CN116323985A - 用于连续金属带材加工生产线的直接火焰预热段 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于连续金属带材加工生产线(B)的直接火焰预热段，该直接火焰预热段包括位于活性区(14)和恢复区(11)之间的连接区，该活性区设置有能够以“无火焰”模式操作的燃烧器，该恢复区用于通过与源自该活性区的燃烧烟气交换来预热该带材，该连接区具有室(18,19)，该室能够将烟气的流动取向成使得该烟气在离开该活性区和进入该恢复区时相对于该带材迎面流动，具体取决于该烟气的流动方向。

Description

用于连续金属带材加工生产线的直接火焰预热段

相关技术领域

本发明涉及用于金属带材的连续水平或垂直退火或镀锌生产线，并且更具体地涉及这些生产线的垂直直接火焰预热段，有时称为“NOF段”(NOF是“非氧化炉”的缩写)或“DFF段”(DFF是“直接燃烧炉”的缩写)。

本发明的目的是确保预热段能够在带材宽度上以良好的温度和表面状况均匀性对带材进行有效的预热。本发明的目的还在于避免或控制燃烧试剂与带材表面之间的相互作用，同时限制大气排放。

本发明要解决的技术问题

直接火焰预热段通常布置在热浸镀锌生产线或退火生产线的炉的入口。

参见附图中的图1的示意图，该图可部分地和示意性地示出根据现有技术的镀锌生产线，更具体地说是立式炉。从该生产线的入口开始，根据带材的移动方向，可以找到直接火焰预热段1、辐射管加热段2、辐射管保持段3、缓冷段4、速冷段5、老化段6、炉出口段7和涂覆段8。

直接火焰预热段具有以下主要特征：

·将带材从环境温度加热到期望的温度，例如对于钢而言，从500℃

变化到750℃，具体取决于其等级。

·消除由冷轧过程引入的油和在冷轧期间或之后形成的存在于带材上的氧化物细粉。

·通过消除存在于表面上的氧化物来制备用于涂覆过程的带材表面。

直接火焰预热段包括两个区：活性区和恢复区，在活性区安装有燃烧器，该燃烧器使得能够将带材加热到由热循环限定的温度，在恢复区将带材预热至低于250℃的温度以防止其氧化，并且这通过消耗来自活性区的烟气中所含的热量来实现。

参见附图中的图2的示意图，可以看到图1的预热段的放大图。在带材的移动方向上，包括入口10，该入口将环境空气与存在于炉内的气氛之间的气氛分开。

接下来是垂直恢复区11，在该恢复区中由燃烧烟气对带材进行预热。在这种情况下，与在整个预热段中同样地，烟气在与带材相反的方向循环。在恢复区的入口附近，在大气分离口10附近，出口12使得能够借助于排风机(未示出)将烟气引导到预热段外部的附加能量恢复区(也未示出)。烟气以大致在700℃和900℃之间的温度离开预热段。

附加能量恢复区使得可以通过进一步降低烟气的温度来进一步消耗烟气。它可以包括热交换器，该热交换器使得可以将热能从烟气传递到另一种流体，例如用于供应预热段的燃烧器的空气，并且因此限制燃料消耗。

直接火焰预热段可以是水平的或垂直的，具体取决于带材是水平循环还是垂直循环。在垂直生产线上，预热段总是垂直的。在水平生产线上，预热段通常是水平的，但是它也可以是垂直的，尤其是为了限制生产线的长度。

在水平预热段中，活性区和恢复区在不改变带材方向的情况下彼此跟随。因此，来自活性区的烟气流向恢复区，同时保持烟气在带材宽度上的良好分布。

在垂直预热段中，如图2所示，活性区和恢复区通常位于带材的两个不同分支上，一个分支对于恢复区而言上升，另一个分支对于活性区而言下降。在每个区的顶部布置有用于使带材方向改变90度的导向辊31、32。在这两个导向辊之间，带材沿同一顺时针方向水平地循环。在活性区的出口，炉的温度非常高，例如1350℃。为了防止导向辊暴露于该温度水平，它们被放置在温度较低的分离区30中。烟气在至少一个连接通道13中从活性区传递到恢复区，而不经过该分离区30，在该分离区中，导向辊借助于在其入口和出口处安装在带材的上升分支和下降分支上的凹槽33、34来放置。

烟气在现有连接通道构造中的流动导致烟气在带材宽度上的不均匀分布。这导致带材宽度上的温度不均匀性以及在带材表面上存在不同浓度的化学物质。这导致在预热段的出口处在带材宽度上不同的表面状况。

