辊底式光亮连续热处理炉辐射管现状及发展趋势
天津钢管公司轧管二部冷轧机组黄大伟鲍云飞
[摘要]文章概述了辊底式连续热处理炉的工作原理及特点，对辊底式连续热处理炉自预热时辐射管内部结构及辐射管类型及材质进行详尽评述，并表明了目前存在问题及今后发展的主要方向。
关键词辊底式连续热处理炉辐射管烧嘴热效率
1 前言
天津钢管集团公司冷轧不锈机组的辊底式连续热处理炉是2003年从德国洛伊公司引进。
炉体全长132M，设计热处理管坯直径为φ20至φ406，管坯长度为5-12M，炉体内采用氮气作为保护气，控制自预热式烧嘴燃烧通过热辐射管对钢管进行热处理，钢管在热处理过程中不接触明火，保证了生产过程中炉体内部无氧化成份气体，在热处理效果和抗氧化技术在国内处于领先水平。
2 辊底式连续热处理炉主要工作原理及特点
辊底式连续热处理炉整体由上料台架、上料横移小车、入口真空室、入口过渡段、加热段、喷冷锻、出口缓冷段、出口真空室、下料横移小车及下料台架10部分组成，其中入、出口真空室各有2道密封门，管料生产过程即按上述10部分依次行进。
炉子传动采用辊道运输钢管，加热区主要通过两台电机减速机及变频器控制辊道转动速度，根据不同钢种、规格等要求设定不同温度及辊道运输速度。
本设备采用氮气作为炉内保护气体，热处理炉在工作时始终向炉体内填充氮气，保持炉内气压为0.1-3mbar的微正压，防止外部空气进入炉内，
在整条生产线中，炉子加热段温度最高，进料端离加热段近，如此处气氛控制不好极易造成钢管的氧化，为避免外界空气进入炉膛，保证炉内气氛，真空室配备有耐热真空锁气门及隔热附件。
坯料快速进入真空室后，其前后两道真空锁气门关闭，2台真空泵将真空室抽至设定的真空状态（绝对压力1-5mbar），在充入保护气体。
上述过程完成后，靠近加热段侧真空锁气门打开，坯料快速进入炉前过渡段，这样可以防止外界空气进入炉内。
炉子加热系统分为8个区，采用德国洛伊公司最新型的套管式自身预热辐射管烧嘴，烧嘴采用脉冲式燃烧控制，空气、燃气比例始终保持在最佳状态，可以连续稳定的调节炉子供热量；辐射管管由高级耐热材料制成，内管为柔性组合式高温陶瓷管，该式烧嘴可以保证火焰在炉宽方向的刚度和长度，使辐射管内外管温度均匀分布，最大限度地保证了炉子加热的均匀性。
这种烧嘴配备了高压自动点火及紫外线火焰检测装置，确保烧嘴使用安全可靠。
3 自预热辐射管的结构
针对现代工业质量及环保的要求，自身预热式辐射管主要以天然气为燃料，在特制的密封套管内燃烧通过受热的套管表面以热辐射的形式把热量传递给被加热物体，燃烧产物不与被加热物体接触有效避免了被加热表面的氧化和脱碳。
将高效的换热器内置于燃烧器装置中，通过回收工业炉窑或锅炉烟气的显热预热助燃空气或燃气，从而达到提高热量利用效率以及节能减排的目的。
自预热式辐射管总体上由燃烧器、内层管、辐射管体以及控制系统组成（直管型预热式辐射管如图1所示）。
辐射管的结构设计研究是紧紧围绕着辐射管表面温度的均匀性及辐射管烟气排放中N O x含量这两个重要的方面来进行的。
1）燃烧器
燃烧器是整个加热装置的核心，它控制着辐射管的功率、温度分布、热效率及使用寿命。
燃烧器应该具有良好的火焰稳定性，在较小的空气消耗系数情况下也能稳定燃烧，且在频繁开关的情况下，不至于回火或严重积碳。
自预热燃烧器由燃气烧嘴、空气导管、换热器及烟气回流装置组成。
由于技术保密及商业竞争，就自预热燃烧器的具体结构而言，鲜有可供查询的资料，有的仅仅只是对燃烧器整体结构的宏观把握及其在工业上的高效运用。
( 1 )燃气烧嘴
燃气烧嘴是燃烧器的关键。
燃气烧嘴中空燃气喷嘴的位置及分布直接影响着空燃气的混合强度及内部空气流动，继而影响着辐射管的性能。
通过长期使用德国LBE公司烧嘴来看，我厂烧嘴通过脉冲式燃烧控制，可以连续稳定的调节炉子供热量，但此烧嘴也存在空燃比例不稳定的情况，由于是由一台助燃风机提供烧嘴需用的燃烧空气，在调节各个烧嘴前助燃风压的同时，首先要调节助燃风机使其提供充足稳定的总风压，使烧嘴燃烧数量无论在50%还是在100%工作时，都能得到稳定的助燃风压力。
( 2 )空气导管
就直管型预热式辐射管而言，助燃空气是空气导管的表面流动，同时与空气导管外的换器表面的烟气进行热量交换，从而达到加热助燃空气的目的。
空气导管的结构决定了助燃空气在圆环型型通道内的流动状态，继而决定了与流动方向相反的烟气之问的热交换效率。
( 3 ) 换热器
对于自身预热式辐射管，换热器的好坏直接决定了助燃空气与燃气的换热效率。
如何在有限的空间内将换热器的效率提高，是广大研究者所关注的问题。
