藺俐枝，馬新宇，房 旭

（內蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司，內蒙古 包頭 014010）

內蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司（簡稱包鋼鋼管公司）Φ460 mm連軋管生產線2012年7月29日全線熱負荷試車成功，其環(huán)形加熱爐中徑50 m，爐膛斷面尺寸5 800 mm×1 900 mm，爐底有效寬度約5 300 mm，單個鋼坯Φ350/390/430 mm長度1 480～5 000 mm，每個鋼坯質量不超過5 670 kg；最大產量220 t/h，最快節(jié)拍90件/h；采用側加熱及頂部加熱，分6個加熱控制區(qū)，如圖1所示［1-6］。

1 投產初期情況分析

1.1 指標情況

2013年Φ50m環(huán)形爐的天然氣噸鋼燃耗和熱效率指標見表1，熱效率為38.14%，低于行業(yè)40%的水平；天然氣噸鋼燃耗74.78 m3/t，遠高于行業(yè)值46.67 m3/t。

1.2 作業(yè)率情況

2014年Φ460 mm連軋管生產線有效作業(yè)率對比如圖2所示。從圖2看出，2014年天津某Φ460 mm連軋管生產線的有效作業(yè)率為87.79%，日歷作業(yè)率77.29%；包鋼鋼管公司Φ460 mm連軋管生產線的平均有效作業(yè)率61.7%（最高為69.72%），日歷作業(yè)率51.25%，分別比天津低26.09%和26.04%。而環(huán)形爐每時每刻都在消耗天然氣，因此制定合理的停軋降溫制度非常重要。

1.3 停軋原因分析

2014年12月包鋼鋼管公司Φ460 mm連軋管生產線停軋原因排列如圖3所示，熱軋后工序堵料是當時Φ460 mm連軋管生產線比較大的停軋影響因素。而堵料應該是可以提前預警的，2014年以前沒有完整的預警系統(tǒng)。

圖1 Φ50 m環(huán)形爐分區(qū)示意

表1 2013年Φ50 m環(huán)形爐的天然氣噸鋼燃耗和熱效率指標

圖2 2014年Φ460 mm連軋管生產線有效作業(yè)率對比

圖3 2014年12月Φ460 mm連軋管生產線停軋原因排列

預警待軋2 h以上天然氣量為400～2 000 m3/h，無預警待軋?zhí)烊粴饬繛? 000～3 000 m3/h。2014年之前大多是無預警待軋，每班累計待軋時間長，但待軋頻率高、單次待軋時間短，待軋降溫時，溫度降低的幅度就小，待軋大多是高溫待軋。很多情況下堵料停軋環(huán)形爐未空角度，仍然是滿爐料待軋，待軋降溫難，造成天然氣浪費。因此，建立科學的待軋降溫預警系統(tǒng)是重要的。

1.4 加熱制度

Φ50 m環(huán)形爐加熱制度過于寬泛，不同壁厚相同材質的鋼管，穿孔后和連軋前的溫度應不相同，但是初期的加熱制度僅分材質（20、Q345B、34Mn6、P91、1Cr5Mo低CrMo等幾大系列）制定，溫度和速度的制度范圍較大。以后應進一步根據(jù)不同壁厚以及坯料長度等情況細化加熱制度。

1.5 計劃排產狀況

排產計劃要求連續(xù)生產，根據(jù)市場要求進行柔性化生產，因此鋼種結構較復雜。每個計劃支數(shù)大部分在50支以下，高合金Cr-Mo鋼僅有十多支，穿插在低合金和普碳鋼中間。但高合金Cr-Mo鋼要求加熱制度為低溫慢速加熱、高溫快速加熱，軋制節(jié)奏較其他鋼慢10 s，每次軋制高合金Cr-Mo鋼種時加熱制度只能以高合金Cr-Mo鋼為主，入爐后需要放慢節(jié)奏，因此也較整爐高合金鋼或整爐低合金、普碳鋼浪費天然氣。