活性区的直焰燃烧器必须以带材宽度上的良好温度均匀性来预热带材。这些燃烧器必须具有低能耗并且排放很少的污染废物，尤其是氮氧化物(NOx)。

这些燃烧器还必须能够在还原模式下操作，即，通过供应不足的氧化剂，以便尽可能多地减少在带材附近存在的氧气并且因此防止其氧化。尽管可以接受的是，靠近带材处存在几百ppm的低氧气水平是可容许的，然而必须设法做到带材附近为零氧气。

随着高机械强度钢的出现，合金元素诸如Mn、Si和Al的含量增加。这些不含氧的元素容易被氧化。尽管在预热段和位于下游的段(诸如辐射加热段和保持管段)中存在总体还原性的气氛，但在正常操作条件下，在这些段中不可避免地会形成这些合金元素的氧化物。在镀锌生产线中，如果这些氧化物在浸入锌浴之前存在于带材的表面上，则它们会导致涂层缺陷。为了解决该问题，已知在预热段中进行这些合金元素的选择性氧化或预氧化，以避免它们在带材表面上的扩散。所形成的氧化物然后在辐射管段中被还原。这需要在预热段的出口处存在微氧化条件，以及对燃烧器的空气/气体比的精细控制。还需要在带材宽度上具有均匀的温度(+/-10℃)，使得氧化物层的性质和厚度在带材宽度上恒定。

此外，为了控制投资和维护成本，必须减少燃烧器及其控制和调节构件的数量。

现有的解决方案不允许组合所有这些要求。本发明使得可能克服这些问题。

技术背景

在根据现有技术的直接火焰垂直预热段中，烟气在根据三种构造的至少一个连接通道中从活性区传递到恢复区。

在图2和图3所示的第一构造中，连接通道13为纵向，也就是说，该连接通道通过在带材B的运行方向上延伸的水平段连接活性区14和恢复区11。图3对应于沿着图2的截面CC的俯视图。在这种构造中，带材在通道处的两个垂直分支构成烟气流动的障碍，导致一部分烟气必须绕过该障碍。在某些地方会形成烟气旋涡(涡流)，尤其是恢复段在烟气流动方向上的入口处。这导致烟气在带材宽度上的不均匀分布，从而导致在带材宽度上的温度和表面状况的差异。

在图4所示的第二构造中，在类似于图3的剖视图中，侧向连接通道13a、13b布置在预热段的每一侧上。活性区14侧的烟气入口和恢复区11侧的烟气出口在带材B的两侧上侧向地形成。这导致在带材宽度上的不对称性，其中，烟气在带材边缘上的分布大于在带材中心的分布。

在图5所示的第三构造中，在类似于图3和图4的剖视图中，在活性段14的出口处烟气的吸入在带材的每一面上对称地进行，但是在恢复段11的入口处烟气的再注入仅在带材的一侧上侧向地进行。这导致烟气在带材宽度上的不对称分布。

配备垂直直接火焰预热段的燃烧器根据其相对于带材的位置分为两大类，即所谓的前部燃烧器和所谓的侧部燃烧器。

所谓的前部燃烧器面向带材放置。有两种不同类型的前部燃烧器：鼻部混合前部燃烧器和预混前部燃烧器。前部燃烧器产生短的扁平螺旋火焰，以避免冲击和氧化带材。这种技术是最普遍的，特别是因为它能够通过调节燃烧器之间的加热分布来调节带材宽度上的温度分布。然而，这种技术在投资和维护方面比较昂贵，因为它需要大量燃烧器才能覆盖带材的整个宽度(数量在三个燃烧器和九个燃烧器之间，具体取决于带材宽度和燃烧器的单位功率)并且需要复杂的调节系统来调节每个燃烧器的功率和空气/气体比。这些燃烧器在其涉及鼻部混合前部燃烧器时利用热空气(通常预热到550℃的空气)操作，或在其涉及预混前部燃烧器时利用冷空气或略微预热的空气(温度低于300℃)操作。通常，在前部燃烧器的情况下，预热段的至少一个区配备有预混燃烧器，与热空气燃烧器相比，预混燃烧器会导致过量的燃料消耗。

所谓的侧部燃烧器放置在带材的侧面上。它们在炉的宽度上产生平行于带材的火焰。该技术更简单而且更经济，因为每排至需要一个燃烧器就能在一个面上覆盖带材的整个宽度。此外，对于一组燃烧器，调节空气/气体比的模式是分段进行的。这些燃烧器用热空气(通常为500℃)操作，因此节省了燃料。然而，根据现有技术的这些燃烧器具有相当高的NOx排放水平，通常在3％氧气下为250mg/Nm3，与此形成对比的是前部燃烧器的120mg/Nm3。另外，在预热段的宽度上火焰的温度不均匀性受到该过程的影响，必须通过不同于燃烧器本身的装置来校正。因此，在适度的生产和温度条件下，带材宽度上的温差在预热段的出口处(600℃)可以在+/-20℃之间变化，在约720℃的出口温度下可以在+/-50℃之间变化。

