劉增倫，辛士根，馬曉璇

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司邯寶冷軋廠，河北 邯鄲 056000）

W 形輻射管具有有效加熱面積大，燃料利用率高，控制和操作相對簡單等優(yōu)點(diǎn)。它需要較少的燃燒器，并且相應(yīng)的管設(shè)計(jì)簡單，因此，最常用于大型連續(xù)式帶鋼熱處理爐。由于裝機(jī)使用量大，加上使用和維護(hù)不當(dāng)造成各主要退火爐輻射管損耗量非常大。根據(jù)公開文獻(xiàn)資料，如：鞍鋼冷軋廠1 號和3 號連續(xù)熱鍍鋅在2003 年末開始試生產(chǎn)，4 號和5 號連續(xù)熱鍍鋅在2005 年初開始試生產(chǎn)，2130 連續(xù)退火機(jī)組在2006 年初開始試生產(chǎn)，幾條生產(chǎn)線的退火爐均采用W 型輻射管進(jìn)行加熱。其中的1 號和3 號鍍鋅線總計(jì)有54 根W 型輻射管，使用不到一年時(shí)間輻射管全部開裂；4 號和5 號鍍鋅線輻射管使用不到兩年，發(fā)現(xiàn)有23 根輻射管變形破裂；2130 連續(xù)退火機(jī)組使用不到三年，發(fā)現(xiàn)有1/3 輻射管損壞[2]。

邯寶連退線加熱系統(tǒng)由DREVER 公司設(shè)計(jì)，輻射管使用的是非對稱W 型輻射管，安裝數(shù)量為378 套，交錯(cuò)安裝在加熱區(qū)域兩側(cè)。輻射管直徑200mm，厚度8mm，總長度3411mm，第一根管、第一個(gè)彎頭和第二個(gè)管材質(zhì)25Cr 35Ni，其余25Cr 20Ni。燒嘴控制系統(tǒng)采用KROM SCHRODER 公司燒嘴控制單元，燒嘴采用Elster LBE 燒嘴系統(tǒng)，燃燒介質(zhì)為混合煤氣，熱值在1800（±100）Kcal/Nm3,每根輻射管功率約160Kw/h，采用鼓-抽式燃燒形式，助燃空氣經(jīng)同流換熱器預(yù)熱后進(jìn)入輻射管。2015 年邯寶連退線發(fā)現(xiàn)共計(jì)有19 根輻射管存在問題，占總數(shù)5%多，2010年投產(chǎn)至今通過大修已更換數(shù)十根輻射管，耗費(fèi)很大。

1 輻射管失效的影響

輻射管失效影響加熱爐加熱效率和爐內(nèi)氣氛，進(jìn)而影響加熱爐加熱能力和產(chǎn)品退火質(zhì)量。輻射管的失效模式主要包括變形和破裂，如圖1 和圖2 所示。輻射管的變形會影響熱輻射的均勻性，而不會提高帶鋼的均勻加熱和退火質(zhì)量。輻射管的破裂具有較大的破壞作用，主要影響爐壓的控制和爐露點(diǎn)的控制。在正常情況下，熱爐中的HNX 保護(hù)氣體將被排氣風(fēng)扇連續(xù)抽出并排出，從而導(dǎo)致烤箱壓力降低，為了維持熔爐中的正常壓力，系統(tǒng)會重新加壓，這會增加NH 保護(hù)氣的流量并消耗更多的能量。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在鼓式燃燒系統(tǒng)中，由于損壞煙囪和其他原因，在某些輻射管中會出現(xiàn)正壓。露點(diǎn)較高的煙氣和一些燃燒空氣進(jìn)入爐內(nèi)，導(dǎo)致爐內(nèi)出現(xiàn)露點(diǎn),爐中還原氣氛的增加和破壞是有害的。

圖1 開焊變形

圖2 破裂

2 W型輻射管的失效原因分析

有文獻(xiàn)研究認(rèn)為，輻射管失效的主要原因是在使用過程中燃燒氣氛和燃燒形式的不良造成輻射管內(nèi)存在以下化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致輻射管的機(jī)械性能降低。①滲碳反應(yīng)、使輻射管變脆，抗蠕變能力降低；②滲氮反應(yīng)，使輻射管變脆，抗熱能力降低；③氧化反應(yīng)，文獻(xiàn)[2]對輻射管（材質(zhì)MORE1）開裂處內(nèi)管壁沉積著的腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成份進(jìn)行了分析。可以相信，更多的腐蝕產(chǎn)物沉積在輻射管破裂區(qū)域的內(nèi)管壁表面上。分析了腐蝕產(chǎn)物的成分，主要是Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3等。上述測試結(jié)果表明，輻射管的內(nèi)表面主要由氧化腐蝕產(chǎn)物組成，而輻射管的內(nèi)表面則被氧化。氧化物層在輻射管的底部剝落，這無助于熱“輻射”，熱量積聚，并且輻射管在高溫的作用下腐蝕和破裂。

