環(huán)形加熱爐的設(shè)計(jì)及耐材施工整體方案

　　環(huán)形加熱爐是一種技術(shù)成熟的連續(xù)式加熱爐型，廣泛用于軋管生產(chǎn)線(xiàn)，也常用于其他金屬制品如異形件的加熱和熱處理，如馬鋼集團(tuán)車(chē)輪輪轂生產(chǎn)線(xiàn)的環(huán)形加熱爐、武漢鋼鐵(集團(tuán))公司鋼卷高溫退火環(huán)形加熱爐等。本文將重點(diǎn)介紹用于鋼管坯料高溫加熱的環(huán)形加熱爐設(shè)計(jì)。

　　（攀成鋼Φ177mm連軋管機(jī)組環(huán)形加熱爐）

　　1基本設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

　　環(huán)形加熱爐的基本設(shè)計(jì)計(jì)算是根據(jù)軋鋼工藝提供的產(chǎn)品大綱、軋機(jī)最大產(chǎn)量和最快軋制節(jié)奏確定環(huán)形加熱爐的平均直徑、裝出料爐門(mén)夾角、坯料布料角、爐底寬度等。

　　以一項(xiàng)鋼管生產(chǎn)線(xiàn)的環(huán)形加熱爐工程為例，其生產(chǎn)線(xiàn)工藝參數(shù)要求如下：

　　管坯直徑190，215，270mm

　　管坯長(zhǎng)度1500～4000mm

　　加熱能力最大80t/h，平均60t/h

　　出料頻率最大130根/h

　　入爐溫度室溫

　　最高出爐溫度1250～1280℃

　　管坯溫度均勻性要求±10℃

　　根據(jù)產(chǎn)品大綱和上述參數(shù)要求，計(jì)算環(huán)形加熱爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

　　平均直徑24m

　　爐底寬度4300mm

　　爐膛內(nèi)寬4700mm

　　裝出料爐門(mén)夾角14°

　　布料方式單排、雙排

　　布料角2°(可變)

　　2布料角的選取

　　環(huán)形加熱爐的設(shè)計(jì)是從布料設(shè)計(jì)開(kāi)始的，布料角的選取實(shí)際就是設(shè)計(jì)環(huán)形加熱爐布料圖，布料圖要根據(jù)坯料規(guī)格、裝出料機(jī)夾鉗操作空間、爐內(nèi)管坯的加熱質(zhì)量和軋制生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)量要求設(shè)計(jì)，通常有2種布料情況。

　　(1)爐底沒(méi)有布料槽或支架。在這種情況下，環(huán)形加熱爐的布料角通常要求滿(mǎn)足：

　　(360°-β)=(N-1)α(1)式中N——滿(mǎn)足工藝要求的爐內(nèi)料位數(shù)。

　　爐底沒(méi)有布料槽時(shí)，裝出料爐門(mén)夾角β不需要被布料角α整除，不會(huì)影響加熱爐的裝出料。

　　(2)爐底有布料槽或支架。這種情況要求裝出料的位置被鎖定，如車(chē)輪輪轂生產(chǎn)線(xiàn)上的環(huán)形加熱爐，爐底360°均有輪轂支架，選取的布料角除了要滿(mǎn)足式(1)外，還要求裝出料爐門(mén)夾角β能被布料角α整除，這樣才能完成爐底的一次完整回轉(zhuǎn)和裝出料過(guò)程。

　　以平均直徑24m環(huán)形加熱爐為例，該爐爐底沒(méi)有設(shè)計(jì)布料槽，選取布料角時(shí)主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行考慮：①各參數(shù)關(guān)系滿(mǎn)足式(1);②滿(mǎn)足工藝要求環(huán)形加熱爐達(dá)到的最大產(chǎn)量和出料頻率;③裝出料機(jī)夾鉗需要足夠的操作空間;④考慮雙排布料要求。