为了尝试克服该问题，存在将这两类燃烧器组合的混合型预热段。在最后一个区中，侧部燃烧器被冷空气预混前部燃烧器代替。该解决方案使得可以纠正预热段出口处的温度不均匀性问题，但是上述其他缺点仍然存在。

此外，根据现有技术的这些前部燃烧器或侧部燃烧器采用常规设计。气体和空气之间的燃烧在燃烧通道中开始，并且根据在带材宽度上或多或少难以控制的热和化学分布在炉中发展。申请人不了解在连续生产线的预热段中以无火焰模式操作的燃烧器。已经广泛研究了由扩散燃烧产生的无火焰燃烧模式的特征，并且相当清楚地确定了限制。然而，在受限的环境中，这种燃烧模式难以应用，因为它需要燃烧室容积匹配获得扩散燃烧所需的大量再循环烟气。

参见附图中的图10的示意图，可以示意性地看到根据现有技术的以火焰模式操作的侧部燃烧器的火焰的正面形状。该火焰在带材B和燃烧室的耐火壁63之间形成。该火焰具有圆形部分64，其占据带材和炉壁之间的容积的仅一部分。这种火焰形状的优点是限制了在带材表面存在氧气的风险，并且防止耐火材料过热，因为火焰不与炉壁接触。然而，这种类型的火焰具有上述在温度均匀性和NOx排放方面的缺点。在无火焰燃烧的情况下，燃烧更均匀，但体积会延长。图11类似于图10，但一个侧部燃烧器根据现有技术以无火焰模式操作。火焰的截面仍然基本上为圆形，但是它占据带材和炉壁之间的可用容积。这种构造在NOx排放方面有利，但是会导致在带材附近大概率存在氧气，因此存在不受控制的氧化风险，并且在火焰的另一侧，存在较高壁温，不利于对耐火材料的维护。

发明内容

根据本发明的第一方面，提出了一种用于连续金属带材加工生产线的直接火焰预热段，该直接火焰预热段包括连接区，该连接区旨在用于使来自配备有燃烧器的活性区的燃烧烟气朝向恢复区循环，该恢复区用于通过与所述烟气交换来预热带材，该燃烧器能够以“无火焰”模式操作。所述连接区包括出口室和入口室，出口室能够将烟气的流动取向成使得烟气在离开活性区时相对于带材迎面流动，入口室能够将烟气的流动取向成使得烟气在进入恢复区时相对于带材迎面流动，具体取决于烟气的流动方向。

出口室在烟气的流动方向上布置在活性区的出口处，并且布置用于抽出烟气，入口室布置在恢复区的入口处并且布置用于喷射烟气，连接区还包括各自布置成使烟气的流动在入口开口和出口开口之间转向90度的两个转向室，和设置成布置用于使烟气循环的两个连接通道，第一转向室与出口室直接连通，并且第二转向室与入口室直接连通，第一连接通道将第一室的出口开口与入口室的入口开口直接连接，并且第二连接通道将出口室的出口开口与第二室的入口开口直接连接。

这两个回路基本上对称，以便获得烟气在带材的两个面上的平衡分布，从而有助于良好的温度均匀性。

出口室的两个出口被布置成相对于带材在活性区中的循环相反而且迎面，并且入口室的两个入口被布置成相对于带材在恢复区中的循环相反而且迎面。

这种布置促进烟气的流动在连接区中带材的宽度上以及在活性区和反应区的长度上的分布。与在平行于由带材宽度限定的方向的方向上侧向地进行烟气的喷射和/或抽出的解决方案相比，这导致在带材宽度上更好的温度均匀性和表面状况。

此外，在烟气的流动进行90度转向的室中不存在带材有助于烟气在带材宽度上的均匀分布。

带材所在的连接区的室的水平平面上的宽度和长度尺寸与这些室延伸的活性区和恢复区的宽度和长度尺寸相同。因此，室的延伸恢复区的区段小于室的延伸活性区的区段。旨在用于将烟气的流动定向的室、它们的开口以及室之间的连接管道的尺寸被确定为使得烟气在垂直于带材的一个面的方向上流入带材所在的室中，并且使得烟气在带材的宽度上均匀分布。

连接区的使烟气的流动在其中进行90度转向的室位于带材的上升分支和下降分支之间。这些室在预热段的高度上位于与带材所在的室相同的高度处，并且它们在带材在生产线中的移动方向与它们纵向对齐。在根据现有技术的直接火焰预热段的活性区和恢复区之间通常可用的水平空间对于烟气的流动在其中进行90度转向的两个室的定位是足够的。然而，如果需要，该空间可以稍微增大，以获得烟气的良好分布，以及烟气在垂直于由带材宽度限定的方向的宽度上的流动。

