步進(jìn)梁式加熱爐的設(shè)計(jì)研究

田海蘭，王藝穎，閆少華

( 1.鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450044；2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007)

步進(jìn)梁式加熱爐的設(shè)計(jì)研究

田海蘭1，王藝穎1，閆少華2

( 1.鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450044；2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007)

根據(jù)某鑄鍛廠所提供的鋼坯規(guī)格和對(duì)加熱爐的工藝需求，設(shè)計(jì)了步進(jìn)梁加熱爐系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)。介紹了步進(jìn)梁加熱爐的性能和結(jié)構(gòu)組成，對(duì)爐體、爐襯結(jié)構(gòu)、進(jìn)出料方式、步進(jìn)機(jī)構(gòu)、爐體密封、燃燒裝置等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究，并闡述了供熱系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等特點(diǎn)。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐運(yùn)行，該加熱爐能滿足所要求的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，符合高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、自動(dòng)化的生產(chǎn)要求。

步進(jìn)梁；加熱爐；技術(shù)參數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

步進(jìn)梁式加熱爐是機(jī)械化爐底加熱爐中使用較為廣泛的一種[1]，是鑄鍛行業(yè)及軋鋼行業(yè)對(duì)配套加熱設(shè)備連續(xù)化、自動(dòng)化、大型化、多品種、高精度的要求，具有很好的市場(chǎng)前景。加熱爐的設(shè)計(jì)是否合理對(duì)工件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率及能源利用等有著重要影響。

現(xiàn)行的該爐型進(jìn)、出料型式為直進(jìn)側(cè)出，進(jìn)料驅(qū)動(dòng)為電動(dòng)螺旋推料機(jī)推動(dòng)料坯入爐，出料為摩擦式推料機(jī)側(cè)向出料，在使用過程中容易出現(xiàn)鋼坯粘鋼、供鋼、支撐導(dǎo)軌磨損等現(xiàn)象；更換爐內(nèi)支撐導(dǎo)軌時(shí)，需人工把爐內(nèi)料坯全部清空，工作量大；并且置換料坯吸熱造成大量能源浪費(fèi)[2]。

為此對(duì)步進(jìn)梁加熱爐的合理設(shè)計(jì)是解決上述問題的關(guān)鍵，本文根據(jù)某機(jī)車鑄鍛廠家對(duì)鋼坯的加熱工藝要求和技術(shù)性能參數(shù)，設(shè)計(jì)了合理的加熱爐結(jié)構(gòu)，不但可以消除傳統(tǒng)加熱爐的拱鋼和粘鋼等故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)所要求的鋼坯規(guī)格的有效加熱，而且可加熱細(xì)長(zhǎng)坯料、圓棒坯料及彎曲坯料等，提高了爐子的產(chǎn)量與容量，該加熱爐能滿足所要求的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，使用效果良好，更適應(yīng)當(dāng)代軋機(jī)向大型化、高速化和現(xiàn)代化方向發(fā)展。

1 步進(jìn)梁加熱爐設(shè)計(jì)條件

1.1 設(shè)備性能要求

步進(jìn)加熱爐要求采用三段式爐溫制度，即爐溫分為預(yù)熱段、加熱段和均熱段。

預(yù)熱段采用回收煙氣預(yù)熱坯料。爐體外墻表面溫度不大于50 ℃，爐頂表面溫升不大于60 ℃。進(jìn)出料控制能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)控制和微機(jī)管理；步進(jìn)機(jī)構(gòu)要求有導(dǎo)向裝置，防止軸坯在運(yùn)行中偏移；燃燒系統(tǒng)要求電磁閥、空燃比例調(diào)節(jié)閥等關(guān)鍵控制部件；排煙系統(tǒng)采用地上排煙，包含煙囪，并設(shè)空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱溫度≥300 ℃；整套加熱爐設(shè)施的控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)可編程序控制，具有安全自動(dòng)點(diǎn)火、安全熄火及故障檢測(cè)報(bào)警功能，能對(duì)爐內(nèi)各區(qū)段溫度(設(shè)定值與實(shí)際值)、時(shí)間進(jìn)行有效監(jiān)控，能顯示、記錄、存儲(chǔ)、打??；液壓系統(tǒng)安全、可靠無泄漏，要有油位、油溫、壓力監(jiān)控報(bào)警裝置；加熱爐應(yīng)具有拆卸維修方便的特點(diǎn)。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)某機(jī)車廠對(duì)車軸方型料坯（中碳鋼或低合金鋼）鍛造加熱的工藝要求和產(chǎn)品大綱要求，步進(jìn)梁加熱爐主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 加熱爐主要技術(shù)指標(biāo)

