帶輻射管式輥底熱處理爐安裝技術

舒 軍，張國忠，張鳳軍

在鋼材生產過程中，熱處理作為其后道加工處理，能夠從一定程度上提升鋼材的力學性能，使其可以直接作為零部件加工，省去下道工序的零件處理。尤其對于鋼鐵后道熱處理時，熱處理爐作為重要設備，相比軋鋼加熱爐來說能夠對爐內各個位置的溫度進行控制，使其能夠在不同方向保持均勻溫度，保證熱處理產品要求。本文結合目前常見的熱處理爐設計，從爐型、工藝、燃燒系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等主要方面進行介紹。帶氣氛要求的輻射管熱處理爐，輻射管的安裝方式有端部支撐和吊掛模式（采取輻射管配對安裝和長輻射管橫跨爐體布置的方式），在實際生產時利用兩種安裝方式進行熱處理爐輻射管布置，會出現(xiàn)輻射管失效問題。

1 熱處理爐的設備結構以及工藝

1.1 爐型機構造

熱處理爐可分為連續(xù)式及間歇式兩種，根據(jù)熱處理爐的加熱方式又分為輻射管加熱和明火加熱兩種方式。對于不同爐型在特厚板高溫回爐和其他熱處理時，一般采取的是間歇式加熱法，但對于步進梁式加熱爐在無法實現(xiàn)長板連續(xù)加熱出爐的情況下，一般采用的是連續(xù)式加熱爐。目前國內的大多數(shù)用于板、棒材熱處理的、且需要氣氛保護的，常見為間接加熱的輥底式熱處理爐。

明火加熱輥底熱處理爐生產過程中無法保證爐內無氧化環(huán)境，在具體加熱時很容易出現(xiàn)鋼材表面氧化，最終降低產品生產質量。企業(yè)結合生產需求，一般對產品表面有脫碳等質量要求的，此類生產設備一般采取惰性保護氣體（如氮氣）間接加熱，輻射管加熱輥底熱處理爐就是其中一種。輻射管間接加熱輥底式熱處理爐具體結構包含：爐子鋼結構、入口密封室、輻射管加熱器、爐內輥道、排煙系統(tǒng)、保護氣、壓縮空氣系統(tǒng)，爐子氣體以及燃氣及助燃空氣管道。基本涵蓋常規(guī)爐窯設計的設備組成，從傳動、燃燒、氣體、氣氛、控制系統(tǒng)等方面進行考慮。為了提升保護氣氛的效果，提升產品質量，此類爐型在安裝的時候，均需要做安裝保壓測試。多數(shù)保壓測試在半分鐘以內，爐壓在250pa情況下測試，在規(guī)定時間內，未超過壓力損失50%為佳。這對設計的要求、采購件的質量、制造的精度要求以及安裝質量的要求都有很高的規(guī)定。通常對于一些鋼管、銅盤條以及高要求脫碳性能要求的（如部分客戶要求理想狀態(tài)零脫碳）熱處理爐，設計時會考慮增加滲碳等技術，通過監(jiān)控爐內氧含量、水含量、二氧化碳含量等技術手段，控制鋼材在爐內熱處理過程中表面碳反應平衡，達到最大程度降低脫碳，實現(xiàn)客戶需求。