一般情況下，輻射管受到燃?xì)飧邷赜绊?，必然產(chǎn)生熱膨脹，由于四根直管的膨脹長度及受熱溫度不同，熱膨脹后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力與管間的連接桿相互作用，導(dǎo)致抗蠕變性最小處即輻射管薄弱（特別是直管與彎管）的焊口處和溫差較大處出現(xiàn)變形和破裂，輻射管常見的破裂處即在第一根直管和彎管焊口處。

3 輻射管主要性能及改善措施

輻射管的性能基于管的熱效率，管壁溫度均勻性和煙道氣中的NOx 排放量（主要估算值），此外同流換熱器的換熱效率、煙氣排放溫度以及二次氣體通入量等也是重要的指標(biāo)，各項(xiàng)性能指標(biāo)改善和優(yōu)化，國內(nèi)外有很多學(xué)者從各個(gè)方面進(jìn)行了研究和探索，其核心目的就是提高加熱效率和延長輻射管壽命。

輻射管材質(zhì)是影響輻射管壽命的主要因素，輻射管采用耐熱鋼主要基礎(chǔ)成份是鉻鎳合金，為了提高材質(zhì)的抗蠕變能力，通過優(yōu)化金屬成份及配比改善輻射管的性能來增加輻射管使用壽命，有研究表明，在制造時(shí)添加金屬元素W 可以提高輻射管的抗熱等級[3]。

管壁溫度分布均勻性是輻射管最重要的一個(gè)性能指標(biāo)，影響輻射管表面溫度沿長度方向的均勻性性能的主要因素是輻射管的設(shè)計(jì)構(gòu)造和附件參數(shù)選擇，文獻(xiàn)[6]研究了W 型輻射管表面溫度均勻性并繪制了曲線，通過觀測與分析，輻射管最高溫度一般在燃燒器火焰頭部，溫度均勻性的主要影響因素是燃燒速度和火焰長度，輻射管兩個(gè)重要附件燃燒器和換熱器的設(shè)計(jì)決定了混合煤氣的噴射速度、空氣噴射速度、二次氣卷吸量等參數(shù)，這些參數(shù)對燃燒速度和火焰長度影響較大。根據(jù)諸多文獻(xiàn)對輻射管管壁溫度分布的研究以及實(shí)際生產(chǎn)中輻射管開裂和變形的部位的對比，可以發(fā)現(xiàn)開裂部分多數(shù)在輻射管第一個(gè)彎頭部即火焰溫度最高處。

邯寶連退線輻射管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用的是非對稱W 型輻射管，材質(zhì)方面，輻射管第一根直管、第一個(gè)彎頭和第二個(gè)直管的材質(zhì)是25Cr 35Ni，其余的是25Cr 20Ni。根據(jù)學(xué)者對溫度沿長度方向的分布進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，輻射管最高溫度出現(xiàn)在第一個(gè)直管末端與第一根彎管接口處，由于輻射管受熱膨脹，高溫處機(jī)械強(qiáng)度下降，在內(nèi)應(yīng)力和拉桿與重力共同作用下產(chǎn)生蠕變，導(dǎo)致拉桿處焊口開裂造成輻射管變形，或者薄弱處開裂。

為了提高輻射管的整體性能，許多科學(xué)家將他們的研究方法從單個(gè)優(yōu)化的燃燒器設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換為優(yōu)化的新管設(shè)計(jì)，目的是允許更多的返回?zé)煔鈪⑴c燃燒和再循環(huán)，以改善燃燒狀況，目的是使管壁均勻熱流并減少有害物質(zhì)。改善輻射管表面溫度均勻性的主要措施是減小燃燒速度增大火焰長度，有實(shí)驗(yàn)表明通入燃燒后的煙氣即二次氣可以控制火焰長度，通過調(diào)節(jié)二次燃燒氣的通入量調(diào)節(jié)火焰長度降低燃燒速度，可以大大改善輻射管管壁溫度分布提高輻射管表面溫度的均勻性。

4 提高輻射管壽命的主要措施

4.1 根據(jù)燃燒質(zhì)量，優(yōu)化空燃比

在輻射管燃燒系統(tǒng)中，空燃比是影響熱效率的最重要因素，它決定燃料的燃燒程度，并對燃燒后煙道氣中的殘留一氧化碳和氧氣有直接影響。

邯寶連續(xù)回油管空燃比的設(shè)定以華白比氣為標(biāo)準(zhǔn)，所確定出的系數(shù)根據(jù)發(fā)熱量的變化以及轉(zhuǎn)換后的空氣量和燃燒量而變化，其中殘留氧氣設(shè)置對應(yīng)于負(fù)荷設(shè)置。獲得針對噴射器數(shù)量的校正因子的乘積，并且控制器調(diào)節(jié)風(fēng)扇流量以獲得期望的空燃比，亦即空燃比與煤氣熱值、負(fù)載和可燃燒嘴數(shù)量直接相關(guān)。