　　設(shè)計(jì)方案取裝出料爐門(mén)夾角14°，布料角2°，此時(shí)全爐布料174根。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品大綱中各種規(guī)格管坯進(jìn)行計(jì)算，采用該布料方案能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)對(duì)環(huán)形加熱爐的產(chǎn)量和出料頻率的要求，同時(shí)也符合裝出料機(jī)夾鉗夾料的操作空間要求，確定方案可行。

　　實(shí)際在環(huán)形加熱爐的調(diào)試和生產(chǎn)中，因環(huán)形加熱爐回轉(zhuǎn)爐底設(shè)備安裝有計(jì)數(shù)器，爐底轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)定位實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確裝出料的過(guò)程就是通過(guò)對(duì)爐底布料區(qū)域進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，一個(gè)料位對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)=總的脈沖數(shù)/(料位數(shù)-1)，用該值控制回轉(zhuǎn)爐底自動(dòng)在裝出料位置準(zhǔn)確停位，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝出料過(guò)程。所以更準(zhǔn)確地說(shuō)，環(huán)形加熱爐的布料角其實(shí)是一組脈沖數(shù)字，不必拘泥于角度的整除與否。當(dāng)環(huán)形加熱爐采用雙排布料生產(chǎn)或需要提高加熱管坯量時(shí)，完全可以通過(guò)修改程序改變布料數(shù)，來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。

　　3爐底砌筑結(jié)構(gòu)

　　對(duì)于管加工車(chē)間的環(huán)形加熱爐，爐底負(fù)荷大，爐底耐火材料溫度變化大。如果加熱制度、溫度制度或空燃比控制不好，管坯在高溫的氧化氣氛中會(huì)產(chǎn)生大量的氧化鐵皮，爐底工作環(huán)境會(huì)極其惡劣。

　　環(huán)形加熱爐爐底砌筑厚度一般為500～630mm，根據(jù)爐溫和坯料規(guī)格的不同而有所不同。目前關(guān)于爐底砌筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，各設(shè)計(jì)單位和用戶(hù)技改情況也有所不同。本設(shè)計(jì)采用非對(duì)稱(chēng)爐底砌筑結(jié)構(gòu)如圖2所示，爐底表層特意選用耐高溫、熱穩(wěn)定性好的抗渣性耐火材料;靠近爐底鋼板的絕熱層選用耐壓強(qiáng)度高、絕熱性好的優(yōu)質(zhì)纖維板。使用情況證明，在烘爐和生產(chǎn)過(guò)程中，爐底鋼板溫度不到100℃，用戶(hù)單位維護(hù)人員對(duì)爐坑操作環(huán)境很滿(mǎn)意。

　　值得一提的是，該環(huán)形加熱爐使用8個(gè)月后，內(nèi)環(huán)局部的爐底表層澆注料出現(xiàn)了開(kāi)裂拱起現(xiàn)象。用戶(hù)單位技術(shù)人員經(jīng)過(guò)對(duì)其他生產(chǎn)廠(chǎng)的幾座環(huán)形加熱爐考察后發(fā)現(xiàn)，使用一段時(shí)間后，在內(nèi)環(huán)或外環(huán)爐底表層澆注料開(kāi)裂拱起的現(xiàn)象普遍存在。分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象與爐底的膨脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理有關(guān)，期待有新的爐底設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，解決爐底耐火材料開(kāi)裂拱起問(wèn)題，提高爐底耐火材料的使用壽命。

　　4爐底與爐膛中心差值的選取

　　環(huán)形加熱爐升溫時(shí)，上層框架與耐火材料一起徑向膨脹。通常認(rèn)為耐火材料砌筑時(shí)已預(yù)留了膨脹縫，此時(shí)爐底的膨脹量大小可以用上層框架受熱后的膨脹量來(lái)計(jì)算，膨脹值是環(huán)形加熱爐爐底與爐膛中心差值的設(shè)計(jì)依據(jù)。設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮爐底安裝誤差、爐底的橢圓度和理論值與實(shí)際值之間存在誤差等情況，對(duì)膨脹量的選取要略有富余。平均直徑24m環(huán)形加熱爐爐底鋼板溫度200℃和100℃時(shí)爐底與爐膛中心差值的選取計(jì)算見(jiàn)表1。

