盤(pán)卷環(huán)形退火爐的系統(tǒng)組成與應(yīng)用

李志軍，楊梁，王俊，楊萬(wàn)軍

（南京凈環(huán)熱冶金工程有限公司，江蘇南京210016）

盤(pán)卷環(huán)形退火爐的系統(tǒng)組成與應(yīng)用

李志軍，楊梁，王俊，楊萬(wàn)軍

（南京凈環(huán)熱冶金工程有限公司，江蘇南京210016）

闡述了盤(pán)卷環(huán)形退火爐的熱處理工藝過(guò)程，介紹了該熱處理爐的設(shè)備組成、技術(shù)特點(diǎn)以及自主研發(fā)關(guān)鍵設(shè)備的使用效果。實(shí)踐證明，該熱處理爐能夠滿足盤(pán)卷退火的工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量滿足要求。

環(huán)形爐；盤(pán)卷；熱處理；關(guān)鍵設(shè)備

不銹鋼線材的固溶處理有在線處理和離線處理兩種方式。在線處理能充分利用軋后線材的自身顯熱，散卷料進(jìn)退火爐后進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)熱快速達(dá)到熱處理溫度，保溫一定時(shí)間后進(jìn)行快速冷卻從而達(dá)到固溶退火的目的，在線熱處理具有顯著的節(jié)能效益，國(guó)外先進(jìn)工藝線都設(shè)置在線熱處理。國(guó)內(nèi)某高線廠不銹鋼線材在線處理設(shè)置有DST爐和環(huán)形爐兩種爐型方式，DST爐是一種輥底式連續(xù)退火爐，DST爐適用于產(chǎn)品品種變化不大，單個(gè)產(chǎn)品批量較大的生產(chǎn)情況，優(yōu)點(diǎn)是物料輸送簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大，能耗低，缺點(diǎn)是一次性投資大，生產(chǎn)靈活性較低。環(huán)形退火爐能夠滿足在線和離線兩種處理方式，占地面積小，投資小，生產(chǎn)靈活，是盤(pán)卷處理生產(chǎn)線中不可或缺的一種爐型，本文主要介紹環(huán)形爐的在線熱處理工藝過(guò)程及系統(tǒng)組成。

1 盤(pán)卷退火環(huán)形爐的系統(tǒng)組成

1.1 工藝過(guò)程

環(huán)形爐主要用于線材盤(pán)卷或大盤(pán)卷固溶熱處理過(guò)程中的加熱和均溫，并設(shè)置爐外水淬設(shè)備，共同完成奧氏體不銹鋼的固溶熱處理過(guò)程。奧氏體不銹鋼固溶熱處理要求的最高溫度為1 150℃。典型的固溶退火工藝曲線見(jiàn)圖1。該生產(chǎn)線產(chǎn)品大綱中Φ16以上線材可以通過(guò)環(huán)形爐進(jìn)行在線固溶處理。

圖1 一種典型奧氏體不銹鋼盤(pán)卷退火工藝曲線圖

工藝過(guò)程描述如下：

首先大直徑（Φ16以上）線材通過(guò)大盤(pán)卷卸料裝置收集于卷芯架上，卷芯架被輸送輥道運(yùn)至環(huán)形爐爐側(cè)固定位置，上料卷轉(zhuǎn)運(yùn)裝置（旋轉(zhuǎn)吊）將輸送輥道上的盤(pán)卷轉(zhuǎn)移到環(huán)形爐的在線處理裝料平臺(tái)；裝料小車(chē)將盤(pán)卷裝入爐內(nèi)空料位。盤(pán)卷在爐內(nèi)進(jìn)行升溫，保溫一定時(shí)間。當(dāng)淬火水槽有空料位時(shí)，環(huán)形爐門(mén)出料爐門(mén)開(kāi)啟，出料小車(chē)前進(jìn)，將最后一個(gè)料位的盤(pán)卷從爐內(nèi)托起，后退至淬火位；出料機(jī)將盤(pán)卷放置到淬火水槽升降機(jī)上，升降機(jī)下降，將盤(pán)卷浸入水中，并放置到水下的旋轉(zhuǎn)料框的空料位上，當(dāng)有盤(pán)卷完成淬火，升降機(jī)將其升起，由出料機(jī)取出，淬火水槽的旋轉(zhuǎn)料框旋轉(zhuǎn)一個(gè)料位，空出的料框等待下一次受料；出料小車(chē)負(fù)責(zé)淬火水槽的卸料，當(dāng)淬火完成的盤(pán)卷升出水面，出料機(jī)將其托起，繼續(xù)后退到卸料位；后退到卸料位的卸料小車(chē)，將完成固溶熱處理的盤(pán)卷放置到在線卸料臺(tái)上，卸料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置（旋轉(zhuǎn)吊）將處理好的盤(pán)卷轉(zhuǎn)移到輸送輥道的卷芯架上。盤(pán)卷隨卷芯架運(yùn)送到成品倉(cāng)庫(kù)，完成在線處理。工藝布置見(jiàn)圖2。

