31#天然氣臺(tái)車式熱處理爐改造方案研究

唐雪平

（中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司）

0 引言

某廠31#原臺(tái)車式天然氣熱處理爐（工作尺寸：3.8m×1.5m），因使用年限長(zhǎng)（已使用30多年），爐溫均勻性差，達(dá)到了±50多℃，天然氣消耗大，浪費(fèi)能源，已不能滿足產(chǎn)品精度高的要求，為此，我們按AMS2750F標(biāo)準(zhǔn)，把31#臺(tái)車式天然氣熱處理爐為高精度的臺(tái)車熱處理電爐并可自動(dòng)降溫冷卻。

1 改造后主要技術(shù)參數(shù)

常用工作溫度：500～1100℃；

額定加熱功率：800kW；

加熱區(qū)段數(shù)：3區(qū)；

有效工作區(qū)尺寸：4200×2200×1500；

空爐升溫時(shí)間：≤2.5h；

爐冷降溫速率：≥90℃/h；

爐溫均勻性：≤±5℃；

溫度控制方式：PID調(diào)功；

控溫精度：±1℃；

系統(tǒng)精度：≤±1.7℃（或讀數(shù)的±0.3%）；

爐門提升速度：12m/min（從密封到爐門開啟完成最高處＜10s；

臺(tái)車行走速度：16m/min(變頻調(diào)節(jié))。

2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本爐由爐殼、爐襯、加熱器、爐門及升降、氣動(dòng)壓緊密封機(jī)構(gòu)、強(qiáng)風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)、自動(dòng)降溫冷卻系統(tǒng)、臺(tái)車及溫度控制系統(tǒng)組成。

（1）爐殼

采用Q235大規(guī)格的矩管、型鋼和5～16mm鋼板焊接制作殼體，矩管、型鋼制作骨架，外殼板彎折強(qiáng)化后內(nèi)嵌入型鋼骨架內(nèi)并與其表面平齊焊接。爐面板厚度18mm以上，并設(shè)有膨脹縫，其內(nèi)設(shè)有型鋼加強(qiáng)筋，保證整體有足夠的剛度和熱強(qiáng)性以及外表美觀性。

（2）爐襯

因使用溫度高，為保證其高溫強(qiáng)度，其墻體耐火層采用含鋯耐火纖維折疊模塊、專門的耐熱鋼錨固件錨固于內(nèi)壁型鋼架上，耐火層后錯(cuò)縫層鋪耐火纖維針刺毯、纖維氈絕熱保溫。耐火層厚度300mm，利于加熱器的掛置，爐襯總厚度400mm以上，長(zhǎng)期使用不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、傾突、坍塌現(xiàn)象，且絕熱保溫性能良好，外殼溫升≤40℃，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

爐口兩側(cè)易受碰撞，采用莫來(lái)石鋼纖維高強(qiáng)耐磨低水泥澆注料澆注成型，以保證其強(qiáng)度。防止臺(tái)車進(jìn)出，工件不慎撞擊而損壞。

墻體耐火層內(nèi)，預(yù)置高鋁陶瓷螺釘掛件，以吊置加熱元件。波紋狀電阻帶兩端均設(shè)有掛件，并均設(shè)置有擋墊。加熱元件不會(huì)出現(xiàn)脫落移位相互接觸短路現(xiàn)象。掛件為高鋁質(zhì)陶瓷螺釘，直徑Φ20mm，有足夠高溫強(qiáng)度。

爐體按溫區(qū)設(shè)有控溫?zé)崤技柏?fù)載熱偶插入孔，控溫?zé)崤伎着?0mm內(nèi)各設(shè)有系統(tǒng)精度校驗(yàn)熱偶插入孔。

爐溫均勻性測(cè)試熱偶的導(dǎo)入孔是在臺(tái)車前端砌體上左右側(cè)預(yù)留兩個(gè)溝槽，溝槽鑲嵌有硬質(zhì)纖維塊，與砌體平齊，需測(cè)溫時(shí)取下纖維塊，熱偶由此導(dǎo)入。

（3）加熱器

加熱器不等功率分布，是保證爐溫均勻性的重要因素之一。

爐口部位溫度較爐膛偏低，除了加強(qiáng)爐門的熱密封之外，加熱器功率分配也極具影響作用。另外臺(tái)車車體磚體結(jié)構(gòu)必須有一定的改進(jìn)，讓爐底加熱器散發(fā)的熱能不被爐底板完全屏蔽，而合理輻射出來(lái)，這樣不僅改善了爐底加熱器的工作環(huán)境，而且還有效地改善了爐底溫場(chǎng)均勻分布狀態(tài)。

