臺(tái)車式加熱爐存在的問題及改造措施

□李世權(quán) □刁永發(fā) □陳 皚

上海電氣上重鑄鍛有限公司上海200245

臺(tái)車式加熱爐存在的問題及改造措施

□李世權(quán) □刁永發(fā) □陳 皚

上海電氣上重鑄鍛有限公司上海200245

介紹了上重鑄鍛公司臺(tái)車式加熱爐存在的熱膨脹、高能耗及在維修時(shí)所遇到的問題，采取了改造燃燒系統(tǒng)、臺(tái)車結(jié)構(gòu)、爐襯和爐門密封材料等有效措施，保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

臺(tái)車式加熱爐是一種利用臺(tái)車將大型碳鋼、合金鋼零件送入爐膛的加熱爐，可對(duì)零件進(jìn)行加熱、退火、正火、調(diào)質(zhì)、回火等熱處理工藝。由于使用環(huán)境惡劣，環(huán)境溫度高，臺(tái)車式加熱爐在使用和維護(hù)過(guò)程中存在著各種各樣的問題。臺(tái)車式加熱爐由室狀爐體、活動(dòng)爐門和爐底等組成，主要應(yīng)用于軋鋼、鍛造業(yè)小批量工件的加熱和熱處理。

1 加熱爐主要存在的問題

在鍛造行業(yè)中，加熱爐的爐溫可達(dá)1 250℃左右，熱處理爐的加熱溫度最高達(dá)1 050℃，爐膛內(nèi)基本保持著微正壓的狀態(tài)，在這樣的狀態(tài)下必然會(huì)有一些問題存在。

（1）熱膨脹的問題。熱膨脹的最主要部位是臺(tái)車面。爐窯臺(tái)面均為澆鑄料現(xiàn)澆或模塊砌筑[1]，上重鑄鍛公司的爐窯長(zhǎng)度最小10 000 mm，寬度最小4 000 mm，澆鑄料的熱膨脹系數(shù)為7.7×10-6/℃，當(dāng)爐窯加熱到1 250℃左右時(shí)，整個(gè)臺(tái)車在長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)96.25 mm，寬度方向伸長(zhǎng)38.5 mm。這樣的膨脹必然造成臺(tái)面四周的生鐵邊框板向外翻，在冷卻后又不會(huì)隨澆鑄料一起回縮，經(jīng)過(guò)多次的推擠，澆鑄料本身會(huì)碎裂，即使不碎裂而留有膨脹縫，也會(huì)有氧化皮進(jìn)入，從而加劇生鐵板的外翻。當(dāng)生鐵板外翻超過(guò)臺(tái)車與爐墻之間預(yù)留的間隙時(shí)，臺(tái)車必須修理，否則在臺(tái)車進(jìn)出爐腔時(shí)會(huì)將爐墻拉壞，還會(huì)造成后密封失效。所以，加熱爐的臺(tái)車面在用澆鑄料現(xiàn)澆時(shí)一般會(huì)用纖維將澆鑄料分成塊，以留出膨脹縫，每整塊澆鑄料的面積控制在3～4 m2。如果用澆鑄料模塊砌筑，也要在幾塊澆鑄料之間放一定厚度的纖維作為膨脹縫。以上所留的膨脹縫應(yīng)該在對(duì)臺(tái)面清理氧化皮后重新加填纖維或黃沙，以防止氧化皮進(jìn)入。