1.2 參數(shù)設置及流程分析

在鋼板生產過程中，其主要需經過一系列的加工流程，包括脫硫預處理，轉爐冶煉，精煉，板坯連鑄，再加熱，粗軋、精扎，冷卻，空冷，熱處理，探傷，入庫，發(fā)貨。針對熱處理爐在工藝參數(shù)設置時要求設置爐溫最高為980℃，爐鋼板的溫度應控制在150℃范圍內，能夠分別針對鋼板實現(xiàn)淬火、正火以及回火處理，其中采用950度正火處理和淬火處理時，要求爐溫應控制在780℃～950℃，采用650度高溫回火處理過程中，要求爐溫應達到650℃～670℃，采用250度低溫回火處理過程中，要求爐溫應達到260℃～280℃。對于棒材的熱處理，工藝選擇以及模式與鋼板熱處理爐類似，都是根據(jù)最終產品訂單需求，制定相應的工藝溫度。目前爐窯設備中，熱處理爐的控制模式比加熱爐在自動化方面要先進，在參數(shù)設定、燃燒控制、啟停爐的過程中，均能夠實現(xiàn)一鍵操作，且通過程序優(yōu)化，可實現(xiàn)自動能耗分析、設備管理分析及統(tǒng)計提醒等功能。

1.3 燃燒系統(tǒng)分析

帶輻射管輥底式熱處理設計時，在爐長方向上，將爐子按每段進行模塊化劃分，共劃分不同模塊，不同的模塊對應不同的工藝溫度。一般工藝曲線執(zhí)行升溫、保溫及降溫，爐長的設計結合工藝曲線溫度、載荷及速度。按照輥面標高，可將爐膛內部分為兩個溫度控制區(qū)，即上、下區(qū)，共含有數(shù)個溫度控制區(qū)，配置脈沖控制燃燒。在燃燒功率分配方面，按照工藝曲線配給，分為加熱區(qū)、保溫區(qū)和冷卻區(qū)。加熱區(qū)加熱功率占總加熱功率50%以上，保溫區(qū)及冷卻區(qū)基本上以補熱設計為主，更多承擔烘爐給熱。在每段燃燒控制過程中，各加熱元件的啟閉由控制器獨立運行，但各加熱元件的啟動有一定的時間間隔，這樣可以保證爐溫均勻性和用電、燃氣、空氣總管壓力的穩(wěn)定性。

加熱元件一般有電加熱和燃氣燒嘴兩種選擇。電加熱元件常見與溫度低、均勻性要求高的爐窯設備。目前常見的加熱元件一般采用燃氣燒嘴，燒嘴采用自身預熱式結構，在爐子的上下側對稱安裝，在爐子左右側交叉式布置，材質為CrNi合金耐高溫輻射管，在加熱時保證鋼材表面無氧化。目前常見的輻射管材質有1Cr18Ni9、Cr25Ni20、Cr25Ni35、Cr28Ni48W5等材質，對于溫度超過950℃以上的，可考慮碳化硅材質輻射管。但對于目前國內常見的用于板、棒、線材熱處理爐窯設備，CrNi合金材質的均可作為設計時考慮。

配套的自身預熱式燒嘴，燃燒時氣體可經噴嘴直接流出，通過換熱翅片最終氣體溫度達500℃以上，與空氣混合后能夠在陶瓷管中形成氣體燃燒區(qū)并完成燃燒過程。針對陶瓷內管其能夠隔離廢氣流出和燃燒區(qū)域，進而避免燃燒火焰直接沖刷輻射管內部，能夠使燃燒區(qū)域的熱量均勻分布，進而確保燃熱處理爐內溫度均勻，使輻射管能夠實現(xiàn)受熱均勻，防止受熱不均導致輻射管出現(xiàn)管道變形問題。在燃燒時會產生大量的高溫廢氣，在回流氣體過程中可經換熱翅片對空氣進行預熱，進而達到節(jié)能降耗效果，經廢氣出口將廢氣流出。燒嘴開閉是通過燃燒控制器進行單獨控制的，通過各區(qū)熱量需求，實行脈沖燃燒控制。以上同時配置相應助燃風機、廢棄風機及煙囪，形成整個燃燒系統(tǒng)。燒嘴控制可采用ON-OFF模式進行，通過控制各個燒嘴在一個周期內的通-斷時間或循環(huán)選擇燒嘴開啟數(shù)量控制爐子熱負荷的供給率，達到爐溫控制的目的。單個燒嘴將通過打開燃氣和助燃空氣閥門以及通電點火電極來點火，點燃以后，火焰將通過點火電極的電離測量裝置來監(jiān)測。