1.6 布料方式

Φ50 m加熱爐采用比較簡單的、單一的中位布料。關于布料角度，Φ350 mm坯料采用1.11°，Φ390 mm和Φ430 mm坯料采用1.667°。

2 改進措施

2.1 環(huán)形爐運行與維護

新安裝調試后的環(huán)形爐設備往往運行狀況最好，在環(huán)形爐運行一段時間后，必須進行有效維護以保持最優(yōu)化的設備性能，防止故障發(fā)生或運行效率低下。通常在平穩(wěn)并且連續(xù)負荷的狀態(tài)下，加熱爐能保持較高的效率運行；如果加熱爐運行在低負荷，或負荷波動、頻繁啟停、熱備用狀態(tài)時，加熱爐的運行效率會降低。應盡可能采用成熟的技術和自動控制系統(tǒng)來取代人工操作。日常的加熱爐運行和維護應著重關注以下幾個方面。

（1）污染物排放。能源的高效利用與低污染排放的目標一致，因為高效的運行能確保污染物排放水平最低。通過優(yōu)化燃燒效率可以使CO2的排放最小化，合理調整空燃比讓燃料充分燃燒，一般空燃比為 1.05∶1。

（2）計劃排產。每月將一個系列同鋼種的安排為連續(xù)生產，盡量將相近鋼種和所有高合金鋼種計劃排產排在一起軋制。

（3）定期維護爐底，實現(xiàn)爐底工作層壽命長。Φ50 m環(huán)形爐的爐底2012年投產，2017年換了首層，使用壽命為5年，遠遠超過了設計壽命3年以及同行業(yè)先進水平壽命4年。這個長壽命是維護爐底、變換布料方式和角度等的成果。

為了實現(xiàn)爐內裝爐支數(shù)最大化，爐底的平整度非常重要，爐底的平整度在熱態(tài)下只能靠人工扒渣實現(xiàn)。每三個月人工扒渣一次。

（4）每次檢修爐底首層澆注料時做好料位槽。Φ460 mm連軋管生產線的坯料規(guī)格為Φ350 mm、Φ390 mm、Φ430 mm三種，其中Φ350 mm用1.11°的角度布料，Φ390 mm和Φ430 mm用1.667°和1.11°兩種角度布料。如果沒有料位槽，坯料在爐內隨意滾動，不能精準布料，容易造成裝料的料位和出料的料位不能正好是360°對應，導致裝料和出料不一致，從而無法實現(xiàn)自動出料，每出一支料需要手動對正爐底角度，浪費時間，嚴重制約生產。因此重新檢修爐底首層，必須在首層做料位槽。

2.2 燃燒空氣預熱

環(huán)形加熱爐利用天然氣燃燒產生熱量加熱管坯過程中排出大量熱煙氣，含有大量可用余熱。為了保證這些余熱能充分利用，環(huán)形爐采用高效帶插入件管式換熱器預熱空氣。換熱器放置在環(huán)形爐的煙道內，用于回收環(huán)形爐中廢煙氣的熱量。吸收廢煙氣余熱的換熱器可以把常溫的空氣預熱，能更好地提高環(huán)形爐的熱效率。同時芯棒爐也采用換熱器預熱好的熱空氣作為熱源，實現(xiàn)能源充分利用，從而達到降本增效、節(jié)能減排的目的。

2.3 燃燒系統(tǒng)管理

Φ50 m環(huán)形爐采用自動控制的燃燒系統(tǒng)，其能夠更精確地調節(jié)和優(yōu)化燃燒空氣與燃料的配比，以及自動調節(jié)爐壓。

燃燒的工況和爐子效率與過量空氣系數(shù)直接關聯(lián)。在爐子運行時必須監(jiān)控爐子的燃燒工況，包括煙氣溫度、煙氣成分、火焰形狀和空氣燃料比的設定等，其中監(jiān)控爐子排煙的氧含量對優(yōu)化爐子的燃燒至關重要。因為煙氣中的氧含量可以直觀地顯示爐子燃燒效率。在爐子不產生不完全燃燒損失的情況下，應盡量減少煙氣中的氧含量。一般煙氣中氧含量每下降2%就可節(jié)約燃料1.2%。

利用黑匣子測溫技術，可以準確地測量出環(huán)形爐內產品的溫度分布。根據(jù)管坯在爐內的溫度變化規(guī)律，可分析影響加熱質量的主要因素，找出加熱過程中存在的問題，從而對加熱過程和加熱制度進行真實的評價，并進行改進，達到更好的優(yōu)化加熱制度的目的。Φ50 m環(huán)形爐黑匣子測量溫度曲線如圖4所示。主要從以下幾個方面進行了優(yōu)化：

