ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
Jan.202139蓄热式轧钢加热炉燃烧质量优化控制研究 陈焕德1张宇1周云1丁美良1王帝杰2
（1.江苏省（沙钢）钢铁研究院，2.北京科技大学高效轧制国家工程中心）
摘要采用“黑匣子”炉温跟踪仪和红外气体分析仪分别对蓄热式轧钢加热炉炉况和炉内
气氛进行分析，并提出加热炉燃烧质量优化控制措施。分析结果表明，上下炉气最大温差
150P，上炉气温度高于炉顶热电偶温度10~53t；坯料中部温度最低，均热段长度方向最大 温差46七，断面最大温差24T；烟气成分检测含4.71%CO和0.9%02o经热电偶校验、管
道煤气质量控制、蓄热体更换及司炉工艺优化后，加热炉的燃烧质量显著提升。 关键词蓄热式加热炉温度气氛燃烧质量
文献标识码：A文章编号：1001-1617（2021）01-0039-05
Study on combustion quality optimization control
of regenerative reheating furnace for steel rolling
Chen Huande1Zhang Yu1Zhou Yun1Ding Meiliang1Wang Dijie2
(1.Institute of Research of Iron and Steel,
2.Beijing University of Science and Technology)
Abstract The process and atmosphere of the regenerative reheating furnace for steel rolling were stud
ied by using"black box"furnace temperature tracker and infrared gas analyzer,and the measures
leading to optimized combustion quality were proposed.The analysis results showed that the maximum
temperature difference between the upper and lower furnace gas is up to150%,while the temperature
of the upper furnace gas is higher than that of thermocouple on the furnace top,and the temperature
variation range from10to53%：.The temperature in the middle of the billet is the lowest,and the max
imum temperature difference in the length direction is46弋，and24T!for the section.In addition,
4.71%CO and0.9%02are contained in the flue gas.It has been improved significantly after the
verification of thermocouple,quality control of pipeline gas,replacement of heat storage body and opti
mization of stoker process.
Keywords regenerative reheating furnace temperature atmosphere combustion quality
轧钢加热炉是钢铁企业主要能耗设备之一。但轧钢加热炉能源利用率却不到30%⑴。随着资源的枯竭，环保意识的增强，以及政府对淘汰落后产能工作的重视，为降低加热炉能耗，提高燃烧质量，蓄热式燃烧技术获得青睐[2-6]o 蓄热式加热炉通过蓄热体最大限度回收高温
收稿日期：2020-05-21