1.4 傳動系統(tǒng)

在熱處理爐中，爐輥設計有兩種：帶水冷耐熱爐輥和無水冷耐熱爐輥。設計采用帶水冷耐熱爐輥，多數(shù)因為載荷和成本因素考慮；但易導致鋼材表面出現(xiàn)黑印等缺陷，同時對設備維修要求較高。目前連續(xù)式的熱處理爐常見的多采用無水冷耐熱爐輥，材質多為3Cr24Ni7SiN、Cr25Ni20、Cr28Ni48W5等，爐輥間距根據(jù)產品規(guī)格和載荷進行選擇。控制方式有單輥變頻方式實現(xiàn)傳動，也有集中鏈式傳動控制。無水冷耐熱爐輥爐設計時輥身為空腹、端部一般為錐形，并填充耐火材料，保證輥底與爐墻密封。在輥頭與爐墻位置設置密封耐材，防止氣體從爐內溢出，也起保溫作用。輥頭與輥身之間須有臺階（類似擋環(huán)），起到鋼材運行中導向作用。爐輥一端固定在爐體鋼結構上（稱為驅動側），另一側為非驅動側，一般稱為自由式，可進行熱膨脹吸收，節(jié)約成本。傳動設計時根據(jù)爐長，考慮分區(qū)、分段，一組電機驅動控制一段鏈式集中傳動。區(qū)段之間需重點考慮速度均勻性，避免出現(xiàn)跳齒、卡頓現(xiàn)象。此類傳動方式重點考慮安裝時的跑偏問題，不管爐長多長，在爐長方向上，離爐子中心線跑偏量不能超過20mm，一般控制在10mm～20mm以內，控制在10mm以內為更佳；這類要求對于施工安裝過程要求很高，當然爐輥制造精度是前提。

1.5 控制系統(tǒng)

電氣設備及控制系統(tǒng)設計以先進、經濟、實用、可靠、安全為原則，以滿足工藝設備自動運行和操作維護的要求，確保生產產品的質量、技術經濟和環(huán)保指標，使自動控制達到目前國內水平。此類爐窯設計電氣控制系統(tǒng)一般涵蓋傳動系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、保護氣系統(tǒng)、風機系統(tǒng)以及閥站等。系統(tǒng)一般設計可由一套西門子公司的S7-1500（PLC）可編程控制器、1臺工業(yè)控制計算機組成系統(tǒng)。其具體涉及數(shù)字交流變頻傳動系統(tǒng)、基礎自動化系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)。其中自動控制系統(tǒng)采用以太網，能夠實現(xiàn)HMI與PLC的通訊。目前隨著工業(yè)智能的提升，對控制系統(tǒng)的運維也提出了新的要求?！肮I(yè)爐遠程服務系統(tǒng)”將工業(yè)爐設備的操作、維護、管理從過去的固定設備、固定地點、固定人員，擴展到任何網絡覆蓋地域場所、所有被授權人員、各類可上網設備。系統(tǒng)一般配設一套一定容量的不間斷電源UPS，保證區(qū)域內的設備及控制系統(tǒng)正常運行、日常的檢修和維護。通過“工業(yè)爐遠程服務系統(tǒng)”可以在遠離設備地點實時顯示、監(jiān)控、操做、維護目標設備，還可下載、存儲、分析、優(yōu)化目標設備的運行參數(shù)。這一系統(tǒng)的應用，大大簡便了工業(yè)爐設備的調試、生產管理、維護保養(yǎng)，提高了設備生產效率。