（2）漏火問題。在鍛造行業(yè)，因加熱爐密封損壞而導(dǎo)致局部漏火，進(jìn)而將周圍鋼板和器件燒壞是常見的事故，根本原因仍然是爐窯的熱膨脹。因?yàn)樵跔t窯升到高溫區(qū)域時(shí)，引起各部位的熱膨脹是難免的，從而使靜止的密封變?yōu)橄鄬?duì)移動(dòng)的密封，且爐內(nèi)的密封材料都是壓縮纖維或別的耐高溫澆鑄料，一有移動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生較大的磨損。爐膛內(nèi)為微正壓，容易造成火焰外串。此外，上重鑄鍛公司屬于重型裝備業(yè)，生產(chǎn)的都是大件，所以加熱爐在高溫時(shí)段的保溫時(shí)間都很長(zhǎng)，這樣必然導(dǎo)致漏火處燒壞?？梢娐┗鹨彩羌訜釥t損壞的一個(gè)主要原因，主要后果包括：燒嘴周圍漏火，將爐體表面的鋼板燒穿、燒變形；爐門四周漏火，將門框上的生鐵板甚至不銹鋼板燒壞，從而導(dǎo)致漏火更嚴(yán)重；臺(tái)車與爐墻之間的密封漏火，導(dǎo)致生鐵板或爐墻燒壞。

2 加熱爐改造方案

2.1 加熱爐簡(jiǎn)述

臺(tái)車式加熱爐、熱處理爐均由爐體、臺(tái)車、密封裝置、鋼結(jié)構(gòu)、爐門、升降機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)等組成。上重鑄鍛公司在本次改造中主要對(duì)其燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造，加熱爐爐襯全部更換為纖維爐襯，并對(duì)加熱爐、熱處理爐密封系統(tǒng)進(jìn)行改造，對(duì)臺(tái)車和爐門進(jìn)行修理。

2.2 燃燒系統(tǒng)改造

燃燒系統(tǒng)是整個(gè)加熱爐系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，燃燒系統(tǒng)的改造是整個(gè)改造的重點(diǎn)。改造前使用空氣預(yù)熱式高速燒嘴，熱效率低；改造后均采用蓄熱式燒嘴，以達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2.1 蓄熱式燒嘴原理

蓄熱式燃燒是一種由各系統(tǒng)有機(jī)組合而實(shí)現(xiàn)的燃燒技術(shù)，燃燒器成對(duì)出現(xiàn)，并由換向機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)換向燃燒[2]。蓄熱式燒嘴工作原理如圖1所示[3]。前半個(gè)周期，燒嘴A處于燃燒狀態(tài)，燒嘴B處于排煙狀態(tài)，也即蓄熱狀態(tài)。助燃空氣進(jìn)入A側(cè)蓄熱室，蓄熱體放熱，助燃空氣被加熱到僅比爐膛溫度略低后進(jìn)入燒嘴，與燃?xì)饣旌先紵?。燃燒后的煙氣進(jìn)入B側(cè)蓄熱室，蓄熱體蓄熱，煙氣中90%以上的熱量被蓄熱體吸收，高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)蓄熱體后變?yōu)椴桓哂?50℃的低溫?zé)煔庥梢L(fēng)機(jī)排入大氣。當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間或燃燒系統(tǒng)的熱工參數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)換向裝置使燒嘴A和燒嘴B的工作狀態(tài)互換，實(shí)現(xiàn)換向燃燒。系統(tǒng)循環(huán)往復(fù)地交替工作，煙氣排放溫度僅為60～150℃，空氣預(yù)熱溫度僅比爐氣溫度低100℃左右，實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱的有效利用，降低了能耗和溫室氣體的排放量。

圖1 蓄熱式燒嘴工作原理圖

由于排出的煙氣溫度不高于150℃，換向閥、管道和引風(fēng)機(jī)都在低溫下工作，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命[4]。

2.2.2 蓄熱式燒嘴分類

蓄熱式燒嘴要具備自動(dòng)點(diǎn)火、熄火報(bào)警、點(diǎn)火前自動(dòng)吹掃等功能，并與高壓點(diǎn)火器、燒嘴控制器、火焰檢測(cè)、點(diǎn)火電極及專用控制閥門配套，組成自動(dòng)脈沖燃燒控制系統(tǒng)，操作方式分為就地和遠(yuǎn)程兩種[5][6]。就地操作即現(xiàn)場(chǎng)操作；遠(yuǎn)程是在控制室內(nèi)的人機(jī)界面（HMI）上操作，可以對(duì)每個(gè)燒嘴進(jìn)行操作，控制各個(gè)燒嘴的燃燒狀態(tài)。燃燒控制系統(tǒng)控制精度高，且為人性化設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)屏幕上可顯示爐內(nèi)所有設(shè)備的工作狀態(tài)[3，4]。

