雙排布料步進式加熱爐鋼坯跑偏的問題研究

于謝天

（中冶東方工程技術有限公司， 山東 青島 266555）

目前國內棒線材、長材軋鋼廠普遍采用步進式加熱爐作為鋼坯加熱的設備。傳統(tǒng)步進式加熱爐多為單只布料的形式，即一個步進周期上料一只鋼坯，出料一只鋼坯，爐內鋼坯呈單列。隨著發(fā)展，雙排布料形式的加熱爐應運而生。不通過任何改造的原單排布料步進加熱爐往往不能滿足雙排布料的生產形式，其會產生鋼坯步進中跑偏等問題。為解決跑偏問題，必須對爐底鋼結構和爐底機械進行加固處理。

1 產生跑偏的原因

步進式加熱爐的最終承載結構主要包括：爐底鋼結構、爐底機械。

針對傳統(tǒng)的單只布料步進式加熱爐進行受力分析，我們認為加熱爐爐底鋼結構以及爐底機械由于設計之初未考慮雙排布料可能的受力情況，當實施雙排布料時，其機械強度、穩(wěn)定性會產生造成鋼坯跑偏的誘因。

傳統(tǒng)單只布料步進式加熱爐的設計為：在加熱段爐底鋼結構上安裝有4根固定水梁、爐底機械上安裝有4根活動水梁，均熱段爐底鋼結構上安裝有6根固定水梁、爐底機械上安裝有4根活動水梁。單只布料時，每只鋼坯受4根水梁或6根水梁共同承載，當鋼坯中心和加熱爐中心一致時，每一水梁所受壓力均等于對稱于加熱爐中心的另一測的對應水梁所受壓力，爐底鋼結構和爐底機械均為對稱設計?？梢岳斫鉃檎麄€爐底鋼結構、爐底機械的受力都是以加熱爐中心線對稱的，這使延加熱爐步進方向的縱梁以及各種支撐的位置設計相對隨意。當單排布料加熱爐鋼坯中心和加熱爐中心不一致、存在一定距離時，鋼坯重心偏移，會使水梁立柱傳遞壓力不均，此時延鋼坯長度方向兩端頭的水梁所受的彎矩、壓力產生變化，一端增大一端減小，中部的水梁受力情況與鋼坯中心和加熱爐中心一致時差別小，兩端頭水梁受力情況的變化大，這可能會使爐底鋼結構、爐底機械的延鋼坯長度方向產生以加熱爐中心線為中心不對稱的變形。但鋼坯為一個整體，自身有剛度，且鋼坯中心接近加熱爐中心，使得爐底鋼結構、爐底機械以及水梁變形數值不會對鋼坯產生延鋼坯長度方向的移動作用。其他例如設備制造、安裝影響鋼坯跑偏的因素往往可以通過現(xiàn)場調整加熱爐對中裝置、加熱爐軌道高度角度來修正。所以傳統(tǒng)單只布料步進式加熱爐的跑偏問題相對容易解決。

雙排布料加熱爐的爐底鋼結構、爐底機械受力情況與單排布料時的受力情況有很大的不同，最直接的表現(xiàn)為每只鋼坯受2根水梁或3根水梁（均熱段固定水梁）承載。這對于加熱爐設計階段未考慮雙排布料工況的步進加熱爐是不被允許的。因為鋼坯帶來的負載重心不再在加熱爐中心線上，而是分解成了兩個相對加熱爐中心線對稱的點，且分解的重心很有可能不處于支撐鋼坯的兩根水梁或3根水梁的中心上；鋼坯由具有整體剛度的一根，變?yōu)楹翢o關系的兩根鋼坯；爐底機械、爐底鋼結構以及水梁的強度、剛度可能不滿足于使用要求；加熱爐中心線的一側水梁的頂端標高直接影響鋼坯在水梁上的位置形態(tài)。當傳統(tǒng)單只布料步進式加熱爐在承載這種負載時，爐底鋼結構、爐底機械均會出現(xiàn)造成以加熱爐中心外側水梁頂端標高低、內側水梁頂端標高高的情況，以爐底鋼結構及其上水梁承載鋼坯為例，其整體變形情況如圖1所示。由此可以看出相對于加熱爐中心線兩側的鋼坯均外側低中部高，當鋼坯步進時，這種鋼坯的偏移會被依次積累起來，造成鋼坯的跑偏。