加熱器選用高溫性能優(yōu)良的0Cr27Al7MO2高溫合金帶，繞制成波紋狀，分三區(qū)不等功率布置于爐膛兩側(cè)墻、爐門及臺(tái)車上。

側(cè)墻、爐門加熱器分層吊置于纖維折疊模塊墻體內(nèi)高鋁陶瓷螺釘掛件上，設(shè)有高鋁擋塊固牢，電阻帶波紋兩端均固置于掛件上，不會(huì)出現(xiàn)脫離、松動(dòng)；受熱膨脹也能自由伸長(zhǎng)；兩波紋間留下有足夠間距，相互間不會(huì)出現(xiàn)接觸而造成短路。臺(tái)車加熱器置放于高鋁磚凹槽內(nèi)，小鉤固定，臺(tái)車加熱器電源輸入方式采用臺(tái)車動(dòng)靜觸頭連接方式傳導(dǎo)，臺(tái)車進(jìn)入爐內(nèi)預(yù)定位置后，臺(tái)車動(dòng)觸頭在臺(tái)車驅(qū)動(dòng)機(jī)械力作用下，壓緊爐體上相對(duì)位置定觸頭，接通臺(tái)車加熱器電源。

采用波紋狀電阻帶吊置于墻體內(nèi)高鋁陶瓷螺釘上，結(jié)構(gòu)較采用螺紋狀電阻絲，減少相互間屏蔽，利于熱量傳遞，提高了加熱器使用壽命。

（4）爐門及升降機(jī)構(gòu)

爐門殼體采用Q235型鋼和板材組焊接制作，保證其強(qiáng)度。其殼體下部底板及內(nèi)法蘭采用SUS304耐熱鋼板制作，以提高高溫強(qiáng)度，避免爐門開啟后受高溫輻射變形而關(guān)閉不嚴(yán)造成熱量散失及影響爐溫均勻性。

爐門內(nèi)襯砌體與爐膛墻體相同：采用含鋯耐火纖維折疊模塊錨固砌筑為耐火層，其后錯(cuò)縫粘結(jié)層鋪耐火纖維毯為保溫層，均用耐熱鋼錨固件錨固在殼體內(nèi)層鋼結(jié)構(gòu)架上，使其成為一個(gè)整體，長(zhǎng)期使用不會(huì)出現(xiàn)傾突、坍塌現(xiàn)象。爐門厚度420mm。

爐門加熱器安裝方式與爐墻加熱器安裝方式相同，但內(nèi)凹一定深度，以避免加熱器受熱膨脹不慎突出爐門平面而造成損壞。

爐門升降采用電機(jī)、減速機(jī)、鏈輪、套筒滾子鏈傳動(dòng)方式，安裝于爐門龍門架上。其設(shè)計(jì)升降速度約12m/min，保證其上升速度從破密封到提升至爐口完全開啟最高速度＜10s，并配備了適當(dāng)配重，使?fàn)t門能快速平穩(wěn)上升或關(guān)閉。

爐門控制設(shè)有安全邏輯保護(hù)電路；爐門關(guān)閉并氣動(dòng)壓緊到位，電爐可開始通電加熱；爐門開始開啟，自動(dòng)切斷加熱器電源；爐門上升到位，臺(tái)車方可進(jìn)出；臺(tái)車未進(jìn)到位，爐門不能關(guān)閉。爐門啟閉、臺(tái)車進(jìn)出所有動(dòng)作均相互連鎖，其動(dòng)作穩(wěn)定安全可靠。

（5）強(qiáng)風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)

因爐膛尺寸較大，為確保本型爐在較大溫度范圍內(nèi)，特別是較低溫度段長(zhǎng)期使用的爐溫均勻性，負(fù)載加熱過程工件均勻受熱，不出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，在本型爐爐頂安裝有6臺(tái)較大功率爐用循環(huán)風(fēng)機(jī)，對(duì)爐內(nèi)氣流進(jìn)行強(qiáng)力攪拌循環(huán)，以使?fàn)t內(nèi)溫度均勻。

風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量風(fēng)壓，高溫時(shí)低速運(yùn)行，以適應(yīng)不同溫度熱風(fēng)密度變化及傳熱方式要求，保證爐溫均勻的同時(shí)提高其使用壽命。

（6）臺(tái)車、臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)及爐底板

臺(tái)車為自行走式。電機(jī)、減速機(jī)、雙排滾子鏈傳動(dòng)組成牽引機(jī)構(gòu)，安裝于臺(tái)車前端箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊。經(jīng)牽引機(jī)構(gòu)牽引臺(tái)車多對(duì)走輪行走于地面軌道上，運(yùn)行平穩(wěn)。并設(shè)有行程限位裝置，行程準(zhǔn)確可靠。牽引機(jī)構(gòu)及走輪處于爐外空氣中，不會(huì)受熱變形。