根据本发明的第二方面，燃烧器为侧向直接火焰型，所述燃烧器能够以无火焰模式操作，例如当在燃烧器附近的活性区的内部温度大于850℃时。

这种类型的燃烧在紫外线范围内具有非常低辐射。肉眼几乎看不见该火焰，因此表述为无火焰模式。该火焰的界限没有很好地定义，因为燃烧产物非常均匀并且与炉的烟气混合。

在无火焰模式中，燃烧在若干团烟气中高度稀释。可通过使烟气在燃烧室内局部地再循环，或者通过占用别处(例如直接到烟道)的一部分烟气以及通过将它们再注入到燃烧器中来实现该操作模式。然而，后一种可能性实施起来更复杂。为了在燃烧室内局部地获得足够的再循环以便以无火焰模式操作而不需要外部再循环，必须将空气和气体高速喷射到燃烧室中。燃烧器的几何结构和燃烧室的几何结构产生燃烧产物到燃烧器的再循环，从而在反应之前用燃烧产物稀释氧化剂和燃料。

在正常操作中，即在炉的温度升高阶段和温度降低阶段之外，在生产线停止和重新启动期间，活性区的内部温度高于850℃。因此，燃烧器主要以无火焰模式操作。

根据本发明，将以无火焰模式操作的燃烧器与预热段的活性区和恢复区之间的连接区进行组合使得可以在从预热段的入口到其出口的带材宽度上获得良好的温度和表面状况均匀性。这种组合对于在预热段的出口处在带材宽度上获得这种良好均匀性是必要的，因为在活性区的入口处由根据现有技术的连接区产生的存在于带材上的显著不均匀性不能在活性区中得到校正。实际上，侧部燃烧器的无火焰模式的容积燃烧不能调节在带材宽度上输送到带材的功率。

因此，在预热段的出口处，在带材宽度上的温差被限制为约+/-10℃，这使得在选择性氧化的情况下，可以在带材宽度上获得机械性能和均匀的氧化物层。

与火焰燃烧模式相比，以无火焰模式操作可以限制燃烧产物所达到的温度。因此，在空气系数为0.95的操作中，根据本发明的燃烧器以无火焰模式操作使得可以将火焰中的热点降低至约1450℃，即，仅比耐火材料的温度高100℃。为了进行比较，对于相同的操作条件，根据现有技术的前部燃烧器具有超过1700℃的火焰温度。

由于NOx的形成与火焰温度直接相关，因此当以无火焰模式操作时，根据本发明的燃烧器具有比根据现有技术的燃烧器显著更低的NOx排放速率。此外，对火焰内化学物质的分析显示出与常规燃烧相比更好的均匀性。低局部氧气含量也有助于降低NOx水平。

从850℃的温度切换到无火焰模式确保室容积中的良好燃烧，该温度水平使得燃料能够自点火。在该温度以下，燃烧器以具有微氧化燃烧设定的火焰模式操作。

根据本发明的燃烧器能够利用预热到600℃的燃烧空气操作，而对NOx排放没有显著影响。能量回收器现在具有使得可以达到接近600℃的预热空气温度的效率。然而，常规燃烧器上NOx的产生非常依赖于具有指数演变曲线的空气温度水平。因此这些燃烧器上的空气温度受到限制。NOx的这种作为空气温度的函数的演变在扩散燃烧中明显更平坦而且更线性，这使得可以使空气温度达到600℃。这一更高的空气温度限制了燃料消耗，并且促进了烟气的再循环和燃烧室中物质的均匀性。

燃烧空气的预热可以在热交换器中进行，离开预热段的烟气在该热交换器中循环。尽管在恢复区中烟气通过与带材交换而冷却，但是它们的温度水平仍然足以预热燃烧空气。

燃烧器在垂直平面和水平平面的交点处具有轴向方向，并且包括扩散器，该扩散器由用于以无火焰模式操作的燃料喷射管道和氧化剂喷射管道穿过。所述氧化剂喷射管道比所述用于以无火焰模式操作的燃料喷射管道更靠近燃烧器轴线从扩散器露出。燃烧器具有在垂直平面上从扩散器露出并且发散的氧化剂喷射管道，以及在水平平面上从扩散器露出并且朝向燃烧器轴线会聚的其他氧化剂喷射管道。

燃料喷射管道和氧化剂喷射管道被布置成使得燃料和氧化剂在由带材的一个面和炉的侧壁和前壁限定的燃烧室的容积中获得期望的分布，以便获得无火焰燃烧。所产生的容积燃烧使得可以获得燃烧产物的良好分布，并且因此在带材宽度上获得良好的温度均匀性。