　　理想情況是環(huán)形加熱爐在高溫生產(chǎn)時(shí)，爐底中心與爐膛中心重合，這時(shí)內(nèi)、外環(huán)縫大小趨于相同。現(xiàn)場(chǎng)烘爐時(shí)，施工服務(wù)人員需不斷地觀察和記錄爐底中心位置的變化，當(dāng)達(dá)到最高爐溫時(shí)，測(cè)出爐底的實(shí)際膨脹量，并調(diào)整下層框架卡塊位置，將上層框架的最大膨脹位置鎖定，以保證內(nèi)、外環(huán)縫在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)被確定下來(lái)。

　　5烘爐

　　環(huán)形加熱爐烘爐時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)爐底，使?fàn)t底耐火材料和爐盤(pán)框架被均勻加熱。合理的烘爐設(shè)計(jì)方案對(duì)環(huán)形加熱爐砌筑結(jié)構(gòu)的烘烤效果和使用壽命至關(guān)重要。

　　如果烘爐時(shí)用天然氣作燃料，烘爐管比較細(xì)而且短，常規(guī)的烘爐方法是將幾段烘爐管架在內(nèi)、外環(huán)爐墻的凸臺(tái)上，烘爐時(shí)就不會(huì)影響爐底轉(zhuǎn)動(dòng)。需要指出的是，有些設(shè)計(jì)將烘爐管布置在側(cè)墻燒嘴開(kāi)孔上，筆者認(rèn)為這種做法不可取。因?yàn)楦邷貢r(shí)燒嘴的高溫火焰會(huì)直接沖刷爐頂，而此時(shí)的爐底溫度卻偏低，爐墻、爐頂、爐底耐火材料溫度很不均勻。

　　如果烘爐燃料是低熱值燃料，那么需要布置的烘爐管管徑大且管路長(zhǎng)，采取高架烘爐管的方法就不再適用。這時(shí)有些生產(chǎn)廠(chǎng)推薦使用烘爐器烘爐。實(shí)踐表明，烘爐器集中在2～3個(gè)入口向爐內(nèi)供入高溫?zé)煔猓菀壮霈F(xiàn)局部耐火材料高溫開(kāi)裂現(xiàn)象，烘爐效果并不十分理想。

　　本設(shè)計(jì)中環(huán)形加熱爐的烘爐燃料是5862kJ/m3的高焦混合煤氣。對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比之后確定，按以下方案烘爐：將烘爐管沿爐膛一周架在爐底上，開(kāi)始烘爐時(shí)爐底不轉(zhuǎn)動(dòng);待爐溫升到400℃保溫一段時(shí)間后點(diǎn)燃燒嘴，待燒嘴燃燒穩(wěn)定后，關(guān)閉烘爐管線(xiàn)，開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)爐底。現(xiàn)場(chǎng)的烘爐過(guò)程非常順利，既沒(méi)有出現(xiàn)耐火材料剝落、爆裂現(xiàn)象，也沒(méi)有出現(xiàn)爐底卡阻情況。實(shí)踐證明，該方法經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，烘爐效果很好，用戶(hù)非常滿(mǎn)意。

　　6結(jié)語(yǔ)

　　(1)環(huán)形加熱爐的布料角其實(shí)是一組脈沖數(shù)字，可以通過(guò)修改程序改變布料數(shù)來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。

　　(2)環(huán)形加熱爐使用一段時(shí)間后，普遍存在爐底表層澆注料開(kāi)裂拱起的現(xiàn)象，這與爐底膨脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理有關(guān)。

　　(3)采用的新的烘爐方案經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。經(jīng)實(shí)踐證明，烘爐效果良好。