陈焕德（1984-），硕士/工程师;215625江苏省苏州市。烟气中的显热，用于预热空气或煤气，使燃料能够在高温低氧环境下燃烧E。采用蓄热式加热炉可显著降低排烟温度（＜200七）和坯料氧化烧损，减少有害气体（NOJ的排放，在节能减排及提高燃烧质量上具有明显的优势WP O 蓄热式加热炉的建模及自动化控制技术研究较多3一⑷，但随着钢铁企业产品结构的升级换代，燃烧质量更加受到重视。燃烧质量涉及到加
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热炉炉况及炉内气氛，鉴于燃烧质量控制的重要 性，文章拟采用“黑匣子”炉温跟踪试验研究 炉况，同时利用煤气、烟气成分检测仪对炉内气 氛进行分析，并提出加热炉燃烧质量优化控制措
施，以期为加热炉新建或大修提供参考。1试验对象及方法
试验对象为轧钢生产线上正常使用的蓄热式
步进梁加热炉，空气和高炉煤气双预热，空气烧 嘴和煤气烧嘴左右、上下双层分布，具体技术指
标如下：
炉子用途：轧制前钢坯加热；炉型：侧进侧出步进梁式加热炉；炉长：17m ；炉宽：17m ；
烧嘴数：44个；
加热钢种：结构钢、合金钢、高碳钢；
钢坯 规格：140mm X 140mm X 15000mm A
150mm X 150mm X 15000mm ；
坯料入炉温度：室温或〉300%；
出钢温度：W1250%；
生产能力：200t/h ；
燃料及热值：高炉煤气，3200kJ/m 3 ；
供热方式：三段供热（预热段、加热段、 均热段）；
空气、煤气预热温度：M1000兀；排烟温度：W150P ；蓄热体型式：蜂窝体。（1）黑匣子炉温跟踪试验
采用耐高温“黑匣子”试验仪器开展炉温
跟踪试验，坯料钢种H08A，加热制度：预热段 900 ±20弋；加热段1000 ±20兀；均热段1100 ±
20尤。试验前在坯料不同位置预制不同深度的 06mm 孔，采用直径3mm 的铠装K 型热电偶进
行温度测量，外保护套管为精度1级的2520不
锈钢管。热电偶插入孔中，并用氧化铁皮压实。 试验坯料共设置16个测温点，分别测量上表面
（孔深30mm ）.芯部（孔深70mm ）、下表面 （孔深110mm ）、上炉气及下炉气的温度。坯料
尾部区域：1〜3号分别为上表面、芯部、下表
面测温点，4、5号分别为上炉气及下炉气测温
点，位置与加热炉非轧机侧炉顶热电偶对应；坯
料四分之三区域：6号为芯部测温点；坯料中部
区域：7、8号分别为芯部及上表测温点，15、
16号分别为上炉气及下炉气测温点，位置与加
热炉中部炉顶热电偶对应；坯料四分之一区域: 9号为芯部测温点；坯料头部区域：10、11号分
别为上炉气及下炉气测温点，位置与加热炉轧机 侧炉顶热电偶对应，12〜14号分别为下表面、
芯部、上表面测温点。具体测温点位置见图1。
试验料进炉前对“黑匣子”进行耐高温处
理，坯料进炉后按正常轧制节奏随炉加热，炉内 其余钢种为H08A ；坯料出炉后快速将“黑匣 子”炉温跟踪仪取出，并导出数据进行处理。
（2）管道煤气、烟气成分检测
采用红外线气体分析仪对试验炉的管道煤气
成分及烟气成分进行连续采集，周期30s，成分
包含CO 、CO?、CH4、比和O2等，采集仪器精
度为 CO/CO2/CH4： W1%FS, H 2/O 2: W2%
FS O 采用燃烧经验公式对采集后的数据进行处
理，获得炉内气氛控制情况。
根据“黑匣子”炉温跟踪试验数据及炉内
气氛控制情况，分析加热炉燃烧质量，并提出优
化控制措施。
5
号
下炉气
4
号
上炉气
3
号孔济116m m
2
号孔深70m m 1
号孔深30m m
6
号孔深
70m m
00
号孔深3 0m m
胶管缠绕机
7
号孔深70m m
16
号
下炉气 15
号上炉气
9
号孔深
70m m
14
号孔
深30m m 13号孔
深70m m
12
号
孔深110m m
一一
号下炉气10
号上炉气
尾部O
四分之三
中部
O
四分之一
△ △ O O O塑料光纤收发器
头部
△△O O
图1 “黑匣子”
炉温跟踪试验热电偶布置方案
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2试验结果与分析2.1炉况分析
试验料总在炉时长84min，各供热段在炉时 长28min，试验料随炉加热过程的温度曲线如图
2所示。当坯料在炉时间小于75min 时，坯料实
际温度（芯部温度）小于工艺温度（如图2横 线所示），且两者的温差随着在炉时间的延长而
减小；当坯料在炉时间大于75min，坯料实际温 度与工艺温度接近。可见，当前司炉工艺下，坯