圖2 環(huán)形爐工藝設(shè)備布置圖

1.2 系統(tǒng)配置及特點(diǎn)

物料輸送系統(tǒng)和環(huán)形爐燃燒控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

由于環(huán)形爐同時(shí)滿足在線和離線處理兩種工藝要求，所以物料輸送系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備先進(jìn)，各設(shè)備之間的動(dòng)作銜接緊密。在線工藝系統(tǒng)設(shè)備有上料端旋轉(zhuǎn)吊，上料端受料臺(tái)，裝料小車(chē)，環(huán)形爐，出料小車(chē)，淬火水槽，出料端受料臺(tái)，出料端旋轉(zhuǎn)吊，其中旋轉(zhuǎn)吊和進(jìn)出料小車(chē)是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備。

退火工藝對(duì)爐膛溫度控制精度和均勻性要求較高，所以本系統(tǒng)選用先進(jìn)的燃燒設(shè)備以及采用脈沖燃燒控制系統(tǒng)，保證了退火工藝的要求。

2 環(huán)形爐的技術(shù)方案

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

用途：線材盤(pán)卷熱處理

處理量：50 000 t/a

鋼種：300系不銹鋼

規(guī)格：5～38 mm

盤(pán)卷尺寸：

外徑：1 250 mm

內(nèi)徑：850 mm

卷高：2 000 mm（max）

卷重：1 850 kg（max）

燃料：天然氣

2.2 主要技術(shù)方案

（1）開(kāi)發(fā)盤(pán)卷轉(zhuǎn)運(yùn)裝置即旋轉(zhuǎn)吊；

（2）開(kāi)發(fā)進(jìn)出料小車(chē)；

（3）采用高效空氣預(yù)熱器；

（4）采用亞高速天然氣燒嘴；

（5）采用脈沖燃燒控制系統(tǒng)。

2.3 關(guān)鍵設(shè)備

（1）旋轉(zhuǎn)吊

旋轉(zhuǎn)吊是把盤(pán)卷從輸送輥道轉(zhuǎn)運(yùn)至環(huán)形爐退火工藝區(qū)的關(guān)鍵設(shè)備。本設(shè)備由德國(guó)西馬克公司開(kāi)發(fā)研制。

旋轉(zhuǎn)吊（見(jiàn)圖3）由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)，抓料機(jī)構(gòu)，拖鏈機(jī)構(gòu)等組成，具有旋轉(zhuǎn)、上升、下降，抓取四種功能，通過(guò)上述功能動(dòng)作的單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)或疊加運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)取料，轉(zhuǎn)運(yùn)的工藝過(guò)程。

（2）進(jìn)出料小車(chē)

裝出料小車(chē)（見(jiàn)圖4）由大車(chē)軌道、大車(chē)行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、小車(chē)軌道、小車(chē)行走機(jī)構(gòu)、料叉升降機(jī)構(gòu)，拖鏈機(jī)構(gòu)等組成。

圖4 進(jìn)出料小車(chē)示意圖

裝出料小車(chē)的運(yùn)動(dòng)具有上升、下降、回轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退五種功能，通過(guò)上述功能動(dòng)作的單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)或疊加運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)取料，裝、出爐的工藝過(guò)程。

裝出料小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制：

料叉升降控制：升降機(jī)內(nèi)置增量編碼器，用于位置檢測(cè)和加、減速點(diǎn)控制；升降框架上設(shè)置兩套接觸式行程開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)最高、最低位。

小車(chē)運(yùn)行控制：小車(chē)平移電機(jī)內(nèi)置增量編碼器，用于位置檢測(cè)和加、減速點(diǎn)控制。

回轉(zhuǎn)運(yùn)行控制：回轉(zhuǎn)電機(jī)內(nèi)置增量編碼器，用于位置檢測(cè)和加、減速點(diǎn)控制。

大車(chē)運(yùn)行控制：大車(chē)傳動(dòng)電機(jī)內(nèi)置增量編碼器，用于位置檢測(cè)和加、減速點(diǎn)控制；設(shè)置兩套接觸式形成開(kāi)關(guān)用作行程極限控制。

（3）天然氣亞高速燒嘴

選用亞高速燒嘴作為本環(huán)形爐的燃燒裝置。圖5為燃天然氣燒嘴結(jié)構(gòu)組成，燃燒室前段明顯縮口，可以獲得較高的燃燒產(chǎn)物的噴出速度，起到強(qiáng)烈攪拌爐氣的作用。燒嘴火焰長(zhǎng)度控制在1～1.5 m。為了實(shí)現(xiàn)脈沖燃燒控制，燒嘴還配有燃?xì)饷}沖閥，助燃空氣脈沖閥，燒嘴控制器，點(diǎn)火變壓器，比例閥。