（1）平焰燒嘴?；鹧娉蕡A餅形分布在爐墻上，通過(guò)熱輻射對(duì)物料進(jìn)行加熱，火焰不直接沖刷物料[3]。

（2）高速燒嘴。燃燒氣流出口速度高達(dá)120m/s及以上，高速氣流在爐內(nèi)充分循環(huán)流動(dòng)，強(qiáng)化了對(duì)流傳熱的效果，從而有效地提高了爐膛內(nèi)溫度的均勻性，同時(shí)提高了加熱質(zhì)量，縮短了加熱時(shí)間。當(dāng)加熱爐進(jìn)入保溫階段時(shí)，爐內(nèi)所需熱量減少，通過(guò)可編程控制器（PLC）邏輯判斷，選擇燒嘴所需要的燃燒狀態(tài)[4]。

（3）混合型燒嘴。在一些廠家的要求下，為了達(dá)到爐窯的各項(xiàng)要求和指標(biāo)，不得不將兩種蓄熱式燒嘴同時(shí)使用在一臺(tái)爐窯上[5]。平焰燒嘴依靠熱輻射進(jìn)行加熱，可以充分利用爐膛空間；高速燒嘴依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行加熱，可以將爐膛內(nèi)的氣流攪動(dòng)起來(lái)，使整個(gè)爐膛溫度更均勻[6]。

2.2.3 蓄熱體

蓄熱體采用陶瓷蜂窩蓄熱體，它具有傳熱效率高、壓力損失小、生產(chǎn)維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 陶瓷蜂窩蓄熱體理化指標(biāo)和技術(shù)性能[7]

高溫端采用剛玉—莫來(lái)石質(zhì)陶瓷蜂窩蓄熱體，具有較高的耐火溫度和良好的抗渣性。

低溫段采用堇青石質(zhì)陶瓷蜂窩蓄熱體，在低于1 000℃的工況下，具有良好的抗腐蝕和抗熱震性。

2.3 臺(tái)車改造

臺(tái)車結(jié)構(gòu)基本不作改動(dòng)，但是所有的臺(tái)面耐火材料都需要翻新。臺(tái)車結(jié)構(gòu)件完成后，四周的不銹鋼鑄件通過(guò)螺栓安裝在臺(tái)車結(jié)構(gòu)件上，以固定上層耐火材料。加熱時(shí)，確保耐火材料因熱膨脹而滑出臺(tái)車邊緣，且在冷卻時(shí)能整體回縮歸位。每相鄰兩塊生鐵板之間用螺栓連接，以增強(qiáng)整體的抗膨脹性能。臺(tái)車上的耐火材料先用輕質(zhì)磚和耐火泥砌，再用耐火材料澆鑄成400 mm×400 mm的臺(tái)面磚，由此增強(qiáng)了臺(tái)面的隔熱和承載性能。為防止臺(tái)面膨脹，在每?jī)蓧K臺(tái)面磚之間塞填纖維，留出膨脹縫[8]。這樣，雖然臺(tái)車在高溫爐膛中有較大的熱膨脹，但還是處于正常的工作狀態(tài)中。

2.4 爐襯修理

加熱爐爐頂原本是采用磚砌，后改用輕質(zhì)澆鑄料澆鑄，澆鑄時(shí)采用纖維及防水材料隔出膨脹縫。所有澆鑄料的自重由爐頂上結(jié)構(gòu)件下方懸掛的錨固件（高鋁磚）承受[9]，錨固件在爐頂澆鑄前懸掛，為防止錨固件吸水縮短使用壽命，其表面需涂抹瀝青等防水材料。