为此，燃烧器以其垂直平面平行于带材布置的方式定位在预热段中。

在喷射管道的出口，氧化剂在垂直方向上扩散而在水平方向上收缩。燃料射流具有比氧化剂射流更小的推进力。燃料被与之反应的氧化剂吸入，构成保护带材不被氧化的空气流的包线。以相同的方式，氧化剂射流的推进抽吸烟气以使它们再循环。

因此，尽管带材紧邻燃烧器，但燃烧器的轴线通常位于距带材约400mm处，因此避免了带材附近氧气的存在及带材的氧化。

对于在预热段中使用无火焰侧部燃烧器而言，带材附近氧气的这一标准至关重要，因为无火焰燃烧器通常需要更大的燃烧室容积才能达到烟气的最大再循环。如果室的限制不允许这样做，则燃烧扩散，并且存在于火焰内的残余氧气会污染带材。

因此，对于在预热段中应用，不足以如在常规火焰燃烧器中那样使火焰中的氧气水平均匀化。还必须不增加反应区的尺寸。换句话说，火焰的宽度不能增加。然而，无火焰燃烧通常比常规燃烧范围更广。

无火焰燃烧方式基于必须存在围绕炉外壳中的反应物射流的高强度再循环区。因此，燃料射流和空气射流必须具有足够的推进力才能够驱动并与吸入的烟气混合。根据本发明使用的氧化剂射流和燃料射流的推进保证了射流周围六团烟气的总再循环率，这对于无火焰燃烧是足够的。这意味着，平均而言，氧化剂射流或燃料射流在六团烟气中被稀释。

此外，无火焰燃烧器没有燃烧通道。然而，后者有助于在常规燃烧器上引发非常早的反应。在预热段中应用无火焰燃烧器的不利后果将是使面向燃烧器定位的壁遭受冲击，这将加速其劣化。因此，还需要考虑火焰的长度。

根据本发明的燃烧器的燃料喷射管道和氧化剂喷射管道的布置解决了这些限制。

每个氧化剂喷射管道可布置在垂直平面和水平平面上。在垂直平面上露出的管道可以是发散的，并且在水平平面上露出的管道可以朝向燃烧器的轴线会聚。

燃烧器的在垂直平面上从扩散器露出的氧化剂喷射管道以2度和12度之间并且优选地为7度的角度发散。

燃烧器的在水平平面上从扩散器露出的氧化剂喷射管道以1度和5度之间并且优选地为3度的角度会聚。

燃烧器的用于以无火焰模式操作的燃料喷射管道朝向燃烧器轴线会聚。

它们以5度和15度之间并且优选地为11度的角度会聚。

燃料管道和氧化剂管道的这些角度与喷射速度和射流的推进相结合，特别适合于直接火焰预热段的常见尺寸。空气射流的推进和喷射角是主要的，燃料射流的推进则不那么重要。

参见附图中的图12可以看出，根据本发明的燃料喷射管道和氧化剂喷射管道的布置使得可以获得截面为X形的火焰。因此，火焰在垂直方向上延伸并且在水平方向上收缩。

无火焰燃烧器在冷却时不稳定。实际上，在这些燃烧器上，火焰被分离并以扩散方式在炉中蔓延。冷却时，如果没有达到自点火温度，则这造成问题，因为在火焰脱离的情况下，燃烧器保护预热段的整个区。然后该区必须被净化以便能够重新启动。因此，适当的是具有在冷却条件下非常稳定的加热模式以便使炉升温。

为了应对这种限制，燃烧器包括用于火焰模式操作的第二燃料喷射管道，该第二燃料喷射管道在燃烧器的轴向方向上延伸并且从扩散器露出到燃烧器轴线中。

燃烧器还具有环形管道，该环形管道用于围绕用于火焰模式操作的燃料喷射管道供应燃烧空气。该空气有助于火焰的附着。

根据本发明的燃烧器特别适于利用天然气和钢铁工业气体(特别是焦炉煤气(COG))操作。

根据本发明的燃烧器使得对于3％氧气、温度为1350℃的炉、空气的默认燃烧设定和预热到600℃的燃烧空气可以获得小于100mg/Nm³的NOx水平。带材附近的残余氧气在带材的整个宽度上为约20ppm。

靠近带材的残余氧气含量很低并且在带材宽度上均匀。它根据空气/气体比略微变化，对于0.90的空气/气体系数为约20ppm，对于0.95的空气/气体系数为约25ppm。

在带材行进方向上布置在活性区的入口处的燃烧器在化学计量气氛中操作，而其他燃烧器(即大多数燃烧器)在没有空气的情况下操作。这些燃烧器在化学计量气氛中的操作使得可以产生烟气，该烟气使存在于带材表面的烃燃烧/裂化。其他燃烧器在没有空气的情况下的操作使得可以获得还原性烟气，该烟气使存在于带材表面上的铁氧化物还原。