圖4 Φ50 m環(huán)形爐黑匣子測量溫度曲線

（1）根據(jù)不同材質鋼坯的鐵-碳平衡相圖優(yōu)化加熱制度：①優(yōu)化了套管的加熱制度，采用低溫慢速加熱工藝，降低低溫加熱區(qū)溫度，并緩慢加熱，溫度降低利于防止過熱和節(jié)能，并提高了鋼管性能；②采用強化加熱來獲得超細化晶粒，提高高溫加熱區(qū)（四區(qū)）的溫度；Φ350 mm管坯拉長預熱區(qū)域，將一區(qū)燒嘴全部關閉，一區(qū)的天然氣不燃燒，利于節(jié)能，利于提高性能指標。

（2）降低均熱段溫度10～20℃，均熱段是奧氏體成分均勻化的關鍵階段，降低均熱二段的溫度，利于加熱長大的晶粒度進一步細化，提高產品性能合格率，同時減少天然氣量100～150 m3/h。

（3）軋制中厚壁鋼管時軋制力相對小，管坯容易出現(xiàn)碳化物分布不均的特點，鋼管的屈服強度、沖擊韌性指標偏低。根據(jù)壁厚的不同，重新優(yōu)化高溫區(qū)的加熱溫度，分別制定出薄、中、厚壁鋼管的加熱制度。

（4）將薄壁鋼管六區(qū)溫度提高到1 290℃，提高連軋后溫度10℃，提高成材率。

（5）根據(jù)不同坯料長度、不同壁厚，制定不同加熱速度、不同節(jié)奏的軋制節(jié)奏表。

（6）合理控制爐膛壓力。爐膛壓力是指單位體積的爐內熱煙氣與外界空氣之間的壓力差?？刂茽t膛壓力，是指控制爐底附近的爐氣壓力，應采取微正壓操作，爐膛壓力控制為0～10 Pa。穩(wěn)定的微正壓操作時，爐門或其他爐底縫隙處稍有火苗，但沒有冷空氣吸入爐內，能有效地減少爐膛的上下溫差，保證爐底溫度穩(wěn)定，有利于管坯均勻加熱。

2.4 增大有效換熱面積

改變不同坯型坯料的布料方式，能增加爐底有效換熱面積和布料支數(shù)，坯料受熱更加均勻，能更好地保證加熱質量，大大提高了爐子的熱效率。

（1）采取靈活的布料方式，增大鋼坯有效換熱面積。將中位布料的Φ350 mm和Φ390 mm坯料改善為交叉布料，Φ430 mm坯料改善為交叉布料和雙排布料。坯料布料方式如圖5所示。坯料中位布料時坯料有效長度就是一支坯料長度；雙排布料時，坯料有效長度是兩支坯料的2倍長度。根據(jù)有效換熱面積計算公式（坯料換熱面積=坯料有效長度×爐底中徑）可知，相比坯料中位布料，雙排布料的有效換熱面積增加了2倍。

圖5 坯料布料方式

（2）改變布料角度。Φ390 mm和Φ430 mm坯料采用1.11°布料，比原設計1.667°布料裝爐支數(shù)增加了101支；從Φ430 mm坯料采用1.667°雙排布料，比原設計1.667°中位布料裝爐支數(shù)增加了204支?？梢姡淖儾剂辖菙?shù)大大地增加了爐子的裝爐量，有效地降低了燃氣消耗，提高了熱效率。

2.5 優(yōu)化待軋降溫制度，建立待軋降溫預警機制

2.5.1 待軋降溫制度

停軋降溫制度是節(jié)能的關鍵，多次優(yōu)化后的待軋降溫制度見表2，優(yōu)化內容如下：①停軋15 min以上，必須從HMI（人機界面）系統(tǒng)上關閉一、二區(qū)燒嘴；②停軋超過30 min必須關閉現(xiàn)場一、二區(qū)燒嘴（僅操作HMI系統(tǒng)關閉仍然有一部分泄流量存在，因此必須關閉燒嘴手閥），并且三、四區(qū)要大幅降溫；③待停軋?zhí)釡貢r，先提高六區(qū)溫度，出10支坯料以后再提高其他區(qū)域溫度；④遇到停軋時各區(qū)域必須馬上同時降溫；⑤遇到換工具停軋，必須提前降低預熱區(qū)溫度，不允許停了之后降溫。