料在炉75min 即可达到目标温度。同样的变化规
律在上炉气温度与坯料实际温度的温差中可以观
察到，而且当在炉时间为45rniii 时，上炉气温度 发生突变，表明加热能力增强。
坯料出炉实际温度1100弋左右，满足坯料 出钢温度要求，司炉工艺没有问题。但在预热段
与加热段，上炉气温度与坯料实际温度温差过
大，坯料没有充分接收炉气的辐射热，导致热量
浪费、能耗升高，这与坯料在炉时间及坯料的热
传导性相关，同时与司炉工艺设置相关。
试验料随炉加热过程中主要温度数据如表1 所示，上炉气温度〉坯料上表面温度〉坯料芯部法兰锻造
温度；坯料头部温度〉尾部温度〉中部温度。可
以看出，上炉气温度高于炉顶热电偶温度，容易
造成坯料实际温度过高，应提高炉顶热电偶采集
温度的准确性。
表2为试验坯料在均热段温度数据。由表可
知：均热段坯料中部温度最低，头、尾部温度相 差不大；断面最大温差为24弋，长度方向最大
温差为46尤。中部温度最低与炉内火焰长度相
关，炉宽17m，坯料中部处于& 5m 位置，试验
加热炉火焰长度在6m 左右，导致温度最低。
图3为上下炉气温度曲线，整个加热过程, 上下炉气温度的变化趋势基本一致，上炉气温度
略高于下炉气温度。坯料头部下炉气温度在加热
140012001000
殳800舊600
400200
在炉时间/min
图2坯料温度曲线
表1 试验料加热过程主要温度数据
T
参数头部中部尾部预热段
加热段
均热段
预热段
加热段
均热段
预热段
加热段
均热段
司炉制度900 ±201000 ±20
1100 ±20900 ±201000 ±20
1100 ±20
900 ±201000 ±20
1100 ±20
炉顶热电偶918
10291120917
1050108388410011090上炉气87610391135
8781081
1131880
1049
1143
坯料上表580
969110151491211045429001094坯料芯部
523
957
1108
451
820
1094
514
880
1097
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表2
试验坯料均热段温度数据
料坯参数
尾部区域四分之三中部区域
四分之一头部区域长度方向温差
上表1090
-1078-110022芯部
10801098
10541100
109346
下表1088---1095
7
断面温差
10
-24
-
7-
o o
o o o
o
o
o o
o o o o o o o 4 2 0 8 6 4 2 11 11 11
o d a 20
40 60 80
100
在炉时间/min (a)坯料头部
.
.............
....
o o o o o o
o o o
o o o o o o 4 2 0 8 6 4 211 11 11
o d a
20
40 60 80
100
在炉时间/min (b)坯料中部
....
.
.........
....
o o o o o o
o o o
o o o o o o 4 2 0 8 6 4 211 11 11
20
40 60 80
100
在炉时间/min (c)坯料尾部
图3上下炉气温差
段后期出现异常，下炉气温度低于上炉气温度 150七，主要是因为烧嘴堵塞导致下炉气加热能
力不足；坯料中部上下炉气温度在加热段均出现
较大变化，温度从900七上升至1050七，表明此
刻加热能力突然增强，与司炉工艺的设置有关。 2.2炉内气氛分析
坯料加热过程中，所用管道煤气和烟气的组
分及热值如表3所示。煤气成分含CO 28. 64%、 H 2 2. 7% ，热值4000kJ/m 3，属于典型的高炉煤 气。烟气成分中含CO 4. 71%、02 0. 90% ，热值 680kJ/m 3，表明炉内存在不完全燃烧，这与蓄热
体换向周期及气体流量控制有关。
表3 检测气体组分及热值
气体类型
co %
C02%
ch 4
%吊葫芦
H 2%
。
2
%
热值
kj/m 3
管道煤气28. 64
17.51
道具0.07 2. 700.024000
烟气
4.7124. 520.070. 62
0. 90
680
坯料在炉期间，煤气和烟气的组分及热值波
动情况如图4所示，波动不明显，表明高炉司炉 工艺稳定。