圖5 天然氣亞高速燒嘴示意圖

2.4 脈沖燃燒控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

脈沖燃燒是將一段時(shí)間間隔內(nèi)的累計(jì)燃料，按予調(diào)好的空/燃比以極高的速度，通過(guò)燒嘴，按照時(shí)序分配的結(jié)果，進(jìn)行燃料燃燒。

這樣燃燒的好處是：在額定的燃?xì)鈮毫Α嶂迪?，在脈沖燃燒狀態(tài)，噴出熱氣流的熱焓、速度以及熱氣流的長(zhǎng)度都是一個(gè)定值，如果對(duì)多個(gè)燒嘴進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，合理地布置，就會(huì)很容易的獲得滿意的爐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布，保證極高的工件加熱質(zhì)量。

對(duì)于在“以時(shí)間平均為小流量”的保溫狀態(tài)下，也就是低負(fù)荷燃燒狀態(tài)下，每一個(gè)燒嘴在打開(kāi)期間，噴出的燃料和空氣量和‘大流量’狀態(tài)下是相同的，僅僅是打開(kāi)的時(shí)間不同，所以不存在火焰長(zhǎng)度受到常規(guī)控制下的“小流量”影響的問(wèn)題。這樣，可以得到兩個(gè)直接的好處：

（1）火焰長(zhǎng)度不變，導(dǎo)致被加熱工件的溫度均勻性不變；

（2）很容易對(duì)熱處理爐的爐溫進(jìn)行量化控制。

圖6表示本爐段的供熱量在50%的情況下，每個(gè)燒嘴控制脈沖的ON/OFF時(shí)序圖。很顯然，當(dāng)要求熱負(fù)荷由最小變到最大或者相反時(shí)，只要在固定的脈沖周期下，調(diào)整燒嘴控制脈沖的ON/OFF時(shí)間，就可以達(dá)到調(diào)整熱負(fù)荷的目的。本過(guò)程全部由PLC完成。

圖6 燒嘴脈沖時(shí)序圖

2.4.1 控制脈沖的獲得——脈沖變換器和脈沖分配器

在圖7中，當(dāng)溫度調(diào)節(jié)器（PID）輸出信號(hào)MV在：‘0～100%’范圍變化時(shí)，脈沖變換器的輸出——脈沖的開(kāi)時(shí)間也隨著在‘0～T’中間線性變化。

圖7 脈沖變換器及分配器圖

其中，T為脈沖周期。然后，經(jīng)過(guò)脈沖時(shí)序分配器，將控制脈沖發(fā)到相應(yīng)的空/燃?xì)獾拈y門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終完成閥門(mén)的開(kāi)/閉，從而達(dá)到控制爐溫的目的。本變換過(guò)程在PLC內(nèi)非常容易實(shí)現(xiàn)。

2.4.2 脈沖燃燒時(shí)燒嘴的實(shí)際工作過(guò)程

（1）在不生產(chǎn)時(shí)，圖8中‘2’、‘4’端子為低電平?？諝忾yT1關(guān)閉、T2關(guān)閉。

圖8 脈沖燃燒燒嘴燃燒過(guò)程圖

（2）正常工作的情況下，在燃燒時(shí)序?yàn)椤甇N’時(shí)，PLC向圖中‘2’、‘4’端子送出高電平開(kāi)始，T1、T2打開(kāi)，燒嘴開(kāi)始燃燒過(guò)程。

（3）當(dāng)時(shí)序進(jìn)入‘OFF’狀態(tài)，PLC向圖中‘2’、‘4’端子送低電平，T1、T2閥關(guān)閉，停止燃燒。

3 結(jié)語(yǔ)

該生產(chǎn)線工藝先進(jìn)，物料輸送復(fù)雜，開(kāi)創(chuàng)了集卷線材在線處理的國(guó)內(nèi)先河，該機(jī)組已經(jīng)投入生產(chǎn)，退火性能完全達(dá)到了用戶要求，并得到用戶的高度評(píng)價(jià)。集卷線材的直接固溶熱處理，由于保留了線材的顯熱減少了線材冷卻后再加熱所需熱量，能耗指標(biāo)大幅降低，達(dá)到20 m3天然氣/t鋼，比離線處理節(jié)約50%，為企業(yè)產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]潘妮，王婷.超大直徑盤(pán)圓罩式退火爐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].工業(yè)爐. 2015（5）：20-24.

System Composition and Application of Ring Annealing Furnace（ROF）for Wire Rod

LI Zhijun,YANG Liang,WANG Jun,YANG Wanjun
（Nanjing Jinghuanre Metallurgy Engineering Co.,Ltd,Nanjing 210016,China）

The heat treatmentprocess of ring annealing furnace（ROF）for wire rod was expatiated.The equipment composition,technical characteristic and the application effect of independent research and development key equipments were introduced.The practice results showed that the ring annealing furnace is competent for the produce ofwire rod annealand the product quality can meetthe requirements.

ring annealing furnace;wire rod;heattreatment;key equipment

TG307

B

1001-6988（2016）06-0033-03

2016-07-18

李志軍（1980—），男，工程師，主要從事加熱爐的設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理工作.