2 步進(jìn)梁加熱爐的設(shè)計(jì)

步進(jìn)梁式燃?xì)饧訜釥t是依靠專用的步進(jìn)專用機(jī)械使工件在爐內(nèi)移動(dòng)的一種機(jī)械化爐[3]。根據(jù)廠家提供的料坯規(guī)格尺寸和生產(chǎn)要求及對(duì)加熱爐的工藝性能需求和技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)步進(jìn)梁加熱爐，其設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖1。主要由爐體（爐子骨架和耐火澆注料）、步進(jìn)梁及步進(jìn)機(jī)構(gòu)、密封系統(tǒng)、液壓推料機(jī)、端輥出料機(jī)、爐門及爐門升降機(jī)構(gòu)、燃燒裝置、天然氣供氣系統(tǒng)、助燃風(fēng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

圖1 步進(jìn)梁加熱爐結(jié)構(gòu)圖

2.1 爐子尺寸確定

根據(jù)坯料規(guī)格，計(jì)算步進(jìn)梁加熱爐有效爐底長(zhǎng)度L，有效爐底長(zhǎng)度是指爐子總長(zhǎng)度中工件在爐內(nèi)受熱的一段長(zhǎng)度，其計(jì)算如下：

式中，L為有效爐底長(zhǎng)度（m）；K為修正系數(shù)；G為爐子生產(chǎn)能力（t/h）；δ為工件厚度（m）；b為工件寬度（m）；e為工件間隔（m）；l為工件長(zhǎng)度（m）；f為工件截面積（m2）；n為裝料列數(shù)。

考慮到工件的跑偏量，工件端頭與側(cè)墻之間的距離取0.2～0.3 m，爐底寬度為：B=1.7+2×0.2=2.1（m）。

考慮到燒嘴火焰不宜直接接觸工件及爐膛的日常維修，爐膛高度定為H=1 m。

2.2 爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于加熱爐來說，爐襯的選擇既要考慮到爐型、工藝制度，又要考慮到一次投資、節(jié)能及維修成本。步進(jìn)梁式加熱爐采用連續(xù)性生產(chǎn)，蓄熱能耗占整個(gè)生產(chǎn)能耗的比重大大降低，從降低成本和維修方便的角度考慮，用多層耐火材料砌筑復(fù)合爐襯結(jié)構(gòu)，爐膛迎火面采用耐火澆注料預(yù)制塊。

經(jīng)分析爐襯結(jié)構(gòu)具體如下：

爐墻爐襯結(jié)構(gòu)，自爐墻鋼板依次為硅鈣板、輕質(zhì)高鋁隔熱磚、高鋁混凝土澆注料。

側(cè)墻高鋁混凝土澆注料現(xiàn)場(chǎng)整體澆注，預(yù)留垂直膨脹縫，爐頂為預(yù)制塊，便于快速更換與維修，澆注料錨固加固件為耐熱不銹鋼金屬錨固底座（321），耐熱鋼錨固掛鉤（2520）。

爐底爐襯從下向上依次為隔熱板、輕質(zhì)高鋁隔熱磚、高鋁磚構(gòu)成復(fù)合爐襯。保溫層總體厚度為446 mm。

澆注料厚度250 mm，輕質(zhì)高鋁隔熱磚厚度116 mm，硅鈣板厚度為80 mm，保溫層總厚度為446 mm。

2.3 進(jìn)、出料方式設(shè)計(jì)

裝料臺(tái)上的鋼坯是經(jīng)液壓推料機(jī)構(gòu)推進(jìn)爐膛進(jìn)行加熱。液壓推料機(jī)構(gòu)由液壓缸、推桿、導(dǎo)向套及支架等組成，推料行程與步進(jìn)水平梁行程匹配。端輥出料機(jī)由耐熱鋼端輥、減速機(jī)、鏈輪鏈條及支撐鋼結(jié)構(gòu)等組成。端輥由ZG40Cr25Ni20無縫鋼管加工而成，直徑φ133 mm，支撐軸承設(shè)在爐外，選用耐高溫軸承。

