低; 换热后的废气温度低于 150 ℃; 控制系统功能齐全，操作简单，维护方便，安全可靠，控温精度可在 30 ℃以内; 钢包各项指标良好，对炼钢工序及连铸工序相关指标的改善与提高起到了推动作用，取得了明显的经济与社会效益。