刘增伦，辛士根，马晓璇

（河钢集团邯钢公司邯宝冷轧厂，河北 邯郸 056000）

W 形辐射管具有有效加热面积大，燃料利用率高，控制和操作相对简单等优点。它需要较少的燃烧器，并且相应的管设计简单，因此，最常用于大型连续式带钢热处理炉。由于装机使用量大，加上使用和维护不当造成各主要退火炉辐射管损耗量非常大。根据公开文献资料，如：鞍钢冷轧厂1 号和3 号连续热镀锌在2003 年末开始试生产，4 号和5 号连续热镀锌在2005 年初开始试生产，2130 连续退火机组在2006 年初开始试生产，几条生产线的退火炉均采用W 型辐射管进行加热。其中的1 号和3 号镀锌线总计有54 根W 型辐射管，使用不到一年时间辐射管全部开裂；4 号和5 号镀锌线辐射管使用不到两年，发现有23 根辐射管变形破裂；2130 连续退火机组使用不到三年，发现有1/3 辐射管损坏[2]。

邯宝连退线加热系统由DREVER 公司设计，辐射管使用的是非对称W 型辐射管，安装数量为378 套，交错安装在加热区域两侧。辐射管直径200mm，厚度8mm，总长度3411mm，第一根管、第一个弯头和第二个管材质25Cr 35Ni，其余25Cr 20Ni。烧嘴控制系统采用KROM SCHRODER 公司烧嘴控制单元，烧嘴采用Elster LBE 烧嘴系统，燃烧介质为混合煤气，热值在1800（±100）Kcal/Nm3,每根辐射管功率约160Kw/h，采用鼓-抽式燃烧形式，助燃空气经同流换热器预热后进入辐射管。2015 年邯宝连退线发现共计有19 根辐射管存在问题，占总数5%多，2010年投产至今通过大修已更换数十根辐射管，耗费很大。

1 辐射管失效的影响

辐射管失效影响加热炉加热效率和炉内气氛，进而影响加热炉加热能力和产品退火质量。辐射管的失效模式主要包括变形和破裂，如图1 和图2 所示。辐射管的变形会影响热辐射的均匀性，而不会提高带钢的均匀加热和退火质量。辐射管的破裂具有较大的破坏作用，主要影响炉压的控制和炉露点的控制。在正常情况下，热炉中的HNX 保护气体将被排气风扇连续抽出并排出，从而导致烤箱压力降低，为了维持熔炉中的正常压力，系统会重新加压，这会增加NH 保护气的流量并消耗更多的能量。根据实际生产经验，在鼓式燃烧系统中，由于损坏烟囱和其他原因，在某些辐射管中会出现正压。露点较高的烟气和一些燃烧空气进入炉内，导致炉内出现露点,炉中还原气氛的增加和破坏是有害的。

图1 开焊变形

图2 破裂

2 W型辐射管的失效原因分析

有文献研究认为，辐射管失效的主要原因是在使用过程中燃烧气氛和燃烧形式的不良造成辐射管内存在以下化学反应，导致辐射管的机械性能降低。①渗碳反应、使辐射管变脆，抗蠕变能力降低；②渗氮反应，使辐射管变脆，抗热能力降低；③氧化反应，文献[2]对辐射管（材质MORE1）开裂处内管壁沉积着的腐蚀产物化学成份进行了分析。可以相信，更多的腐蚀产物沉积在辐射管破裂区域的内管壁表面上。分析了腐蚀产物的成分，主要是Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3等。上述测试结果表明，辐射管的内表面主要由氧化腐蚀产物组成，而辐射管的内表面则被氧化。氧化物层在辐射管的底部剥落，这无助于热“辐射”，热量积聚，并且辐射管在高温的作用下腐蚀和破裂。

一般情况下，辐射管受到燃气高温影响，必然产生热膨胀，由于四根直管的膨胀长度及受热温度不同，热膨胀后产生内应力，内应力与管间的连接杆相互作用，导致抗蠕变性最小处即辐射管薄弱（特别是直管与弯管）的焊口处和温差较大处出现变形和破裂，辐射管常见的破裂处即在第一根直管和弯管焊口处。

3 辐射管主要性能及改善措施

辐射管的性能基于管的热效率，管壁温度均匀性和烟道气中的NOx 排放量（主要估算值），此外同流换热器的换热效率、烟气排放温度以及二次气体通入量等也是重要的指标，各项性能指标改善和优化，国内外有很多学者从各个方面进行了研究和探索，其核心目的就是提高加热效率和延长辐射管寿命。

辐射管材质是影响辐射管寿命的主要因素，辐射管采用耐热钢主要基础成份是铬镍合金，为了提高材质的抗蠕变能力，通过优化金属成份及配比改善辐射管的性能来增加辐射管使用寿命，有研究表明，在制造时添加金属元素W 可以提高辐射管的抗热等级[3]。

管壁温度分布均匀性是辐射管最重要的一个性能指标，影响辐射管表面温度沿长度方向的均匀性性能的主要因素是辐射管的设计构造和附件参数选择，文献[6]研究了W 型辐射管表面温度均匀性并绘制了曲线，通过观测与分析，辐射管最高温度一般在燃烧器火焰头部，温度均匀性的主要影响因素是燃烧速度和火焰长度，辐射管两个重要附件燃烧器和换热器的设计决定了混合煤气的喷射速度、空气喷射速度、二次气卷吸量等参数，这些参数对燃烧速度和火焰长度影响较大。根据诸多文献对辐射管管壁温度分布的研究以及实际生产中辐射管开裂和变形的部位的对比，可以发现开裂部分多数在辐射管第一个弯头部即火焰温度最高处。