水冷系統(tǒng)由水槽、水箱、水泵及冷卻水管路組成。冷卻水通向每一個(gè)端輥內(nèi)部，用于冷卻端輥，端輥除接料時(shí)停止外一直運(yùn)轉(zhuǎn)，便于冷卻均勻。

2.4 步進(jìn)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)梁由水平梁、升降梁及液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。步進(jìn)機(jī)構(gòu)由2個(gè)上升液壓缸與1個(gè)水平液壓缸組成，與進(jìn)料液壓缸共用一套液壓系統(tǒng)。為防止梁的偏離、跑偏，水平梁設(shè)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，升降梁車輪設(shè)有輪沿。經(jīng)計(jì)算分析，步進(jìn)梁升降行程為120 mm，步進(jìn)行程為320～400 mm（范圍內(nèi)可調(diào)）；活動(dòng)梁升起8秒，前進(jìn)10秒，下降8秒，后退10秒，一個(gè)周期為36秒；活動(dòng)梁的升降是通過兩個(gè)同步升降缸推動(dòng)升降框架沿斜軌移動(dòng)完成，水平移動(dòng)是由一個(gè)水平缸推動(dòng)放在升降鋼梁支承軸上的步進(jìn)鋼梁實(shí)現(xiàn)的；裝出料的最小周期為40秒。步進(jìn)梁的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)存在平移和升降機(jī)構(gòu)，所以其運(yùn)行采用矩形運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2。

圖2 步進(jìn)梁運(yùn)動(dòng)軌跡

2.5 坯料支撐導(dǎo)軌材料的選用

早期的步進(jìn)梁加熱爐料坯支撐導(dǎo)軌多選用水冷中空方梁，由于其暴露在溫度高的爐氣中，需要選用成本高的Cr25Ni20材質(zhì)，才能正常工作，尤其是為了保證梁的高溫強(qiáng)度而中間通冷水冷卻，造成梁表面溫度比爐溫低很多，與之接觸的料坯部分溫度比其它部位低20 ℃～30 ℃，形成黑印[4-5]，對(duì)鍛造極為不利。所以，選用強(qiáng)度大的非金屬高溫耐火材料是解決此問題的關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)布置如圖3，爐內(nèi)鋼坯支撐導(dǎo)軌采用碳化硅材質(zhì)全熱式預(yù)制塊，可與爐子砌體及步進(jìn)梁耐熱砌體上的溝槽配合，具有熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、高溫強(qiáng)度大、耐磨性好、耐侵蝕、耐熱震、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)可提高加熱能力10%以上，減少黑印溫差70%～80%，減少鋼坯燒損率0.1%～0.3%，壽命可達(dá)5～8年。

圖3 支撐導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖

2.6 步進(jìn)梁與爐體密封

步進(jìn)爐密封方式采用密封效果好的水密封，它由水封刀、水槽組成。水封槽固定在爐底鋼結(jié)構(gòu)上，水封刀固定在步進(jìn)梁上。水封刀下部設(shè)有刮渣板，通過步進(jìn)梁爐底的往復(fù)移動(dòng)把廢渣集中起來便于定期清理。水封槽用來存儲(chǔ)通過縫隙落下的氧化皮及耐火材料碎渣。

水密封用水與端輥出料水冷系統(tǒng)統(tǒng)一考慮布置。并有水溫監(jiān)測(cè)顯示功能，一旦水槽內(nèi)水溫過高則報(bào)警，提醒操作人員換水。

2.7 燃燒裝置與加熱分區(qū)設(shè)計(jì)

