從工廠設(shè)計(jì)角度談鍛造車間工業(yè)爐的布置

呂增印,田貴捷，遲晨陽

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 國際工程院，河南 鄭州 450007)

在工業(yè)生產(chǎn)中，利用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量或者將電能轉(zhuǎn)化成熱能，對工件或物料進(jìn)行加熱的設(shè)備，稱為工業(yè)爐[1]。工業(yè)爐普遍應(yīng)用于鍛造車間、熱處理車間、鑄造車間等熱工車間，是工業(yè)工程的重要裝備。熱工車間的工業(yè)爐布置設(shè)計(jì)是其他專業(yè)設(shè)計(jì)的前置性工作，也是熱工車間設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工作，將直接影響車間后續(xù)運(yùn)營的效率和成本。當(dāng)前，我國正處于供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、經(jīng)濟(jì)提質(zhì)升級的新發(fā)展階段，工業(yè)爐布置設(shè)計(jì)時充分考慮落實(shí)節(jié)能減排措施和營造舒適性工作環(huán)境的要求，不僅是鍛造企業(yè)的需要，也是工廠設(shè)計(jì)企業(yè)響應(yīng)國家號召、遵守相關(guān)法律法規(guī)的應(yīng)有之義。本文以鍛造車間為例，擬從系統(tǒng)化、宜人化、綠色化設(shè)計(jì)理念出發(fā)，詳細(xì)闡述工業(yè)爐布置需要綜合考慮的因素。

1 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

本文以工業(yè)爐布置方案作為研究對象，研究工業(yè)設(shè)計(jì)與各專業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)系，運(yùn)用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理念，提出工業(yè)爐與其關(guān)聯(lián)對象的合理化布置方案。

1.1 爐體與吊具的相關(guān)性

臺車式工業(yè)爐裝載量、裝載方式以及爐門開啟方式不同，其爐體高度可達(dá)4 m多，爐門開啟后高度可達(dá)5 m以上。如果工業(yè)爐布置不當(dāng)，將會導(dǎo)致爐門提升機(jī)構(gòu)與車間內(nèi)往復(fù)穿行的起重機(jī)吊具發(fā)生碰撞，造成爐體破損。工業(yè)爐爐體與起重機(jī)吊具的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工業(yè)爐爐體與起重機(jī)吊具的位置關(guān)系

若以C1表示主鉤到司機(jī)室對側(cè)(右側(cè)軌道中心線)的極限距離，C2表示副鉤到司機(jī)室對側(cè)的極限距離，C3表示工業(yè)爐爐門到起重機(jī)右側(cè)軌道的距離，則工業(yè)爐布置時必須同時滿足C3

C3<(C1，C2)min

(1)

在式(1)成立的前提下，C3取值還要綜合考慮其他有關(guān)因素。

1.2 爐體與鋼構(gòu)廠房柱子的相關(guān)性

(1) 工業(yè)爐爐內(nèi)溫度約1 300 ℃，爐口開啟時大量熱量將外溢。對于鋼構(gòu)廠房來說，受熱輻射作用，其柱子的溫度會升高。當(dāng)溫度超過100 ℃時，鋼材的強(qiáng)度、彈性模量會發(fā)生變化，將造成依靠預(yù)應(yīng)力工作構(gòu)件或連接件可靠性的降低，對鋼結(jié)構(gòu)帶來安全風(fēng)險[2]。因此，工業(yè)爐布置時，應(yīng)當(dāng)避免爐口正對且靠近柱子。工業(yè)爐爐口與鋼構(gòu)廠房柱子(簡稱鋼柱)的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 工業(yè)爐爐口與鋼構(gòu)廠房柱子的位置關(guān)系

若以C4表示工業(yè)爐爐口到鋼柱外壁的距離，B表示起重機(jī)軌道中心線到鋼柱外壁的距離(可為負(fù)值)；則有下列關(guān)系式：

C4=C3-B

(2)

