镀锌线退火炉辐射管开裂原因浅析

镀锌线退火炉辐射管开裂原因浅析

牛佳彬

河钢集团唐钢高强汽车板公司 河北唐山

摘 要：文中简单介绍了连续退火炉辐射管的工作原理和分类，对我厂镀锌机组连续退火炉辐射管开裂原因进行了分析，通过引进新型的烧嘴和对辐射管进行逐步改造，这一问题得以解决，同时提高了工艺质量，为锌铝美镀层产品生产打下了良好基础。

关键词：退火炉；辐射管；开裂；原因

1 连续退火炉辐射管的工作原理

在冷轧连续退火炉中，辐射管是给炉内带钢加热的关键部件，辐射管工作状态的好坏直接关系到带钢的退火质量。其工作原理是：燃气（多为煤气）和助燃气体（空气）在燃烧室内充分混合燃烧，所产生的热量致辐射管壁处于高温状态，辐射管外壁再以热辐射的形式将热量传递至炉内气分和带钢，以实现对带钢加热且不被氧化的目的。辐射管内燃烧所产生的废气通过循环进入热交换器或排烟管道排出。由于退火炉内气分主要由氮气和氢气组成，燃烧室内气体与带钢分离，因此在高温环境下带钢表面不会被氧化，且氢气对带钢表面具有一定还原作用。

2辐射管的分类

随着连续退火技术的不断升级，国内常见的辐射管类型有I型、P型、U型及W型。目前以W型辐射管最为常见，图1所示，同比具有以下优点：

⑴W型辐射管结构简单，制造成本不高；

⑵热辐射面积远高于其他类型辐射管，单管热功率和热效率高，能有效降低能源消耗；

⑶在辐射管壁上温度分布相对均匀，低温区域和高温区域温差较小；

⑷虽然助燃气体进入辐射管至燃烧室的距离较短，但能够快速预热，并能达到较高温度。

3辐射管开裂形式分析

辐射管出现微小裂纹后，会在裂纹周边形成局部高温区，在断口处氧化速度加剧，再加上反复热胀冷缩的作用，裂纹会快速形成裂口。经对出现问题的辐射管进行检查和统计发现，开裂形式主要有两种：烧嘴端直管段裂纹和尾部吊耳根部裂纹，断口氧化严重，颜色为灰黑色。图1所示。

图1 辐射管开裂部位表面特征

3.1烧嘴端直管段裂纹

为提高机组退火炉内气分纯度及退火工艺质量，利用全线大修对辐射管进行了全面检查。逐一拆下辐射管，通过观察其外形和结构，未发现辐射管本体出现明显结构变形，发现烧嘴端直管段开裂的辐射管共计9套，裂纹均为烧嘴端。可以初步判断裂纹和烧嘴存在直接关系，并且还存在以下规律：

⑴烧嘴端直管段裂纹部位均为管子下端；

⑵裂纹均出现在距离直管端100mm～150mm范围内，经分析，该部位为管内火焰燃烧温度最高的部位。

⑶直管端可见规则的三角形色差，裂纹通常均在三角形区域内，如图2。

图2 三角形色差及裂纹分布

通过对烧嘴结构进行分析，烧嘴的末端设计有一个圆盘，圆盘四周均匀分布有4个支脚，支脚与辐射管管壁接触并形成4个弧形的空气通道（图3）。当烧嘴点燃后会在支脚位置形成局部高温集中，从而促使该区域开裂。

图3 烧嘴末端结构

对此，我们曾尝试着对烧嘴结构进行改造，如改变支脚外形尺寸，减小支脚与管壁接触面积，改善支脚处的空气流通性。但经过实践验证，这些措施只能延缓辐射管开裂速度，不能根本性的解决问题。

之后我们引进了新型烧嘴，该烧嘴采用了先进的二次燃烧技术，能够避免空气和燃气直接混合，少量空气和燃气在燃烧室内混合后通过点火电极点燃，然后空气与燃气充分混合后由一次火焰点燃进行二次燃烧。与老式烧嘴相比，新型烧嘴的火焰长度更长，火焰温度更加均匀，避免了辐射管管壁因温度过高而产生应力集中，从而有效解决了辐射管直管段开裂现象。

对新烧嘴辐射管热模拟情况分析，辐射管的高温区位于第一弯头附近，烧嘴火焰延长且辐射管高温区后移，辐射管受热面积增大，受热更加均匀，减小了烧嘴工作时辐射管的热震荡。

3.2辐射管吊耳根部开裂

针对第二种开裂形式，即辐射管尾部吊耳处根部开裂。当辐射管工作时，直管受热会产生热膨胀，辐射管的原设计是将中间两根的支点置于最下方直管上，这种设计的缺陷一是将两根管子的重量施加于下方管上对下方直管造成压迫，二是由于接触面过大，当中间管子受热伸长时阻力较大，造成中间管滑动困难。

因此，可从以下两点着手：首先，将支点改在辐射管前端法兰上，在法兰上安装一个平面支座，更方便中间管受热滑动。从使用情况来看尾部吊耳处根部出现开裂的机率较以上有了较大的下降。其次，对辐射管弯头的结构形式进行改造，在下弯头处增加支点，在三个弯头处分别增加支点。由于改造前的辐射管下弯头位置没有支点，安装时始终处于悬挂状态，采用这种安装形式，不但不利于辐射管下方管道因受热膨胀，而且还会在下管的弯头与直管段连接区域产生应力集中，从而在该部位容易产生裂纹。

4结语

辐射管是连续退火炉中的关键部件，辐射管开裂现象多年来一直是镀锌产品质量影响的关键因素之一。为此，我们通过引进新型的烧嘴和对辐射管进行逐步改造，这一问题得以解决。在机组试生产锌铝镁产品前期的准备工作中，曾做了大量工作以提高炉内气分质量。对辐射管的检查过程中发现，辐射管的运行状态良好，充分满足产线升级后的工艺需求。

参考文献：

[1]丁翠娇,宋中华,杨超等.W型辐射管烧嘴温度均匀性试验[J].工业加热,2013,42(5):1-3.

[2]白世宏,李芳,柳庆坡等.W型辐射管损坏原因分析及维护要点[J].工业炉,2010,32(2):48-50.

[3]蔡晓君,王建军.管式加热炉的节能改造[J].化工设备与管道,2002,39(2):19-20.

[4]冯立义，周建平，张骞.CSP加热炉炉辊辊环的研制[J].包钢科技,2004,30(2):70-72

[5]郭沫飞.W型热辐射管设计与数值模拟[D].秦皇岛：燕山大学，2016.