加熱爐燒嘴火焰長度控制技術研究

王　敏，周繼良，孫茂林，劉志民，曹　恒，麻衛平

（1.首鋼技術研究院，北京100041；2.首鋼遷鋼公司，河北遷安064404）

加熱爐燒嘴火焰長度控制技術研究

王敏1，周繼良1，孫茂林2，劉志民2，曹恒2，麻衛平2

（1.首鋼技術研究院，北京100041；2.首鋼遷鋼公司，河北遷安064404）

對加熱爐SDF調焰燒嘴使用中出現的板坯長度方向溫度不均勻，在RT2溫度曲線中間溫度較高、兩端溫度較低，溫度偏差較大的問題進行研究，發現主要原因是燒嘴結構設計上存在問題，燒嘴火焰長度過長而且不利調節。通過燒嘴燃燒模擬計算，確定二次風對側燒嘴前壓力場變化的影響，使壓力控制值能夠滿足獲得合理火焰長度的需求。在燒嘴頭部增加煤氣擴散片，并合理調節二次助燃風閥門的開度，解決火焰過長造成的溫度偏差大問題。

加熱爐；燒嘴；火焰長度；控制

加熱爐側燒嘴采用SDF調焰燒嘴。該燒嘴使用中存在的主要問題是，板坯長度方向溫度不均勻，主要表現在RT2溫度曲線中間溫度較高、兩端溫度較低，存在明顯溫度偏差［1］。經過分析認為，造成該現象發生的主要原因是燒嘴設計上存在不足，燒嘴火焰過長不利調節，使靠近爐墻處的鋼坯加熱溫度較低，鋼坯長度方向加熱溫度均勻性較差。有文獻對燃燒器［2］、燃燒過程［3］及一、二次風混合特性［4］等進行過研究。本文采用數值模擬和理論分析的方法確定側燒嘴的壓力大小，調整控制壓力值滿足得到最佳火焰長度的需求；改進側燒嘴燃燒時二次空氣配比，合理調節二次助燃風閥門的開度，并得出二次風大小與火焰長度的關系。

1　加熱爐燒嘴模擬

1.1模型

由于燒嘴結構復雜，包括中心風、煤氣、一次風、二次風等管道，因此在模擬時采用的是先分步后整合的模擬方法。圖1是整體模型示意圖。

1.2邊界條件

采用的煤氣成分如表1所示。

煤氣和空氣采用質量流量人口邊界條件，具體數值見表2。

圖1　模擬用整體模型示意圖

表1　煤氣成分

表2　煤氣、空氣條件

采用自由出口，考慮了氣體的滑移，未考慮旋流葉片對氣體流場的影響。

1.3主要計算結果

針對二次風存在與否對燃燒、傳熱等的影響考慮，進行了兩組模擬，A組考慮了二次風，B組沒有二次風，得到圖2的結果。

從圖2的結果對比可見，有無二次風對加熱爐內部的流場、溫度場和各氣體組分分布有比較大的影響。計算結論主要如下：

（1）加熱爐燒嘴有二次風的平均溫度為1 678.4 K，無二次風的平均溫度為1 163.8 K，二者相差514.6 K；

（2）加熱爐燒嘴有二次風的CO、H2摩爾分數剩余較少（出口位置分別為0.036、0.018），說明更多的可燃氣體參與到燃燒放熱中，而無二次風的可燃氣體摩爾分數剩余較多（CO、H2出口位置分別為0.157、0.197），說明參與燃燒放熱的可燃氣體較少；

（3）從溫度場估算，以溫度超過1 800 K為界，有二次風約是無二次風長度的4倍。

2　燒嘴火焰長度控制

加熱爐側燒嘴采用SDF調焰燒嘴。該燒嘴在生產使用中出現的主要問題是，板坯長度方向溫度不均勻，主要表現在RT2溫度曲線中間溫度較高、兩端溫度較低，反映出板坯沿長度方向溫度不均勻。經過試驗證明，燒嘴火焰過長，加熱爐兩側燒嘴火焰在爐膛中心存在重合，且燒嘴已到最大調節能力仍不能改善這種狀況。

圖2　燃燒模擬結果對比圖

經過分析得出，造成該現象發生的主要原因有三個：一是在該燒嘴結構設計時對于流量考慮不全面?；旌厦簹獾臒嶂递^低，為9 614 kJ/m3，與天然氣相比需要4倍的流量。因此，混合煤氣具有的噴射流動動能也大4倍，燃料具有到達較遠處的傾向。二是由于該燒嘴的煤氣噴嘴設計時，混合煤氣射流是與燒嘴中心平行方向噴出，致使混合煤氣射流的寬廣度與空氣自由射流的寬廣角度一樣窄，從而造成混合煤氣的速度衰減變得緩慢。三是混合煤氣外周部位流動的一次空氣旋流數設計值較低（約為0.5），采用了較弱的回旋，以不影響混合煤氣射流的速度為原則進行設計的。上述三個原因導致了燃燒火焰過長現象的發生。