2.5.2 建立待軋預警系統(tǒng)

建立了停軋預警系統(tǒng)，要求職工在各工序正常生產中預先判斷事故發(fā)生的可能性，之后提前通知調度室和環(huán)形爐操作人員，停止裝料，并做好停軋降溫的預案。事故發(fā)生造成停軋時，環(huán)形爐操作人員要按照待軋降溫制度的要求做好降溫工作，同時把環(huán)形爐爐底回轉，并按照停軋的時間控制裝爐時間與節(jié)奏。

采用上述措施后，2015年一般非計劃性停軋最少可以提前10 min預知，不僅使各部門各區(qū)域之間信息互通，提高了爐子的運行效率，同時有效地節(jié)約了天然氣的使用量。

表2 多次優(yōu)化后的待軋降溫制度

2.6 建立燃氣實時查詢錄入系統(tǒng)

利用網絡建立方便操作的統(tǒng)計系統(tǒng)，以利于更好地控制天然氣的使用量，達到節(jié)能降耗目的。

2015年2月，包鋼鋼管公司在環(huán)形爐操作臺增加1臺可以連接集團公司OA網的電腦，以實時查看天然氣流量，關注燃氣消耗，由操作人員完成數(shù)據(jù)下載和統(tǒng)計工作。將本班的小時天然氣量及時輸入車間編制好的微機表格中，4個班在一張表中輸數(shù)據(jù)，利于各班及時掌握用量，及時調整加熱手法，同時互相學習交流經驗，以利于加熱技能水平的提高，從而提高加熱爐的運行效率和熱效率。

2.7 建立績效考核上墻制度

構建業(yè)績與噸鋼燃耗掛鉤的薪酬績效機制，并上公示欄。此措施的實施大大調動了員工的積極性和主動性，變“要我控制”為“我要控制”。

2.8 產線產量的不斷提升

2013—2018年Φ460 mm連軋管生產線的產量統(tǒng)計見表3。

表3 2013—2018年Φ460 mm連軋管生產線的產量統(tǒng)計

從表3統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，2013—2016年包鋼鋼管公司Φ460 mm生產線的產量逐年提升，2017年有所下降，月平均產量比2016年下降了160 t，2018年月平均產量比2017年提升了5 764 t。從2016年開始Φ460 mm連軋管生產線產量達到了設計產能6萬t的指標。Φ460 mm連軋管生產線的有效作業(yè)率逐年提升，從2013年的60.75%提升到2018年的72.48%，提升了11.73%。生產線產量和作業(yè)率的提升，利于降低天然氣噸鋼燃耗。

3 實際應用效果

2013—2018年Φ50 m環(huán)形加熱爐噸鋼燃耗和熱效率統(tǒng)計見表4。從表3～4統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，2013—2016年包鋼鋼管公司Φ460 mm連軋管生產線的產量逐年提升，2017年產量比2016年有所下降，但是2017年環(huán)形爐的天然氣噸鋼燃耗比2016年降低了0.35 m3/t。環(huán)形爐的天然氣噸鋼燃耗從2013年的74.78 m3/t逐年降低到2018年的46.42 m3/t，降低幅度為38%。2018年上半年環(huán)形爐天然氣噸鋼燃耗累計指標46.42 m3/t與同行一流水平46.67 m3/t比已經對標。Φ460 mm環(huán)形爐天然氣的單位成本從2013年的122.22元/t，降低到2018年1—6月累計的76.97元/t，降低了45.25元/t，降低幅度為37.02%；單位成本也是逐年下降。還可以看出，Φ50 m環(huán)形爐的熱效率指標逐年提升，2013年為38.14%，以后逐年提高，2018年1—6月為60.25%，比普通水平40%提高了20%，證明環(huán)形爐的改進措施得力，取得了較好的效果。

表4 2013—2018年Φ50 m環(huán)形加熱爐噸鋼燃耗和熱效率統(tǒng)計