邯宝连退线辐射管结构设计上采用的是非对称W 型辐射管，材质方面，辐射管第一根直管、第一个弯头和第二个直管的材质是25Cr 35Ni，其余的是25Cr 20Ni。根据学者对温度沿长度方向的分布进行的实验研究，辐射管最高温度出现在第一个直管末端与第一根弯管接口处，由于辐射管受热膨胀，高温处机械强度下降，在内应力和拉杆与重力共同作用下产生蠕变，导致拉杆处焊口开裂造成辐射管变形，或者薄弱处开裂。

为了提高辐射管的整体性能，许多科学家将他们的研究方法从单个优化的燃烧器设计，转换为优化的新管设计，目的是允许更多的返回烟气参与燃烧和再循环，以改善燃烧状况，目的是使管壁均匀热流并减少有害物质。改善辐射管表面温度均匀性的主要措施是减小燃烧速度增大火焰长度，有实验表明通入燃烧后的烟气即二次气可以控制火焰长度，通过调节二次燃烧气的通入量调节火焰长度降低燃烧速度，可以大大改善辐射管管壁温度分布提高辐射管表面温度的均匀性。

4 提高辐射管寿命的主要措施

4.1 根据燃烧质量，优化空燃比

在辐射管燃烧系统中，空燃比是影响热效率的最重要因素，它决定燃料的燃烧程度，并对燃烧后烟道气中的残留一氧化碳和氧气有直接影响。

邯宝连续回油管空燃比的设定以华白比气为标准，所确定出的系数根据发热量的变化以及转换后的空气量和燃烧量而变化，其中残留氧气设置对应于负荷设置。获得针对喷射器数量的校正因子的乘积，并且控制器调节风扇流量以获得期望的空燃比，亦即空燃比与煤气热值、负载和可燃烧嘴数量直接相关。

有研究表明，烟气中过剩氧含量在3.8%～4.2%时，此时燃烧温度最高且废气中残留的CO 值少，燃烧的热效率最高。空燃比不佳时，当氧含量过剩较多时，空气压力流量大，风速快，加大了燃气的混合强度，燃烧速度快，造成局部温度高。若混合强度太大，则混合时间太短，火焰短，辐射管表面温度的分布就会不均匀，并且多余的空气带走大量的热量，加热效率较低；当过剩氧含量不足时，会造成CO 燃烧不充分燃烧效率低，多余的CO 在烟气管道中燃烧，进而导致废气温度高，对换热器的使用寿命造成不利影响，还会造成预热空气温度高，增加了NOx 的产生。如果搅拌强度太低，则搅拌时间会很长，火焰会花费太长时间。结果，烟道气出口处的气体不会燃烧掉，甚至从辐射管的出口处也有火焰，这降低了辐射管的热效率。由于空燃比例不合适，不仅会造成欠燃烧或者过燃烧导致过量的空气带走部分热量降低热效率，而且由于燃烧气氛的异常会加速辐射管内各种氧化腐蚀等反应。

4.2 加强状态检测，确保燃烧系统附件正常

燃烧系统的主要是由燃烧器、换热器和辐射管三部分组成的，燃烧器和换热器任何一个子系统出现故障都会对辐射管的整体寿命产生影响，燃烧器主要由点火烧嘴和配风盘组成，配风盘作用是使空气产生沿管壁方向的湍流，增大空气和燃气的混合区域，减小混合速度，延长火焰长度，配风盘由于环形缝隙比较狭窄容易造成阻塞，对燃烧速度影响较大，应及时检查定期维护；换热器主要是利用烟气余热对助燃空气预热来提高余热回收，换热器破损后对助燃空气通入量、二次气卷入量、辐射管内负压值均有影响，当燃烧器或换热器出现故障后，会破坏辐射管内正常的燃烧状态，影响辐射管使用寿命和降低加热效率，当辐射管处于正常生产模式时，辐射管的工作状态可以从辐射管的空气、气压、流量和烟气成分中反映出来。

4.3 加强点检维护，保证可燃烧嘴数量

由于空燃比的设定值是与着火烧嘴数量成正比例关系，因此，在一个区域中，可用烧嘴中，不能点燃的烧嘴对空燃比的影响比较大，燃烧系统中，燃烧器烧嘴的火焰由烧嘴点火控制器控制，由于火焰及安全阀原因经常导致点火系统关闭，处于高温冷却状态的辐射管空气预热后进入辐射管形成氧化环境，不仅降低了加热效率，对辐射管的寿命也是不利的。因此，加强点检维护及时处理出现故障的点火系统，对提高辐射管寿命有一定的帮助。

4.4 保证排烟系统负压正常

对于推拉式燃烧系统，辐射管内的负压对于延长火焰长度有一定的影响，对辐射管最高温度有影响，当辐射管热负荷提高时，由于负荷增大，煤气和助燃空气量增大，或空气预热温度高时，应增加辐射管的排烟抽力，保证管壁温度分布均匀，避免管子局部高温，影响管子的使用寿命。

5 结语

通过分析辐射管性能指标的影响因素，找到了影响辐射管寿命的主要因素，在实际生产中，按照以上解决措施及要求进行管理和维护，有效地提高了辐射管使用寿命，对提高产品的质量和经济效益有较大的帮助。