車體上有Cr25Ni20Si2材質(zhì)耐熱鋼爐底板，覆蓋在加熱器之上，以承載工件。

臺(tái)車加熱器的動(dòng)力配電是靠彈性動(dòng)靜導(dǎo)電銅觸頭壓緊而實(shí)現(xiàn)的，彈性動(dòng)觸頭固定在臺(tái)車后端，爐底加熱器的導(dǎo)線與各觸頭連接固牢，隨車移動(dòng)。

爐體下部耐火纖維砌體上設(shè)有兩道凹槽，臺(tái)車兩側(cè)和后部砌筑有與凹槽相對(duì)應(yīng)的專門定制的帶有兩道凸臺(tái)的高鋁質(zhì)重質(zhì)磚。當(dāng)臺(tái)車駛?cè)霠t內(nèi)后，臺(tái)車雙道凸臺(tái)嵌入爐體耐火纖維凹槽內(nèi)，形成雙道插榫嵌入式迷宮式密封，有效防止熱量散失，密封穩(wěn)定可靠。

（7）降溫冷卻系統(tǒng)

由進(jìn)風(fēng)裝置、排風(fēng)裝置、高溫引風(fēng)機(jī)及相應(yīng)水冷管道組成。在控制系統(tǒng)控制下，按設(shè)定程序自動(dòng)控制爐溫降溫速度。

進(jìn)風(fēng)裝置由離心通風(fēng)機(jī)、電動(dòng)閘閥等組成，安裝于爐后。將冷空氣由爐體下部?jī)蓚?cè)設(shè)置的進(jìn)風(fēng)口送入爐內(nèi)，不直接吹向工件。

排風(fēng)裝置由安裝于爐頂后部的出風(fēng)口、電動(dòng)閘閥組成。

需降溫冷卻時(shí)，按設(shè)定程序進(jìn)風(fēng)裝置通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)排氣口電動(dòng)閘閥及高溫引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，冷空氣從爐體兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入爐內(nèi)，在循環(huán)風(fēng)機(jī)作用下與熱空氣混合，經(jīng)引風(fēng)機(jī)從排風(fēng)口排出經(jīng)水冷管道后匯入排氣管經(jīng)爐后地下煙道（原天然氣爐地下煙道）排出車間外。

（8）溫度控制系統(tǒng)

本型爐爐溫控制為三溫區(qū)控制，采用晶閘管PID連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，電壓周波過零觸發(fā)控制方式。其儀表配置按AMS2750F標(biāo)準(zhǔn)D類配置。每區(qū)三表三偶獨(dú)立控制方式。即各溫區(qū)各設(shè)一臺(tái)高精度智能數(shù)顯溫度儀和熱電偶控制爐內(nèi)溫度，各設(shè)一臺(tái)數(shù)顯溫度儀和熱電偶監(jiān)測(cè)爐內(nèi)溫度并超溫報(bào)警，共設(shè)一臺(tái)記錄儀和各區(qū)各配一支熱電偶記錄爐內(nèi)溫度。系統(tǒng)控制精度±1℃，系統(tǒng)精度≤±1.7℃。

1) 控溫儀選用歐陸3504型智能數(shù)顯控溫儀，具有PID參數(shù)自整定功能。儀表精度0.1級(jí)。

2) 記錄儀選用日本千野AH4700型混合電子記錄儀，儀表精度0.1級(jí)。

3) 報(bào)警儀選用日本島電SR23數(shù)顯溫度儀，儀表精度0.1級(jí)。

4) 主回路：加熱主回路調(diào)功執(zhí)行元件選用國(guó)內(nèi)品牌英杰電氣三相調(diào)功一體化智能電力調(diào)整器，選用功率大于額定功率1.5倍，其元件耐壓1800V，選用的周波過零觸發(fā)器具有的優(yōu)點(diǎn)：① 采用了光電隔離“燒不壞”技術(shù)，可靠性高，對(duì)輸入端干擾小。② 電源反饋延遲時(shí)間可調(diào)的軟啟動(dòng)/軟停止功能。

5) 安全保護(hù)系統(tǒng)：① 設(shè)置了超溫過載、過流、欠壓、短路、缺相、熱偶斷電等保護(hù)及聲光報(bào)警功能。② 設(shè)有安全邏輯保護(hù)系統(tǒng)：爐門開啟自動(dòng)切斷主回路電源；電爐超溫，自動(dòng)切斷主回路電源；循環(huán)風(fēng)機(jī)無(wú)冷卻水，風(fēng)機(jī)不能啟動(dòng)，加熱器不能加熱；臺(tái)車未進(jìn)到位，爐門未關(guān)閉到位，不能接通主回路電源。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過改造后，達(dá)到了技術(shù)要求，解決了某廠高精度產(chǎn)品的瓶頸。