预热段的燃烧器因此分布在至少两个调节区中。通过改变不同调节区中的空气/气体比，沿着活性区控制预热段中的气氛。

市场上出现的某些扁平轧材，特别是第三代钢，需要对带材表面进行选择性预氧化。为了获得这种预氧化，在几个步骤中进行预热，其中一个步骤在极微氧化区中进行。在后者中，燃烧必须围绕目标空气/气体系数(通常在1.01通常在和1.05之间)精细调整。根据本发明的新燃烧器设计与这种用途相容。带材附近氧气的分布非常均匀，波动为+/-0.1％。因此可以在带材的整个宽度上产生相同的选择性氧化，尤其是带材的温度均匀性也得到改善。由此，通过简单地管理该区中的过量空气来控制钢上氧化物层的厚度。该特征的优点是有益的，因为它避免了专用于带材的选择性氧化的复杂室。

根据本发明的第二方面，提出了一种包括如上所述的直接火焰预热段的连续金属带材加工生产线。

附图说明

通过阅读以下详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，为了便于理解，将参考附图，其中：

图1是根据现有技术的具有直接火焰预热段的镀锌生产线的示意性概览，

图2是图1的预热段的放大图，

图3是根据图2的预热段的示意性俯视图和剖视图，

图4是根据现有技术的第二示例的预热段的示意性俯视图和剖视图，

图5是根据现有技术的第三示例的预热段的示意性俯视图和剖视图。

图6是类似于图2的示意图，但用于根据本发明的一个实施方案的直接火焰预热段，

图7是类似于图3至图5的预热段的那些的示意性俯视图和剖视图，但用于根据图6的预热段，

图8是根据本发明的一个实施方案的燃烧器的扩散器的示意性前视图，

图9是根据图8的扩散器的一半的示意性剖视图和三维视图，

图10是示出根据现有技术的在火焰模式下操作的燃烧器的火焰的正面形状的示意性侧视图，该火焰用于垂直预热段，

图11是示出根据现有技术的以无火焰模式操作的燃烧器的火焰的正面形状的示意图，该火焰同样用于垂直预热段，

图12是示出根据本发明的以无火焰模式操作的燃烧器的火焰的正面形状的示意图，该火焰同样用于垂直预热段。

具体实施方式

下面描述的实施方案决不是限制性的，所以特别地可以考虑本发明的变型仅包括所描述的特征的选择，随后与所描述的其他特征分离，如果这种特征的选择足以赋予技术优点或者将本发明与现有技术区分开的话。该选择包括至少一个(优选的功能)特征，该特征没有结构细节，或仅具有结构细节的一部分(如果只有该部分就足以赋予技术优点或足以将本发明与现有技术区分开)。

在说明书的其余部分，具有相同结构或类似功能的元件将由相同的附图标记表示。

参见附图中的图6的示意图，可以看到根据本发明的直接火焰预热段的示意图。连接区13确保恢复区11和配备有侧部燃烧器15的活性区14之间的流体连接。

连接区13的性质类似于活性区和恢复区的性质，因为它包括金属外壳和由耐火材料制成的内衬。

连接区13包括两个室18、19，带材在这两个室中循环，室18在烟气的流动方向上位于恢复区11的入口处，用于上升分支，室19位于活性区的出口处，用于下降分支。

连接区13还包括两个另外的室20、21，这两个另外的室旨在通过使烟气进行90度转向来将烟气的流动面向带材定向，室20位于上升分支侧上并且室21位于下降分支侧上。它们被布置在连接区的中心部分，在带材的上升分支和下降分支之间。

由于由烟气排风机进行抽吸，烟气的流动被排出到布置在活性区14侧上的室19、21中，并且进入布置在恢复区11侧上的室18、20中。

如图7所示，带材在其中循环的室18、19中的每一个分别包括两个开口22、23与24、25，这两个开口彼此相对地定位，面向带材，烟气通过这两个开口进入或离开。在旨在将烟气的流动定向的室20、21中的每一个中，开口23或25中的一个(与带材在其中循环的室18、19连接的那个)被布置成面向带材，并且第二开口26或27被布置成在所述室的侧面上成90度。

连接区13包括两个连接管道28、29，这两个连接管道将烟气从活性区14引导到恢复区11。第一管道28连接室18和21，第二管道29连接室19和20。这些管道包括金属外壳和由耐火材料制成的内衬。

在连接区13的上部，它连接到室30，在该室中放置有两个导向辊31、32，用于带材的路径。两个狭窄区域33、34限制室30中烟气的循环，使得该室保持适于导向辊的中等温度。

