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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， 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)車輪輪轂生產(chǎn)線的環(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。 本文將重點介紹用于鋼管坯料高溫加熱的環(huán)形加熱爐設(shè)計。

(攀成鋼Φ177mm連軋管機(jī)組環(huán)形加熱爐)

1、基本設(shè)計參數(shù)的確定

環(huán)形加熱爐的基本設(shè)計計算是根據(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、 裝出料爐門夾角、 坯料布料角、 爐底寬度等。

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

管坯直徑 190，215，270 mm

管坯長度 1500～4 000 mm

加熱能力 最大 80 t/h， 平均 60 t/h

出料頻率 最大 130 根/h

入爐溫度 室溫

最高出爐溫度 1 250～1 280 ℃

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， 計算環(huán)形加熱

爐的主要設(shè)計參數(shù)如下：

平均直徑 24 m

爐底寬度 4300 mm

爐膛內(nèi)寬 4700 mm

裝出料爐門夾角 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)計是從布料設(shè)計開始的 ， 布料角的選取實際就是設(shè)計環(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)線產(chǎn)量要求設(shè)計，通常有 2 種布料情況。 環(huán)形加熱爐布料如圖 1 所示。

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

(360°-β)=(N-1)α (1)

式中 N —— 滿足工藝要求的爐內(nèi)料位數(shù)。

爐底沒有布料槽時， 裝出料爐門夾角 β 不需要被布料角 α 整除， 不會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， 如車輪輪轂生產(chǎn)線上的環(huán)形加熱爐，爐底 360°均有輪轂支架， 選取的布料角除了要滿足式(1)外，還要求裝出料爐門夾角 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)和裝出料過程。

以平均直徑 24 m 環(huán)形加熱爐為例， 該爐爐底沒有設(shè)計布料槽， 選取布料角時主要從以下 4 個方面進(jìn)行考慮： ①各參數(shù)關(guān)系滿足式(1); ②滿足工藝要求環(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)計方案取裝出料爐門夾角 14°， 布料角 2°，此時全爐布料 174 根。 通過對產(chǎn)品大綱中各種規(guī)格管坯進(jìn)行計算， 采用該布料方案能夠滿足生產(chǎn)線對環(huán)形加熱爐的產(chǎn)量和出料頻率的要求， 同時也符合裝出料機(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)備安裝有計數(shù)器， 爐底轉(zhuǎn)動自動定位實現(xiàn)準(zhǔn)確裝出料的過程就是通過對爐底布料區(qū)域進(jìn)行脈沖計數(shù)， 一個料位對應(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)爐底自動在裝出料位置準(zhǔn)確停位， 從而實現(xiàn)自動裝出料過程。 所以更準(zhǔn)確地說， 環(huán)形加熱爐的布料角其實是一組脈沖數(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，完全可以通過修改程序改變布料數(shù)， 來滿足實際生產(chǎn)需要。

3、爐底砌筑結(jié)構(gòu)

對于管加工車間的環(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產(chǎn)生大量的氧化鐵皮，爐底工作環(huán)境會極其惡劣。

環(huán)形加熱爐爐底砌筑厚度一般為 500～630 mm，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， 各設(shè)計單位和用戶技改情況也有所不同。 本設(shè)計采用非對稱爐底砌筑結(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)過程中， 爐底鋼板溫度不到 100 ℃，用戶單位維護(hù)人員對爐坑操作環(huán)境很滿意。

值得一提的是， 該環(huán)形加熱爐使用 8 個月后，內(nèi)環(huán)局部的爐底表層澆注料出現(xiàn)了開裂拱起現(xiàn)象。用戶單位技術(shù)人員經(jīng)過對其他生產(chǎn)廠的幾座環(huán)形加熱爐考察后發(fā)現(xiàn)，使用一段時間后， 在內(nèi)環(huán)或外環(huán)爐底表層澆注料開裂拱起的現(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)計不合理有關(guān)，期待有新的爐底設(shè)計結(jié)構(gòu)， 解決爐底耐火材料開裂拱起問題，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)形加熱爐爐底結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 環(huán)形加熱爐爐底結(jié)構(gòu)示意圖

1-爐底耐火材料;2-內(nèi)環(huán)環(huán)縫;3-上層框架;4-下層框架

5-爐底中心線;6-爐膛中心線;7-外環(huán)環(huán)縫

A-爐底與爐膛中心差值

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

理想情況是環(huán)形加熱爐在高溫生產(chǎn)時， 爐底中心與爐膛中心重合， 這時內(nèi)、 外環(huán)縫大小趨于相同。 現(xiàn)場烘爐時， 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， 測出爐底的實際膨脹量， 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)縫在實際生產(chǎn)時被確定下來。

5、烘 爐

環(huán)形加熱爐烘爐時需要轉(zhuǎn)動爐底， 使?fàn)t底耐火材料和爐盤框架被均勻加熱。 合理的烘爐設(shè)計方案對環(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)爐墻的凸臺上， 烘爐時就不會影響爐底轉(zhuǎn)動。 需要指出的是，有些設(shè)計將烘爐管布置在側(cè)墻燒嘴開孔上， 筆者認(rèn)為這種做法不可取。 因為高溫時燒嘴的高溫火焰會直接沖刷爐頂， 而此時的爐底溫度卻偏低， 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， 采取高架烘爐管的方法就不再適用。 這時有些生產(chǎn)廠推薦使用烘爐器烘爐。實踐表明， 烘爐器集中在 2～3 個入口向爐內(nèi)供入高溫?zé)煔猓?容易出現(xiàn)局部耐火材料高溫開裂現(xiàn)象， 烘爐效果并不十分理想。

本設(shè)計中環(huán)形加熱爐的烘爐燃料是 5862 kJ/m3的高焦混合煤氣。 對多個方案進(jìn)行對比之后確定，按以下方案烘爐：將烘爐管沿爐膛一周架在爐底上， 開始烘爐時爐底不轉(zhuǎn)動; 待爐溫升到 400℃保溫一段時間后點燃燒嘴，待燒嘴燃燒穩(wěn)定后， 關(guān)閉烘爐管線， 開始轉(zhuǎn)動爐底。 現(xiàn)場的烘爐過程非常順利， 既沒有出現(xiàn)耐火材料剝落、 爆裂現(xiàn)象， 也沒有出現(xiàn)爐底卡阻情況。 實踐證明， 該方法經(jīng)濟(jì)簡便，烘爐效果很好，用戶非常滿意。 環(huán)形加熱爐烘爐管布置如圖 4 所示。

圖4 環(huán)形加熱爐烘爐管布置示意圖

1-隔墻;2-外環(huán)側(cè)墻;3-內(nèi)環(huán)側(cè)墻

4-烘爐管;5-裝料中心線;6-出料中心線

6、結(jié) 語

(1) 環(huán)形加熱爐的布料角其實是一組脈沖數(shù)字， 可以通過修改程序改變布料數(shù)來滿足實際生產(chǎn)需要。

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

(3) 采用的新的烘爐方案經(jīng)濟(jì)簡便。 經(jīng)實踐證明，烘爐效果良好。