利用红外气体分析仪测量无水、无油、无尘
状态下的理想干煤气成分，燃烧计算时需将干煤 气组分转化为湿煤气组分，计算公式为⑴]：
z 100 X 卩干卩湿=100 + 0. 124 xg
()
式中:％为湿煤气各组分含量；卩干为干煤气各组
分含量;g 为饱和含水量，取27. 8g/m 3 □
贝[j V 湿/V 干=100/( 100 + 0. 124 x 27. 8 )= 0. 9667
所检测管道煤气组分转换成湿煤气组分为:
CO27. 69% , CO 216. 93% , CH 40. 068% , H 2
2.61%,020.019%o 将湿煤气组分代入式(2),
可得煤气完全燃烧时，所需理论空气消耗量。LI = 0. 0476 x [0. 5H 2 + 0. 5CO + 2CH 4 + 丫( m +
0.25n)C m H n + -O 2] =0.73 m 3/m 3 (2)
实际空气消耗量：E = ax£f=nx(l +0. 00124 xg) xL«=0.16n (n 为空气系数)
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43
35
25
2015
10
5030
-50
桩基泥浆比重20
40
60 80 100 120 140 160样本数/个
30
501200
2520
1510
020
40
60 80 100 120 140 160样本数/个
o
o O
o o O 8 6 4 E u.p m
•寸、
赳瘵20
20
40
60 80 100 120 140 160样本数/个
%
图4检测气体组分及热值波动空气系数n 二1，炉内中性气氛，则L n =
0. 76m 3/m 3,BP lm 3煤气消耗0. 76m 3空气，空燃
比0. 76；n>l，炉内氧化性气氛，则広> 0. 76m 3/
m 3，即空燃比〉0. 76 ； 口 V 1，炉内还原性气氛，则
L n <0. 76m 3/m 3，即空燃比 <0. 76。
当前司炉工艺条件下，空燃比为0.67，炉
内为还原性气氛，煤气未充分燃烧；烟气实际检 测结果中CO 含量较高，也验证了炉内煤气未完 全燃烧，为还原性气氛。
2.3改进措施及效果
加热炉是轧线重要关键设备，其燃烧质量影
响着产线能耗及产品合格率。加热炉燃烧质量包
含温度准确性、煤气能耗及坯料氧化烧损等，炉
体的硬件(如热电偶、烧嘴)、炉内气氛、司炉
工艺等因素均可影响加热炉的燃烧质量。
从炉况分析结果及炉内气氛控制情况来看:
(1) 上炉气温度高于炉顶热电偶的温度,
尤其是加热段和均热段，两者的温差最低10%, 最高53兀(如表1所示)，表明炉顶热电偶采集
异常，按此采集温度进行司炉操作，容易造成坯
料过烧，导致轧材晶粒粗大或脱碳判次，需对炉
顶热电偶精度及插入深度进行校验，保证采集温
度的准确性。
(2) 坯料中部温度偏低，头部下炉气温度
小于上炉气温度，表明蓄热体出现异常。经查,
管道煤气含尘、含水较多，产生大量污泥，部分
进入蓄热体，堵塞了烧嘴。因此，对管道煤气的
含尘、含水量进行控制，并清理、更换被堵塞的 烧嘴。
(3) 预热段、加热段上炉气温度与坯料实
际温度相差较大，且在加热段出现快速加热现
象，表明炉气热量未完全传递给坯料，司炉工艺
设置不合理，可适当降低温度、延长换向周期。
(4) 烟气成分监测表明煤气未充分燃烧,
可减少煤气流量，增大空燃比，适当延长换向周 期。
改进后，加热炉燃烧质量提升明显，吨钢煤
气消耗量由300m 3/t 下降至270m 3/t，氧化烧损
率由1.2%下降至0. 75% ，与司炉相关的产品质
量判次率(脱碳、粗晶等)从12.3%下降至
1. 2%，保证了产品质量，创造了显著的经济效益。
3结论
(1) 加热炉上炉气温度高于炉顶热电偶温
度，尤其是加热段和均热段，两者的温差最低
10弋，最高53弋，容易造成坯料过烧；坯料中
部温度最低，均热段时，长度方向最大温差
46弋，断面最大温差24尤；坯料头部在加热段
后期上下炉气温差150%；加热炉整体炉况差, 加热质量不高。
(2) 烟气成分含有4.71%CO 、0.9% O2,
表明管道煤气未充分燃烧，炉内气氛为弱还原性 气氛，可通过减少煤气流量、增大空燃比、延长
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