有研究表明，煙氣中過剩氧含量在3.8%～4.2%時(shí)，此時(shí)燃燒溫度最高且廢氣中殘留的CO 值少，燃燒的熱效率最高?？杖急炔患褧r(shí)，當(dāng)氧含量過剩較多時(shí)，空氣壓力流量大，風(fēng)速快，加大了燃?xì)獾幕旌蠌?qiáng)度，燃燒速度快，造成局部溫度高。若混合強(qiáng)度太大，則混合時(shí)間太短，火焰短，輻射管表面溫度的分布就會不均勻，并且多余的空氣帶走大量的熱量，加熱效率較低；當(dāng)過剩氧含量不足時(shí)，會造成CO 燃燒不充分燃燒效率低，多余的CO 在煙氣管道中燃燒，進(jìn)而導(dǎo)致廢氣溫度高，對換熱器的使用壽命造成不利影響，還會造成預(yù)熱空氣溫度高，增加了NOx 的產(chǎn)生。如果攪拌強(qiáng)度太低，則攪拌時(shí)間會很長，火焰會花費(fèi)太長時(shí)間。結(jié)果，煙道氣出口處的氣體不會燃燒掉，甚至從輻射管的出口處也有火焰，這降低了輻射管的熱效率。由于空燃比例不合適，不僅會造成欠燃燒或者過燃燒導(dǎo)致過量的空氣帶走部分熱量降低熱效率，而且由于燃燒氣氛的異常會加速輻射管內(nèi)各種氧化腐蝕等反應(yīng)。

4.2 加強(qiáng)狀態(tài)檢測，確保燃燒系統(tǒng)附件正常

燃燒系統(tǒng)的主要是由燃燒器、換熱器和輻射管三部分組成的，燃燒器和換熱器任何一個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障都會對輻射管的整體壽命產(chǎn)生影響，燃燒器主要由點(diǎn)火燒嘴和配風(fēng)盤組成，配風(fēng)盤作用是使空氣產(chǎn)生沿管壁方向的湍流，增大空氣和燃?xì)獾幕旌蠀^(qū)域，減小混合速度，延長火焰長度，配風(fēng)盤由于環(huán)形縫隙比較狹窄容易造成阻塞，對燃燒速度影響較大，應(yīng)及時(shí)檢查定期維護(hù)；換熱器主要是利用煙氣余熱對助燃空氣預(yù)熱來提高余熱回收，換熱器破損后對助燃空氣通入量、二次氣卷入量、輻射管內(nèi)負(fù)壓值均有影響，當(dāng)燃燒器或換熱器出現(xiàn)故障后，會破壞輻射管內(nèi)正常的燃燒狀態(tài)，影響輻射管使用壽命和降低加熱效率，當(dāng)輻射管處于正常生產(chǎn)模式時(shí)，輻射管的工作狀態(tài)可以從輻射管的空氣、氣壓、流量和煙氣成分中反映出來。

4.3 加強(qiáng)點(diǎn)檢維護(hù)，保證可燃燒嘴數(shù)量

由于空燃比的設(shè)定值是與著火燒嘴數(shù)量成正比例關(guān)系，因此，在一個(gè)區(qū)域中，可用燒嘴中，不能點(diǎn)燃的燒嘴對空燃比的影響比較大，燃燒系統(tǒng)中，燃燒器燒嘴的火焰由燒嘴點(diǎn)火控制器控制，由于火焰及安全閥原因經(jīng)常導(dǎo)致點(diǎn)火系統(tǒng)關(guān)閉，處于高溫冷卻狀態(tài)的輻射管空氣預(yù)熱后進(jìn)入輻射管形成氧化環(huán)境，不僅降低了加熱效率，對輻射管的壽命也是不利的。因此，加強(qiáng)點(diǎn)檢維護(hù)及時(shí)處理出現(xiàn)故障的點(diǎn)火系統(tǒng)，對提高輻射管壽命有一定的幫助。

4.4 保證排煙系統(tǒng)負(fù)壓正常

對于推拉式燃燒系統(tǒng)，輻射管內(nèi)的負(fù)壓對于延長火焰長度有一定的影響，對輻射管最高溫度有影響，當(dāng)輻射管熱負(fù)荷提高時(shí)，由于負(fù)荷增大，煤氣和助燃空氣量增大，或空氣預(yù)熱溫度高時(shí)，應(yīng)增加輻射管的排煙抽力，保證管壁溫度分布均勻，避免管子局部高溫，影響管子的使用壽命。

5 結(jié)語

通過分析輻射管性能指標(biāo)的影響因素，找到了影響輻射管壽命的主要因素，在實(shí)際生產(chǎn)中，按照以上解決措施及要求進(jìn)行管理和維護(hù)，有效地提高了輻射管使用壽命，對提高產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益有較大的幫助。