在工業(yè)爐布置合理的情況下，C4>0。由式(1)和式(2)可推導(dǎo)出：

B

(3)

理論上，在工業(yè)爐爐口所處垂直平面與鋼柱外壁(朝向爐口側(cè)，下同)平行、爐門被提升且臺車不出爐的情況下，爐口對鋼柱外壁的熱輻射為零[3]。但大多數(shù)情況下，爐門被提升后臺車會出爐，臺車上熾熱的鋼件對鋼柱外壁要產(chǎn)生熱輻射。該輻射量的計(jì)算較復(fù)雜，本文不做贅述。為降低工業(yè)爐爐口開啟時鋼柱受到的熱輻射影響，經(jīng)驗(yàn)上，爐口到鋼柱外壁的距離不應(yīng)小于1 000 mm。

(2) 鋼構(gòu)廠房的柱距一般根據(jù)工藝物流要求、受力安全性、建造經(jīng)濟(jì)性等因素來確定。對自由鍛造車間而言，工業(yè)爐爐體寬度、布置方式既影響廠房柱距的確定又受柱距的制約。自由鍛造車間的柱距通常為6 m、9 m、12 m，可根據(jù)選定的工業(yè)爐規(guī)格，結(jié)合常規(guī)柱距先行擬定布置方案，然后由結(jié)構(gòu)專業(yè)綜合考慮各方面因素后確定其最終布置方案。

1.3 工業(yè)爐與廠房維護(hù)的相關(guān)性

工業(yè)爐爐口和裝出爐工作區(qū)域散發(fā)的熱量巨大，會通過輻射、對流等方式對廠房屋面產(chǎn)生強(qiáng)烈烤蝕作用。因此，熱工車間一般采用耐高溫、耐腐蝕的大型混凝土屋面板或發(fā)泡混凝土復(fù)合板作為屋頂維護(hù)材料。

1.4 工業(yè)爐與動力管線的相關(guān)性

(1) 工礦企業(yè)車間的起重機(jī)通常采用安全滑觸線[4]。該滑觸線的絕緣外套用具備較好韌性、耐磨性、阻燃性且抗老化的工程塑料制成，正常工作溫度在40 ℃左右。特殊的滑觸線具有耐腐蝕、耐磨損、耐重壓、耐高溫等特點(diǎn)。若條件許可，工程設(shè)計(jì)時要優(yōu)先采用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)方式，把安全滑觸線優(yōu)先布置到工業(yè)爐爐口的對面，與起重機(jī)駕駛室處于同側(cè)，以避免長期高溫烤蝕對滑觸線的破壞。

(2) 根據(jù)工藝要求，熱工車間的燃?xì)廨斔凸艿缿?yīng)設(shè)在爐體上方的專用吊架上，沿廠房柱子敷設(shè)到工業(yè)爐爐體的燃?xì)膺M(jìn)口。為保證安全，需要對燃?xì)夤艿肋M(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)。

2 宜人化設(shè)計(jì)

工廠設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵守“以人為本”的設(shè)計(jì)原則，充分考慮工人、設(shè)備和環(huán)境的協(xié)調(diào)性，采取必要的技術(shù)措施來改善作業(yè)環(huán)境、提高操作的舒適性。這里，工業(yè)爐的宜人化設(shè)計(jì)主要指通過設(shè)計(jì)，使工業(yè)爐與起重機(jī)駕駛室、壓機(jī)操作室處于相對合理的位置，以便于工人操作，生產(chǎn)安全得到保障。

2.1 爐體與起重機(jī)駕駛室的相對位置

在臺車式工業(yè)爐出爐后，起重機(jī)會用四爪吊鉗把約1 200 ℃的熾熱鋼件抓起并運(yùn)輸?shù)藉懺靿簷C(jī)型砧處。其整個運(yùn)輸過程主要由駕駛室內(nèi)的司機(jī)控制。工廠設(shè)計(jì)時應(yīng)合理確定工業(yè)爐和駕駛室的空間位置，以保證司機(jī)視野開闊，視線不受遮擋。工業(yè)爐與起重機(jī)駕駛室的相對位置應(yīng)保證吊鉗抓取和運(yùn)輸鋼件的全過程在司機(jī)視線范圍內(nèi)，以便司機(jī)能隨時調(diào)整控制動作，保證運(yùn)輸安全。