目前，爐膛內(nèi)的爐襯全部改用纖維。由于爐膛面積大，原本無(wú)論是磚砌，還是澆鑄料澆鑄，其膨脹系數(shù)都較大，加之是固體件，沒有韌性和彈性，容易出現(xiàn)變形、松動(dòng)，導(dǎo)致漏火，甚至出現(xiàn)垮塌。纖維的熱膨脹系數(shù)小、彈性大、有韌性，在膨脹時(shí)一般不會(huì)出現(xiàn)垮塌，且密封、隔熱和保溫效果好。實(shí)踐中偶爾出現(xiàn)局部松動(dòng)或脫落的現(xiàn)象，可以通過(guò)局部修理或塞填的方法來(lái)解決，這樣，維修省時(shí)省力。纖維分為含鉻纖維[10]和含鋯纖維，由于價(jià)格有較大差別，只在加熱爐上使用價(jià)格較高且耐溫高的含鉻纖維，在熱處理爐上則是采用價(jià)格相對(duì)便宜的含鋯纖維。

2.5 爐門裝置修理

爐門內(nèi)襯原本采用澆鑄料直接澆鑄或耐火磚砌筑。由于爐門和門框均為固體硬件，無(wú)彈性，因此無(wú)法密封爐膛內(nèi)的火焰，且質(zhì)量重。在燃燒時(shí)，火焰從爐門四周串出，特別在升溫時(shí)較為明顯，導(dǎo)致爐門周圍的生鐵板燒損嚴(yán)重。所以，原本加熱爐修理時(shí)，爐門是必修的，且費(fèi)用較高，甚至在很多時(shí)候，還需要單獨(dú)維修更換爐門。由于爐襯為澆鑄或耐火磚砌筑，修理周期較長(zhǎng)，因此同樣規(guī)格的爐門要準(zhǔn)備備件，以便在不影響生產(chǎn)的情況下更換[11]。

爐門內(nèi)襯均改用全纖維后，整個(gè)爐門的質(zhì)量大大減輕。由于纖維具有一定的彈性，在爐門和門框之間可以起到很好的密封作用，幾乎不會(huì)有火焰外串現(xiàn)象[10]。這樣，爐門和門框的燒損得到了較好控制，維修量也大大減少。如果不是意外損壞，只需要在一定年限后，待爐門四周纖維與門框接觸處磨損過(guò)多，或纖維老化失效，才進(jìn)行纖維的更換。局部修理更換，維修周期短，費(fèi)用大為減少。

3 總結(jié)

針對(duì)上重鑄鍛公司加熱爐能耗高的問題進(jìn)行了燃燒系統(tǒng)的改造，將空氣預(yù)熱式燒嘴改造為蓄熱式燒嘴，并對(duì)爐門、爐襯和臺(tái)車進(jìn)行了修理，管道系統(tǒng)由于燒嘴數(shù)量和位置的變動(dòng)也相應(yīng)進(jìn)行了改動(dòng)。

實(shí)踐證明，改造后的加熱爐大大降低了整臺(tái)爐窯的能耗，延長(zhǎng)了爐窯的使用壽命。

[1]中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)工業(yè)爐砌筑專業(yè)委員會(huì).筑爐工程手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

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[10]《耐火材料工廠設(shè)計(jì)參考資料》編寫組.耐火材料工廠設(shè)計(jì)參考資料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

[11]王波，劉彬，尚加嶧，等.臺(tái)車式加熱爐優(yōu)化改造[J].萊鋼科技，2012（3）：22-23，28.

A series of troubles encountered by the trolley-type heater in Shanghai HM Casting and Forging Co.were mentioned such as thermal expansion,high energy consumption and other problems during maintenance. To solve these problems effective measures were taken to ensure the normal production,these measures cover the renovation of the combustion system,trolley structure,furnace lining and sealing materials for furnace door.

加熱爐；技術(shù)改造；應(yīng)用

Heater；TechnicalRenovation；Application

TH123；TK175

A

1672-0555（2016）03-047-04

2016年3月

李世權(quán)（1981—），男，碩士，工程師，主要從事設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)管理工作