水梁及耐熱合金墊塊在步進(jìn)梁式加熱爐工程上的應(yīng)用

孟慶國

中冶東方工程技術(shù)有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014010

1 概述

步進(jìn)梁式加熱爐作為鋼坯軋制前加熱的主要技術(shù)手段，已廣泛應(yīng)用于棒、線材生產(chǎn)線，特鋼生產(chǎn)線，熱處理爐，板坯爐等，具有加熱質(zhì)量好，加熱速度快，在爐時(shí)間短，氧化燒損少，節(jié)能降耗等優(yōu)點(diǎn)。

本文結(jié)合中冶東方技術(shù)有限公司包頭貝瑞工業(yè)爐公司多年的耐熱合金墊塊在步進(jìn)梁式加熱爐上面的使用經(jīng)驗(yàn)，以及參考同行業(yè)的一些墊塊的應(yīng)用情況，總結(jié)各自的技術(shù)特點(diǎn)及使用效果，對步進(jìn)梁式加熱爐水梁的設(shè)計(jì)和墊塊的型式做了一些粗淺的探討。

2 步進(jìn)爐水梁的布置

水梁布置主要有以下因素決定：

1）料坯的長度和布料要求

步進(jìn)梁的根數(shù)是按照鋼坯長度，步進(jìn)梁間距以及坯料在粱上懸臂長度確定的。一般步進(jìn)梁和固定梁的中心距不小于600mm。對坯料而言步進(jìn)梁或固定梁都可以放在最外側(cè)，由于活動(dòng)梁和固定梁是交替承重，鋼坯在固定梁上的支撐時(shí)間大約70%～80%的時(shí)間，所以設(shè)計(jì)中一般固定梁的數(shù)量要優(yōu)于活動(dòng)梁。

多排布料時(shí)，要考慮每排料坯的支撐情況，每排料坯要考慮至少需要兩根活動(dòng)梁支撐，兩根固定梁支撐，才能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)要求。

2）加熱爐的鋼種及加熱質(zhì)量要求

根據(jù)鋼坯的化學(xué)成分以及溫度均勻性的要求，綜合考慮步進(jìn)梁的數(shù)量，管底比，爐底孔洞的面積比，合理布置步進(jìn)梁水梁。

3）是否有交錯(cuò)步進(jìn)型式的要求

為了最大限度的消除黑印，保證加熱質(zhì)量，有時(shí)會(huì)采用步進(jìn)梁采用交錯(cuò)布置技術(shù)，即將步進(jìn)梁在加熱段進(jìn)入均熱段時(shí)沿爐寬方向偏離一段距離，使鋼坯在均熱段來不及形成黑印，而原來的從加熱段帶來的黑印經(jīng)梁錯(cuò)位后逐漸消失。

有些資料證明錯(cuò)位梁帶來的溫差比直線梁溫差少15%～20%。

4）鋼坯的懸臂要求，梁間距要求

（1）最大懸臂長度一般按鋼坯厚度、加熱溫度、高溫下停留的時(shí)間等因素確定，也可按照下面公式估算：

其中，K1為懸臂系數(shù)，S1為鋼坯厚度；

活動(dòng)梁和固定梁的最大中心距：

其中，K2為跨度系數(shù)，S2為鋼坯厚度；

下表為一些資料介紹參考的系數(shù)值

表1 鋼坯懸臂系數(shù)和跨度系數(shù)參考表

（2）因?yàn)樽畲髴冶坶L度一般按鋼坯動(dòng)梁或固定梁的間距應(yīng)保證鋼坯在高溫下不產(chǎn)生“塌腰”，鋼坯在活動(dòng)梁上外伸長度，應(yīng)保證活動(dòng)梁平移時(shí)鋼坯端頭下?lián)喜粧旃潭海杂行┵Y料按照鋼坯的下?lián)狭縼碛?jì)算懸臂及跨距。

其中s為鋼坯的厚度，表2是求最大懸臂長度L最大懸臂長度和跨度L最大跨度的一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)式中系數(shù)k1和k2的值。

表2 K1（分子）和K2（分母）值

5）其它考慮的因素比如管底比，跨度，下加熱燒嘴的能力等。

6）依照上述各項(xiàng)條件，同時(shí)考慮錯(cuò)位梁的形式，在滿足所有鋼坯裝入條件的前提下，梁的根數(shù)越少越好。

3 步進(jìn)水梁的材質(zhì)要求

步進(jìn)梁采用壁厚不小于10mm的熱軋鍋爐鋼管制作，材料為20號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

關(guān)于20、20G、20g、20R的區(qū)別：

20、20G、20g～20g柱這四個(gè)鋼號均為含碳量0.20% 的碳素結(jié)構(gòu)鋼，在設(shè)計(jì)上容易產(chǎn)生混淆，若不能正確選用往往會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

4 縱水梁的型式及結(jié)構(gòu)

步進(jìn)梁水冷管的結(jié)構(gòu)有單元管、雙圓管、長圓管、橢圓管和矩形管等。

選用步進(jìn)梁的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)根據(jù)管材供應(yīng)情況、爐型、料坯斷面、爐子的載荷等條件來決定。

由于管材供應(yīng)和成本考慮等原因，現(xiàn)在大部分步進(jìn)梁采用厚壁單圓管和厚壁雙圓管結(jié)構(gòu)。

但從節(jié)能和減少水管來講，應(yīng)盡量少采用圓形管結(jié)構(gòu)。因?yàn)?，同樣大小的斷面模?shù)，長圓管、橢圓管和矩形管表面積要比圓形管少15%～20%左右，因?yàn)樗旱臄嗝婺?shù)和其高度的平方成正比。水梁面積的減少，就意味著爐子下供熱狀態(tài)和坯料上下溫差的改善，同時(shí)也意味著爐子能耗的降低。