燃燒系統(tǒng)是爐子組成核心，由長(zhǎng)焰燒嘴和燃燒控制裝置等組成。SIC200燒嘴火焰長(zhǎng)度可達(dá)1 900～2 200 mm，能夠輻射長(zhǎng)度1 700 mm內(nèi)的料坯?？刂蒲b置包括比例閥、電磁蝶閥、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥等，采用比例燃燒方式及控制技術(shù)，每只燒嘴配置1個(gè)比例閥、1個(gè)電磁蝶閥和1個(gè)手動(dòng)閥,比例閥控制進(jìn)入燒嘴的燃?xì)饬浚姶诺y控制進(jìn)入燒嘴的助燃風(fēng)量。根據(jù)料坯加熱質(zhì)量要求，加熱爐設(shè)計(jì)共有5個(gè)溫區(qū)，進(jìn)行獨(dú)立的溫度控制，同步運(yùn)行完成升溫、保溫、降溫，每區(qū)設(shè)2個(gè)燒嘴（最后1個(gè)區(qū)4個(gè)燒嘴），即采用1對(duì)2（4）的精細(xì)化溫度控制模式。

2.8 其它環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

天然氣供應(yīng)系統(tǒng)與工廠車間燃?xì)夤苈愤B接，接受壓力0.08 MPa的燃?xì)?，?jīng)過手動(dòng)閥、過濾器、安全切斷閥、天然氣智能流量計(jì)、減壓穩(wěn)壓器后，壓力被穩(wěn)定在5 000 Pa，通過管路和燒嘴控制元件送往爐子各個(gè)燒嘴。排煙系統(tǒng)采用爐前上排煙方式，在排煙口上各裝有一臺(tái)高效復(fù)合式金屬空氣預(yù)熱器，利用排出的高溫?zé)煔饧訜嶂伎諝?，使余熱得到利用，提高熱效率[6]。電氣控制及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由燃燒過程控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)設(shè)有完善的控制、連鎖及安全功能，操作簡(jiǎn)單，安全可靠，滿足生產(chǎn)需求。爐溫采用智能溫控儀表控制，控制精度高；燃?xì)鈮毫ψ詣?dòng)調(diào)節(jié)，風(fēng)壓、爐壓采用智能壓力控制儀表控制，保持風(fēng)壓和爐壓穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)用PLC實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，配置工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)爐子的爐溫、爐壓、風(fēng)壓等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對(duì)爐子工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 結(jié)束語

步進(jìn)梁式燃?xì)饧訜釥t是根據(jù)鍛件鋼坯加熱的工藝特點(diǎn)開發(fā)研制，應(yīng)用于機(jī)車車軸類零件生產(chǎn)中。本文根據(jù)坯料尺寸和工藝要求，經(jīng)過理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了步進(jìn)梁加熱爐，并對(duì)于爐襯結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，后期經(jīng)廠家生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，該設(shè)備完全消除了傳統(tǒng)加熱爐的拱鋼和粘鋼現(xiàn)象，滿足生產(chǎn)要求，加熱質(zhì)量好，使用壽命提高，氧化燒損小，脫碳少，具有節(jié)能、環(huán)保、安全可靠的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益可觀，同時(shí)自動(dòng)化連續(xù)式生產(chǎn)對(duì)節(jié)約能源提高生產(chǎn)效率有明顯作用。

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Design research of the walking beam heating furnace

TIAN HaiLan1,WANG YiYing1, YAN ShaoHua2
(1.Department of electrical and Mechanical Engineering, Zhengzhou Institute of Finance and Economics, Zhengzhou 450044,Henan，China; 2. SIPPR Engineering Group Co., Ltd, Zhengzhou 450007, Henan，China)

According to the billet specifications provided by a forge and research on process requirement of the furnace ating furnace research, the walking beam heating furnace system structure is designed. The performance and structure of the walking beam heating furnace are introduced, the Essentials of Research Design contains the furnace, furnace lining structure, in and out way, stepping mechanism, furnace sealing, burning device, etc., and presents the characteristics of the heating system, smoke exhaust system, control system, etc. Through fi eld operation, it shows that the furnace meet the requirements of high production, good quality and fullautomatic operation. It is helpful for mechanized industrial furnace of a high level, and it is corresponding guiding signifi cance for the design of the heating furnace.

walking beam; furnace; technical parameters; structure design

TG155；

A；

1006-9658（2017）01-0062-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.019

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（162102210330）

2016-06-27

稿件編號(hào):1606-1422

田海蘭（1978—），女，講師，工學(xué)碩士，主要從事熱工裝備及工藝，機(jī)械CAD/CAE，控制理論等方面的研究.