圖1 雙排布料爐底鋼結構、水梁、鋼坯位移情況

產生如上所述跑偏狀況的直接原因為承載鋼坯的爐底鋼結構、爐底機械受力變形，承載鋼坯的水梁不在同一標高位置。

2 雙排布料跑偏問題的優(yōu)化改造

雙排布料時，當承載鋼坯的每一根水梁受爐底鋼結構、爐底機械撓度和水梁自身變形下降位移相等時，可以認為其不會跑偏。

為改善此問題，首先考慮從布料形式上解決。當鋼坯處于理想位置時，爐底鋼結構、爐底機械撓度和水梁自身變形下降位移相等，從而解決跑偏問題。現(xiàn)場可以通過修改電控或其他措施，在加熱爐裝料時，使兩根鋼坯停止在理想位置上料。然而當實際加熱爐改雙排布料使用時，即使兩根鋼坯間距為0，也不能使下降量相等；還有部分加熱爐，長尺鋼坯上料兩根鋼坯之間不會有很大的間隙；短尺鋼坯上料兩根鋼坯間縮小了間隙后，外側水梁距離短尺鋼坯外邊緣過近，安全距離小，運行時可能發(fā)生“掉道”。所以僅改變布料形式，不具有實用性。

考慮對梁進行加固，改變梁的受載彎曲特征，是改善鋼坯跑偏問題的第二解決辦法。

2.1 爐底鋼結構的優(yōu)化改造

以不影響其余加熱爐結構，不影響既有爐底機械、土建結構、管道布置為原則，增加梁對稱于加熱爐中心的一對型鋼焊接制成的梁，改變水梁下組合梁的受力情況，達到修正爐底鋼結構和水梁自身變形大等目的，采取優(yōu)化改造方案。

以加熱段（4固定水梁支撐鋼坯）為例，通過三維繪制，對算例施加約束、載荷、接觸，通過有限元計算得到較為準確的變形結論，從中讀出水梁頂面豎直方向位移值。

由圖2可以看出，增加梁支撐可以直接影響水梁頂面的標高，原始狀態(tài)加熱爐兩側水梁明顯低于中部水梁；加固實現(xiàn)水梁頂面標高近似一致，外高、內低，鋼坯有向加熱爐中心跑偏的趨勢。

圖2 水梁頂面豎直方向位移值

2.2 爐底機械的優(yōu)化改造

爐底機械的結構與爐底鋼結構截然不同，優(yōu)化改造爐底機械不但需要考慮不得與爐底鋼結構、管道等干涉，還需要考慮增加重量不得過多，因為爐底機械運動系統(tǒng)與負載狀況息息相關。

直接承載水梁的為上層框架，優(yōu)化改造上層（平移）框架實現(xiàn)水梁頂面的標高接近一致的方式較為容易。通過一系列的結構選取、建模、有限元計算，得出的方案是對加熱爐爐底機械上層框架兩側增加三角鋼板支架，沿步進方向大縱梁間增加H型鋼支撐。通過調節(jié)H型鋼支撐的截面規(guī)格，可改變安裝水梁加工面的位置狀況，從而解決鋼坯在爐底機械活動水梁上跑偏的問題。

3 結語

雙排布料步進式加熱爐的爐底鋼結構與爐底機械受力狀況與傳統(tǒng)的步進式加熱爐不同，需要考慮可能出現(xiàn)的鋼坯步進跑偏問題。本文主要闡述已建成的傳統(tǒng)步進加熱爐優(yōu)化改造成可雙排布料的加熱爐的一種方法，經改造后，加熱爐各項技術指標達到了雙排布料生產使用要求，可為后續(xù)新建和改造類似項目提供了可行的技術方案。

[1] 武文斐，陳偉鵬，劉中強，等.冶金加熱爐設計與實例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

（編輯：王瑾）