2.2 爐體與壓機(jī)操作室的相對位置

與地上式布置不同，對于液壓站全地下布置的鍛壓機(jī)組，其壓機(jī)操作室的設(shè)置更加靈活，應(yīng)優(yōu)先選用工業(yè)爐與壓機(jī)操作室斜對的布置方式，保證壓機(jī)操作人員可以隨時觀察鋼件運(yùn)輸、上砧狀態(tài)，提前做好預(yù)控操作。

3 綠色化設(shè)計(jì)

高效、節(jié)能、環(huán)保是綠色鍛造的具體體現(xiàn)。在鍛造生產(chǎn)過程中，應(yīng)最大限度地減少對環(huán)境的影響，高效利用原材料和配套能源，從而降低生產(chǎn)成本，減少污染，改善作業(yè)環(huán)境，提高工作安全性，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益得到協(xié)調(diào)和提升[5]。工業(yè)爐布置的綠色化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在縮短工業(yè)爐與壓機(jī)的距離以及集中布置工業(yè)爐兩方面。

3.1 縮短工業(yè)爐與壓機(jī)的距離

大型自由鍛造車間的工業(yè)爐按功能可分為加熱爐、熱處理爐，按照爐型可分為長爐、短爐。一般情況下，短爐負(fù)責(zé)鋼錠加熱，容量小，在頻繁開爐的情況下熱量損失較小；長爐負(fù)責(zé)多火鍛件加熱，容量大，在頻繁開爐的情況下熱量損失較大。鍛造車間的短爐(鋼錠加熱爐)出爐量(鋼件出爐數(shù)量)大，開爐頻次高，工業(yè)爐布置時應(yīng)當(dāng)優(yōu)先把短爐設(shè)于最靠近壓機(jī)的位置，縮短鋼錠運(yùn)輸時間，增加砧上鍛造時間，盡可能在鍛件達(dá)到終鍛溫度前進(jìn)行一火鍛造成形，以降低物流成本，減少燃料消耗和爐體損耗。

3.2 集中布置工業(yè)爐

鍛造車間加熱爐、熱處理爐的集中布置便于集中控制[6]和排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，工業(yè)爐的集中布置能夠?yàn)槎斡酂崂脛?chuàng)造條件。例如，陜西某石油機(jī)械公司對鍛造單元集中布置的23臺工業(yè)爐排放的高溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行回收利用，生產(chǎn)熱水，供涂裝設(shè)備生產(chǎn)用熱和全廠區(qū)域人員洗手及熱工單元職工淋浴等生活用熱。其所采集熱水溫度為95 ℃(最高達(dá)110 ℃)，熱水量為142 m3/h，回收熱量的功率達(dá)4 950 kW，生產(chǎn)熱水溫度為90 ℃，生活熱水溫度為60 ℃，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，社會效益良好。

4 結(jié)束語

鍛造車間工業(yè)爐布置是工廠設(shè)計(jì)的重要組成部分，應(yīng)當(dāng)全面貫徹系統(tǒng)化、宜人化、綠色化設(shè)計(jì)理念。本文通過分析工業(yè)爐與起重機(jī)吊具、廠房結(jié)構(gòu)、動力管線、起重機(jī)駕駛室、壓機(jī)及其操作室的相關(guān)性，提出了合理化建議及措施；同時，把工業(yè)爐煙氣余熱利用理念前置于工業(yè)爐布置方案中，對工業(yè)爐集中布置方式的實(shí)用性進(jìn)行了討論，認(rèn)為工業(yè)爐的集中布置有利于二次余熱利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。