為改善燒嘴燃燒火焰過長無法控制問題，對加熱爐側燒嘴頭部進行改造，在燒嘴前中心風端部焊接混合煤氣擴散片，見圖3。

圖3　燒嘴前中心風端部焊接混合煤氣擴散片圖

通過改進，降低混合煤氣射流速度，并且促進混和煤氣與一次空氣的充分混合，從而縮短火焰長度。經過調試，改進后加熱爐燒嘴閥門開度見表3。

表3　加熱爐燒嘴閥門開度

在燒嘴手動閥門開度設定相同的條件下，燒嘴頭部改進后火焰剛性較好，現場觀察到的燃燒火焰長度明顯比改造前的火焰長度縮短了約500 mm，且火焰變粗，火焰狀態得到明顯改善。改造前、后加熱加熱爐RT2溫度曲線對比見圖4。

圖4可見，改進后中間坯長度方向的溫度波動較為平緩，中間溫度高的現象明顯改善，不考慮鋼坯尾部，整個中間坯長度方向的溫度差在25℃以內（尾部溫度低的原因是第四道次軋出后翹頭，第五道次的除鱗水沖刷造成，大部分中間坯都是如此）。改進后中間坯長度方向的溫度差減小，溫度均勻性明顯提高。

3　結論

（1）通過模擬計算二次風對燒嘴燃燒、傳熱的影響，確定燒嘴溫度場、壓力場、速度場及其可燃氣體濃度分布情況。確定二次風對側燒嘴前壓力場變化的影響，使壓力控制值能夠滿足獲得合理火焰長度的需求，為改進燒嘴特性、改進熱工操作提供依據。

（2）造成加熱爐側燒嘴火焰長度過長的原因是：燒嘴設計時，混合煤氣射流沿燒嘴軸向噴出，致使混合煤氣射流的寬廣度與空氣自由射流的寬廣角度較窄，從而造成混合煤氣的速度衰減較為緩慢?；旌厦簹庠跓焱庵懿课涣鲃拥囊淮慰諝庑鲾翟O計值較低（約為0.5），回旋不夠，造成燒嘴燃燒時火焰較長。

（3）為解決實際生產中出現的燒嘴燃燒時火焰過長造成鋼坯加熱溫度不均勻問題，針對混合煤氣燒嘴頭部進行改造，在燒嘴前中心風端部焊接混合煤氣擴散片，降低混合煤氣射流速度，并且促進混和煤氣與一次空氣的充分混合，能夠較好地解決燒嘴燃燒火焰過長而不利調節的問題。

圖4　改造前、后加熱爐RT2溫度曲線對比圖

［1］張延平，王敏，胡雄光，等.大板坯溫度均勻性測試與研究［C］//.全國能源與熱工學術年會論文集.貴陽：中國金屬學會能源與熱工分會，2008.

［2］翁衛國，周俊虎，董若凌，等.一次風擴口角對旋流燃燒器影響的數值模擬［J］.浙江大學學報（工學版），2006，40（10）：1819-1822.

［3］祝易松，楊步云，李文科.一、二次風量配比對旋流燃燒器燃燒過程影響的數值模擬［J］.工業爐，2009（6）：10-13.

［4］周志軍，周叢叢，許建華，等.低NOx旋流燃燒器一、二次風混合特性分析［J］.中國電機工程學報，2010，30（11）：8-13.

Research on Control Technology or Reheating Furnace Burner Flame Length

WANG Min1，ZHOU Jiliang1，SUN Maolin2，LIU Zhimin2，CAO Heng2，MA Weiping2
（1.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100041，China；2.Shougang Qian’an Iron and Steel Co.，Ltd，Qian’an 064404，China）

The problems of SDF burner during use in heating furnace were studied，such as the uneven temperature of slab longitudinal direction in SDF burner reheating furnace，the‘low-high-low’temperature shape in RT2 curve，large temperature deviation and so on.Burner structure design defect which makes flame length long and difficult to adjust is the main reason.The influence of secondary air on front side burner pressure field change was studied through simulations.And the request to obtain suitable flame length by control pressure was achieved.The opening of secondary combustion air valve was controlled by gas dispersal equipment which was added in the front of burner.And the large temperature deviation caused by long flame length was also solved.

reheating furnace；burner；flame length；control

TG307

B

1001-6988（2016）03-0022-03

2016-02-15

王敏（1962—），女，教授級高級工程師，主要從事冶金熱工與系統節能技術研究工作.