德国LBE公司设计的凸缘肋状换热器采用表面凸凹不平结构，通过增大换热面积提高了整体的换热效率，但换热效率与成本之间的效益体现得并不完美。
2）内层管
内层管的作用在于使火焰与辐射管外管不直接接触，一方面减少了对辐射管内壁的冲刷和烧蚀，另一方面消除了局部高温区。
内层管的选择与火焰长度相当为宜。
因内层管的热传导作用，局部高温区温度降低，温度分布更加均匀。
德国LBE燃烧器制造公司使用7节组装自锁式的S i C材料内层管，即使水平安装的合金材料外层辐射管在高温下发生凹陷弯曲，也不会引起辐射管内层管的损坏，减少备件损坏。
3）辐射管体
工业上所用的自预热式辐射管就其管型及功能不同辐射管也设计成各种各样的型式，大致可以分为直管型、U型、W型及P型，表1列出了几种有代表性的辐射管型式和性能指标。
型式略图用途直
径
/mm
长度/m 煤气量
/m3*min-1
效率使用温度
/℃
特点
直管管、板材连续
加热
50-
200 2-5 1.5-8 40-50 500-1080
结构简单，使用
方便；燃烧空间
小，热效率低
U管连续式渗碳
炉，间断式热
处理炉
50-
200 1-4 1.0-10 55-65 300-1000
燃烧空间大，热
效率高，应用普
遍，管壁温度不
均匀
W管管、板、小型
部件的连续
热处理炉
50-
180 1-4 1.6-10 55-65 300-1000
燃烧空间大，热
效率高，应用普
遍，管壁温度不
均匀，影响火焰
长度因素多
P管罩式炉50-
180 1-4 1.6-10 55-65 300-1000
热效率和燃烧
方式与U辐射管
类似，管子形状
可按炉内情况
需求制作
表一各种辐射管的型式和性能
4 辐射管使用现状
辊底式连续热处理炉辐射管全长2574mm，由于辐射管只在两端有支点，长时间高温加热后辐射管整体强度会大幅度降低，在自身重力作用下辐射管会产生弯曲，弯曲后就会损坏辐射管内大石棉套及凸缘肋状换热器（材料陶瓷S i C），造成烧嘴不能正常工作，如果在高温区域内同时有三个或三个以上烧嘴不能正常工作，就达不到生产工艺需要的温度，影响产品质量，同时辐射管弯曲严重后发生断裂。
为了减轻辐射管弯曲程度，每使用6个月后，就需要对辐射管进行旋转，每次旋转180°，将原来向下弯曲的辐射管拱形转到上面，这样辐射管在以后使用过程中会逐渐先变回直线状态再向下弯曲，减缓辐射管的弯曲程度，避免因弯曲过大损坏内部大石棉套和凸缘肋状换热器等烧嘴附件而使烧嘴无法工作。
目前国内较大部分热处理炉辐射管均采用高鉻镍耐热钢，通过离心铸造而成，并且结构形式为直管式。
热处理炉在工作时处于850℃-1050℃高温状态，因管体表面与高温烟气直接接触，工作环境恶劣，容易被局部烧蚀和氧化而使材料失效，此种辐射管服役年限为3-5年，寿命短，并且由表一可以看出，直管式辐射管热效率低。
另外目
前国内使用自身预热式辐射管的热负荷可调节范围较小，且在不同的热负荷下管壁温度分布均匀性不够好；换热器的结构设计并不完善，且换热效率也不高。
目前天津钢管公司使用的辊底式连续热处理炉燃烧系统产生的废气由辐射管通过废气风机直接排出，排走的烟气带走大量热能，辐射管燃烧器的热效率是辐射管燃烧器的一项重要性能指标，其计算公式为
式中：η一辐射管燃烧器热效率，％
Q g一燃料带人的化学热，kJ／m3
Q g一预热空气带人的物理热,k J／m3
Q g一烟气带走的热量，kJ／m3
从公式中可以看出,烟气带走的物理热对辐射管热效率有很大影响，排烟温度与烟气带走的物理热成正比。
5 发展趋势
虽然现在对自预热热式辐射管的研究已取得了一定的成果，且自预热式辐射管在工业上的运用也越来越广泛，但仍然还有许多的不足，针对目前辐射管使用现状，应向以下几个方向展开研究：
1）国内生产的耐热铸钢已不能满足生产要求，容易被局部烧蚀和氧化而使材料失效。
故管体应向具有良好的耐热性能、较高的导热系数、较强的抗高温氧化能力、小的热膨胀系数、较高的结构强度及良好的气密性能方向发展。
目前国外通过改进辐射管材质以增加使用寿命、提高总体性能。
已研究开发了品质更高的辐射管，包括渗铝低碳无缝钢管、陶瓷管( S i C)、S i —S i C复合材料等新型辐射管。
2 )对辐射管燃烧器的性能进行更广泛的试验研究，比较不同结构的辐射管燃烧器性能，特别是关于换热器的结构优化及火焰长度可调节研究应作为工作的重点。
3 )进一步研发烟气余热回收装置，对烟气热量进行充分利用；运用降低N Ox 的措施于自预热辐射管中，最大限度地降低有害气体的排放量。