活性区14包括布置在其侧面上的多个根据本发明的燃烧器15。该区的平均温度为约1350℃。燃烧器在炉的每一侧上交错排列并且在带材的每一侧上交错排列。因此，燃烧器两个两个地布置在连续的水平平面上，但是燃烧器的位置在两个水平平面之间不同。在第一水平平面中，一个燃烧器布置在炉的一个侧面上和带材的一侧上，并且第二燃烧器布置在相对的侧面上和带材的另一侧上。在与第一水平面相邻的第二水平面中，情况相反。

燃烧器的轴线与带材之间的水平距离为例如400mm。布置在活性区的同一面和带材的同一侧上的两个燃烧器之间的垂直距离为例如750mm。

燃烧器的标称功率为例如500kW并且通常在400kW和800kW之间。该功率可以在预热段的长度上不同。然而，所有燃烧器常常具有相同的标称功率，并且它们以比例模式操作以调节活性区长度上的热输入。

燃烧器的尺寸考虑了影响生产线的生产能力(每小时待再加热的带钢的吨数)、无火焰燃烧模式的使用、根据带材宽度和活性区的横截面尺寸在炉中期望的火焰的发展，以及考虑燃烧器的使用条件的不同方面。

如图8和图9所示，对于本发明的该实施方案，氧化剂通过四个管道51、52。对于500kW的燃烧器功率和预热到600℃的空气，这些管道可以具有21mm的直径。它们通过孔在小的微型通道53中露出，这些孔的轴线与燃烧器的中心轴线分离100mm。管道51、52的长度必须是其直径的至少三倍，以便在管道的出口处正确地建立空气射流。热空气速度通常为50米/秒-300米/秒，典型地为200米/秒。垂直射流的7°发散取向使得可以使火焰扩散。水平射流的3°会聚取向使得可以使火焰收缩。发散越大，NOx水平恶化的风险越大。但是通过增加会聚，存在干扰气流并因此具有不稳定火焰的风险。因此保持最佳操作的范围非常窄，对于发散的垂直射流为+/-5度，对于会聚的水平射流为+/-2度。

通气孔成对地分组。它们必须沿着两条轴线(垂直轴线和水平轴线)在直径上相对。孔对不必相同。如果垂直而且发散的通气孔具有较大的直径，则将获得更大的火焰扩散。为了在会聚的和发散的氧化剂管道的出口处保持相同的速度，水平而且会聚的通气孔的直径与垂直而且发散的孔的直径的增大成比例地减小。

空气射流的出口相对于扩散器平面缩进约60mm。微型通道53使得可以引发空气与烟气的混合并且局部地降低部分氧气水平。其直径为150mm，或者是空气管道51、52的出口所在处直径的1.5倍。该通道的另一个用途是当炉冷却时改善火焰的稳定性。

燃料通过两个管道54喷射。气体射流在直径上相对并且被放置在扩散器60外侧上的上部和下部中的250mm直径上。两个管道54以11°角朝向燃烧器的轴线会聚。该特征允许气体在被空气射流抽吸之前与烟气混合。通过水平地布置管道54将获得类似的原理，因为气体被空气流抽吸。空气/气体汇合点距扩散器约30cm。

气体喷射管道54在其端部具有用于射流速度设定的凹槽，直径为15mm。对于天然气，出口处的气体速度为50米/秒。该速度通常在20米/秒和100米/秒之间。气体出口孔以同一对的两个空气出口孔之间的距离(水平或垂直)的二至四倍分开。考虑喷射器的倾斜角(该角可高达15°)，由于炉外的空间要求，气体射流不应离得太远。

气体喷射管道54通到小腔中，使得能够保护这些管道免受火焰和炉的辐射，气体速度由管道端部的凹槽产生。

为了确保冷焰稳定性，在炉的温度上升阶段期间，向扎有三排径向孔的常规轴向气体管55而不是两个周边管道54供应燃料。作为变型，向轴向气体管55供应空气/气体预混物。由轴向气体管喷射的燃料的流量小于总燃料流量的10％。目的是获得与空气尽可能接近的混合物。在空气喷射时扩散器的通道53允许燃烧稳定。然而，无火焰操作的优点将消失。因此，这种操作模式仅当炉具有低于850℃的温度并且采用微氧化燃烧设置时使用。

围绕用于冷操作的气体的轴向管55，环形燃烧空气通道56有助于燃烧器的正确点火和冷火焰稳定性。类似于周边管道51、52，向该环形通道供应空气。该环形通道中的燃烧空气流量为总燃烧空气流量的约20％。为燃烧器的两种操作模式(火焰模式和无火焰模式)保持这种状态。