2 熱處理爐輻射管的失效分析

對于輻射式加熱的輥底式熱處理爐，輻射管的安裝方式一般依據(jù)爐膛截面寬度進行選擇設計，最常見的為端部支撐模式和吊掛模式。端部支撐常見于爐膛截面寬度在≤2000mm以下的、采用直型輻射管的熱處理爐，比如常見的棒材輥底式熱處理爐，目前國內設計的棒材熱處理爐比較常見。吊掛模式常見于鋼板式熱處理爐，其生產的鋼板規(guī)格一般在3000mm以上的寬度，爐膛截面寬度大，常見的為單根輻射管吊掛、兩根輻射管配對吊掛等。另有一些采用U型模式的輻射管，其安裝方式一般也采有吊掛模式。具體設計時，可根據(jù)客戶需求，進行選擇，但原則方面需考慮長期高溫情況下，輻射管受熱變形受力點等力學問題，需保證設備長期穩(wěn)定運行，降低因設計帶來的后期維護的提升。

2.1 端部支撐模式輻射管運行分析

端部支撐安裝輻射管，其一端固定在爐體鋼結構上，另一端支撐在爐內側墻耐材上，通過安裝調平，輻射管處于水平穩(wěn)定狀態(tài)。爐墻支撐側留有足夠的空間，以保證輻射管膨脹變形余量。燒嘴在燃燒過程中，輻射管會沿水平方向出現(xiàn)受熱膨脹。輻射管一端固定與爐體鋼結構上，另一端支撐在側墻耐材上自由膨脹。這種安裝方式，輻射管長度一般不會太長，輻射管自身的強度，在熱處理工藝溫度下可以有效抵抗輻射管的彎曲變形。但變形程度與長期工作時間有一定的關系。輻射管長期處于高溫狀態(tài)下，處于輻射管中部區(qū)域易彎曲變形，變形方向沿重力方向有下沉趨勢。一般生產企業(yè)，為追求生產效率最大化，經常都是設備出現(xiàn)問題或者產品性能不達標（主要為脫碳指標），被迫接受停產檢修。此類設備維護管理思路只會增加企業(yè)實際運行成本，不科學也不可取。

在生產過程中，企業(yè)應最大限度降低成本，通常要采用預防性檢維修方式，降低彎曲對輻射管的影響，做到事前預防、事后有預案維修。在現(xiàn)場使用中，客戶可通過定修，旋轉輻射管180°，通過后續(xù)使用中重力影響下，熱彎曲矯正，以達到降低彎曲變形量，滿足使用要求。旋轉周期，可根據(jù)生產實際情況進行操作，一般實際在3個月～6個月，企業(yè)應結合實際生產情況選擇。在實際操作中，由于旋轉輻射管是在爐外用力，旋轉輻射管，輻射管支撐在側墻上的根部會對耐材在旋轉方向上受力，對支撐附近的耐材有局部損壞，需要檢修時特別注意。檢修人員可部分人員進爐，在旋轉時里外人員配合選擇，同時在檢修旋轉操作時，檢修人員用力要均勻，盡量控制輻射管旋轉過程中在水平方位波動量小，減少對側墻耐材的損壞，最大限度降低對爐內耐材的影響。設計方面可以在設計之初加強耐材局部固定、耐磨等方式緩解。

2.2 吊掛模式輻射管運行分析

吊掛模式安裝上部供熱輻射管，對于長的輻射管要求中間也有吊掛件接觸，穩(wěn)定輻射管。在輻射管尾部位置以及吊掛件尾部位置要求兩者間保持一定間隙，以保證輻射管受熱膨脹變形余量。燒嘴供熱時，輻射管及吊掛件會出現(xiàn)受熱膨脹，在水平方向上輻射管產生膨脹變形，在垂直方向上吊掛件出現(xiàn)膨脹變形，如果沒有合理安裝吊掛件及吊掛件安裝位置較低，其他吊掛件安裝位置較高，當?shù)鯍旒c輻射管產生受熱膨脹后，此時，與輻射管端部近的吊掛件與輻射管脫離，其余吊掛件與輻射管頭部接觸較為緊密，僅次于吊掛件與輻射管頭部的接觸，使輻射管處于懸空狀態(tài)，長時間使用，在重力作用下處于懸空狀態(tài)的輻射管會存在下沉趨勢，高溫狀態(tài)下，趨勢更為明顯；同時由于受頭部吊掛影響，使輻射管頭部彎曲變形量較大，吊掛件及輻射管受力變形。