單根縱梁長度不宜超過25m，超過時(shí)應(yīng)該分段設(shè)計(jì)。

5 水梁立柱的結(jié)構(gòu)及型式

1）步進(jìn)梁的縱水梁由水梁立柱支撐。立柱間距一般取2m～4m；

2）爐底框架是固定梁的承重載體，爐底平移框架是活動(dòng)梁的承重載體。立柱在縱向上是一個(gè)桁架結(jié)構(gòu)，但在橫向上相互獨(dú)立；

3）立柱的水冷系統(tǒng)有汽化冷卻和水冷卻兩種形式。由于汽化冷卻具有很好的回收效果，現(xiàn)代化的加熱爐一般采用汽化冷卻方式。

6 耐熱合金墊塊的形狀和結(jié)構(gòu)

1）墊塊的應(yīng)用部位

為了減小鋼坯與水冷梁接觸處的“黑印”溫差，縮小接觸處與兩根支撐梁中間鋼坯的表面溫差，避免熱鋼坯與低溫水冷梁之間直接接觸，在爐子縱向支撐梁上安裝了耐熱合金墊塊。

墊塊的形狀及其與縱梁的連接方式應(yīng)根據(jù)爐型、坯料的形狀和尺寸、對鋼坯加熱“黑印”的要求，以及墊塊材質(zhì)及其價(jià)格等因素確定。

2）墊塊的材質(zhì)

耐熱合金墊塊的材質(zhì)一般為ZGCr25Ni20Si2，ZGCr28Ni48W5，Co20，Co40，Co50等。

根據(jù)加熱爐的不同溫度段可采用不同高度和不同材質(zhì)的耐熱合金墊塊。在低溫段，由于墊塊承受的溫度較低，為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，墊塊的材質(zhì)一般采用Cr25Ni20Si2，Co20，高度大約50mm～70mm；在高溫段為了有效地消除水冷梁“黑印”，墊塊的高度要稍高一些，高度大約在70mm～90mm，同時(shí)由于墊塊承受的溫度高，耐熱合金墊塊一般選用ZGCr28Ni48W5或Co40。

值得一提的是，由包頭貝瑞工業(yè)爐公司和包鋼稀土研究院聯(lián)合開發(fā)的耐熱墊塊ZGCr25Ni31WNbRe，具有抗高溫蠕變強(qiáng)度、氧化性能高具有較高的耐磨性、抗腐蝕性和抗熱沖擊性，而且投資低，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種步進(jìn)梁式加熱爐上，作為高溫段耐熱墊塊的首選。

表3 高溫墊塊的牌號和主要成分 %

表4 墊塊的主要技術(shù)性能

3）墊塊的安裝方式

在一些有對齊推鋼機(jī)的步進(jìn)梁式加熱爐上，由于裝料端料坯和墊塊之間會(huì)滑動(dòng)較長距離，非常頻繁，較長時(shí)間后，可能會(huì)造成卡塊與水梁之間的焊接松動(dòng)，從而導(dǎo)致墊塊掉落，所以在卡塊與水梁焊接的基礎(chǔ)上，墊塊與水梁也焊接，保證其安全性。由于裝料端溫度較低，正常情況下≤900℃（蓄熱式加熱爐≤1000℃），熱膨脹系數(shù)較小，所以對梁的剛度基本沒有影響。這種安裝方式，已應(yīng)用于多座加熱爐，使用效果良好。由包頭貝瑞工業(yè)爐公司為包鋼特鋼廠設(shè)計(jì)的步進(jìn)梁式加熱爐，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況以及嚴(yán)格計(jì)算，步進(jìn)梁上墊塊以及卡塊全部通常焊接，現(xiàn)場使用情況良好，具有一定的參考價(jià)值。

4）耐熱墊塊尺寸

墊塊上表面承受鋼坯壓力，在加熱普碳鋼時(shí)平均承受壓力可按1.0MPa～2.0MPa選取，但合金鋼和硅鋼的承鋼應(yīng)力比普碳鋼小得多，承鋼應(yīng)力過大所造成的壓痕是無法消除的。

條形焊接墊塊長度可為150mm～250mm，寬度可為25mm～50mm，高度可為60mm～120mm；

條形騎卡塊墊塊長度可為100mm～200mm，寬度可為40mm～100mm，高度可為60mm～150mm。

7 水梁的絕熱包扎

步進(jìn)爐的水梁一般采用雙層絕熱包扎的方式，里面一層包20mm的耐火纖維，外層澆注50mm的自流澆注料。

在水梁上焊接有耐熱鋼材質(zhì)的錨固鉤，用來固定耐火纖維和澆注料。

8 結(jié)論

現(xiàn)代化的步進(jìn)梁式加熱爐的水梁是步進(jìn)爐的關(guān)鍵部位，關(guān)系到爐子的加熱質(zhì)量、能耗、料坯的溫差、使用壽命等。因此合理布置水梁，合理設(shè)計(jì)水梁及立柱的結(jié)構(gòu)形式，采用合理的耐熱墊塊型式，是步進(jìn)梁式加熱爐成功的關(guān)鍵因素。

[1]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996，8.

[2]曹強(qiáng)，梁春魁，等.鋼鐵廠工業(yè)爐設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國計(jì)劃出版社，2009，2.

[3]《鋼鐵廠工業(yè)爐設(shè)計(jì)參考資料》編寫組.鋼鐵廠工業(yè)爐設(shè)計(jì)參考資料.冶金工業(yè)出版社，1979，11.