扩散器可由用于这类应用的普通耐火材料制成，其性质与根据现有技术的阻燃燃烧器的性质相同。

当然，本发明不限于刚才已经描述的示例，并且可在不脱离本发明的范围的情况下对这些示例做出许多修改。此外，本发明的不同特征、形式、变型和实施方案可以各种组合彼此相关联，只要它们不彼此排斥或不兼容。

Claims (12)

1.一种用于连续金属带材加工生产线(B)的直接火焰预热段(1)，所述直接火焰预热段包括连接区(13)，所述连接区设置用于将来自配备有燃烧器(15)的活性区(14)的燃烧烟气循环到恢复区(11)，所述恢复区用于通过与所述烟气交换来预热所述带材，所述直接火焰预热段的特征在于，所述燃烧器能够以“无火焰”模式操作，并且所述连接区包括出口室(19)和入口室(18)，所述出口室能够将所述烟气的流动取向成使得所述烟气在所述活性区的所述出口处相对于所述带材迎面流动，所述入口室能够将所述烟气的所述流动取向成使得所述烟气在所述恢复区的所述入口处相对于所述带材迎面流动，具体取决于所述烟气的流动方向。

2.根据权利要求1所述的预热段(1)，其中所述出口室(19)在所述烟气的所述流动方向上布置在所述活性区(14)的所述出口处，并且布置用于抽出烟气，所述入口室(18)布置在所述恢复区(11)的所述入口处并且布置用于喷射烟气，所述连接区(13)还包括各自布置成使所述烟气的所述流动在入口开口(26,25)和出口开口(23,27)之间转向90度的两个转向室(20,21)，以及布置用于使所述烟气循环的两个连接通道(28,29)，第一转向室(21)与所述出口室(19)直接连通，并且第二转向室(20)与所述入口室(18)直接连通，第一连接通道(28)将所述第一室(21)的所述出口开口(27)与所述入口室(18)的入口开口(22)直接连接，并且第二连接通道(29)将所述出口室(19)的出口开口(24)与所述第二室(20)的所述入口开口(26)直接连接。

3.根据权利要求2所述的预热段(1)，其中所述出口室(19)的所述两个出口开口(24,25)被布置成相对于所述带材在所述活性区(14)中的循环相反而且迎面，并且所述入口室(18)的所述两个入口开口(22,23)被布置成相对于所述带材在所述恢复区(11)中的循环相反而且迎面。

4.根据前述权利要求中的一项所述的预热段(1)，所述燃烧器(15)是侧部直接火焰型，其特征在于所述燃烧器能够以无火焰模式操作。

5.根据前述权利要求中的一项所述的预热段(1)，所述燃烧器(15)在垂直平面(V)和水平平面(H)的交点处具有轴向方向(A)，并且包括扩散器(60)，所述扩散器由用于以无火焰模式操作的燃料喷射管道(54)和氧化剂喷射管道(51,52)穿过，所述氧化剂喷射管道(51,52)比所述用于以无火焰模式操作的燃料喷射管道(54)更靠近燃烧器轴线从所述扩散器露出，其特征在于，所述燃烧器具有在所述垂直平面上从所述扩散器露出并且发散的氧化剂喷射管道(52)，以及在所述水平平面上从所述扩散器露出并且朝向所述燃烧器轴线会聚的氧化剂喷射管道(51)。

6.根据前述权利要求所述的预热段(1)，其中所述垂直平面(V)平行于所述带材。

7.根据权利要求5或6中的一项所述的预热段(1)，其中所述燃烧器(15)的在所述垂直平面(V)上从所述扩散器(60)露出的所述氧化剂喷射管道(52)以2度和12度之间并且优选地为7度的角度发散。

8.根据权利要求5或6中的一项所述的预热段(1)，其中所述燃烧器(15)的在所述水平平面(H)上从所述扩散器(60)露出的所述氧化剂喷射管道(51)以1度和5度之间并且优选地为3度的角度会聚。

9.根据权利要求5或6中的一项所述的预热段(1)，其中所述燃烧器(15)的用于以无火焰模式操作的所述燃料喷射管道(54)朝向所述燃烧器轴线会聚。

10.根据权利要求5或6中的一项所述的预热段(1)，其中用于以无火焰模式操作的所述燃料喷射管道(54)朝向所述燃烧器轴线以在5度和15度之间并且优选地为11度的角度会聚。

11.根据权利要求5或6中的一项所述的预热段(1)，其中所述燃烧器(15)具有用于在火焰模式下操作的燃料喷射管道(55)，所述燃料喷射管道在所述燃烧器的所述轴向方向上延伸并且在所述燃烧器轴线上从所述扩散器(60)露出。

12.一种连续金属带材加工生产线，所述连续金属带材加工生产线包括根据前述权利要求中的一项所述的直接火焰预热段。

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