由于受溫度因素變化，在降溫時會加大輻射管和吊掛件變形，在冷卻時吊掛件會垂直向上收縮，導致輻射管水平收縮，靠近輻射管頭部的吊掛件能夠托起輻射管，導致頭部位置產生較大變形。與端部較近的吊掛件與輻射管尾部出現(xiàn)分離，這種情況下吊掛件易使輻射管出現(xiàn)懸空狀態(tài)，吊掛件對輻射管存在向上的拉力，在受拉力和自重影響下會加大輻射管變形，變形后由于輻射管逐漸向內管進行擠壓，長時間會導致內管破碎，內管破碎。內管破碎后，火焰和廢氣會直接加熱輻射管，不僅影響加熱效果，同時還會嚴重破壞輻射管結構綜合分析。

對于兩根輻射管同一水平位置安裝，配對采用是由一個吊掛懸吊方式。受熱后長、短輻射管會沿著水平方向產生受熱膨脹，使輻射管出現(xiàn)水平膨脹。在體積膨脹時輻射管頭部與吊掛件摩擦力增加，這種摩擦力會使吊掛件沿著膨脹方向產生作用力，使其受力變形，同時輻射管頭部變形嚴重，輻射管頭部與吊掛件處于搭接狀態(tài)，其易于從吊掛件中脫落。在熱處理爐降溫過程中，輻射管與吊掛件受溫度變化影響，容易變形，在冷卻時吊掛件和輻射管分別產生垂直向上和水平方向收縮，導致原來與吊掛搭接的臨界點中輻射管脫落，尤其對于長輻射管來說這種現(xiàn)象較為明顯。在處于高溫條件下，脫落后的輻射管由于自身重力影響，會使輻射管變形嚴重，不斷擠壓內管使其產生破損。火焰和輻射管直接接觸導致其變形更加嚴重。綜合來看，吊掛模式安裝輻射管，配對安裝和單根吊掛安裝，均存在受環(huán)境溫度變化而產生輻射管、吊掛件的膨脹收縮帶來的失效問題。

所以在采用吊掛模式安裝輻射管時，設計時因充分考慮輻射管、吊掛件的收縮膨脹問題，主要關注輻射管與吊掛件布置設計以及安裝施工質量、爐溫控制、吊掛件強度等。在吊掛件輻射管安裝過程中，需嚴格按照圖紙要求，進行位置尺寸設計，否則在吊掛件和輻射管受熱后，很容易產生結構變形，進而使輻射管處于不合理狀態(tài)。在控制爐溫熱處理爐升溫降溫時，應當按照有關規(guī)定嚴格操作，防止出現(xiàn)急冷或急熱問題，使用半年的輻射管需進行180°旋轉，以防長時間累積輕微變形，可在吊掛件材質上或結構上增加抗變形措施，以提升吊掛螺桿使用強度，可適當增加吊掛件下方的托板面積，進而對輻射管水平縮脹提供余地，防止輻射管從吊掛件中脫落。

3 小結

總之，在本研究中針對帶輻射管加熱輥底式熱處理爐，主要從技術、設計、安裝、經濟角度出發(fā)；同時，利用計算機軟件，對熱處理過程實現(xiàn)智能化控制。此外，重點針對熱處理爐輻射管失效影響因素中，安裝、施工質量以及吊掛件與輻射管布置設計對其影響較大，因此，在進行熱處理爐輻射管安裝過程中，需按照圖紙要求進行安裝，且實際時需充分考慮維修工作量等企業(yè)運行的現(xiàn)實問題。