環(huán)形加熱爐的設(shè)計及耐材施工整體方案

　　環(huán)形加熱爐是一種技術(shù)成熟的連續(xù)式加熱爐型，廣泛用于軋管生產(chǎn)線，也常用于其他金屬制品如異形件的加熱和熱處理，如馬鋼集團車輪輪轂生產(chǎn)線的環(huán)形加熱爐、武漢鋼鐵(集團)公司鋼卷高溫退火環(huán)形加熱爐等。本文將重點介紹用于鋼管坯料高溫加熱的環(huán)形加熱爐設(shè)計。

　　（攀成鋼Φ177mm連軋管機組環(huán)形加熱爐）

　　1基本設(shè)計參數(shù)的確定

　　環(huán)形加熱爐的基本設(shè)計計算是根據(jù)軋鋼工藝提供的產(chǎn)品大綱、軋機最大產(chǎn)量和最快軋制節(jié)奏確定環(huán)形加熱爐的平均直徑、裝出料爐門夾角、坯料布料角、爐底寬度等。

　　以一項鋼管生產(chǎn)線的環(huán)形加熱爐工程為例，其生產(chǎn)線工藝參數(shù)要求如下：

　　管坯直徑190，215，270mm

　　管坯長度1500～4000mm

　　加熱能力最大80t/h，平均60t/h

　　出料頻率最大130根/h

　　入爐溫度室溫

　　最高出爐溫度1250～1280℃

　　管坯溫度均勻性要求±10℃

　　根據(jù)產(chǎn)品大綱和上述參數(shù)要求，計算環(huán)形加熱爐的主要設(shè)計參數(shù)如下：

　　平均直徑24m

　　爐底寬度4300mm

　　爐膛內(nèi)寬4700mm

　　裝出料爐門夾角14°

　　布料方式單排、雙排

　　布料角2°(可變)

　　2布料角的選取

　　環(huán)形加熱爐的設(shè)計是從布料設(shè)計開始的，布料角的選取實際就是設(shè)計環(huán)形加熱爐布料圖，布料圖要根據(jù)坯料規(guī)格、裝出料機夾鉗操作空間、爐內(nèi)管坯的加熱質(zhì)量和軋制生產(chǎn)線產(chǎn)量要求設(shè)計，通常有2種布料情況。

　　(1)爐底沒有布料槽或支架。在這種情況下，環(huán)形加熱爐的布料角通常要求滿足：

　　(360°-β)=(N-1)α(1)式中N——滿足工藝要求的爐內(nèi)料位數(shù)。

　　爐底沒有布料槽時，裝出料爐門夾角β不需要被布料角α整除，不會影響加熱爐的裝出料。

　　(2)爐底有布料槽或支架。這種情況要求裝出料的位置被鎖定，如車輪輪轂生產(chǎn)線上的環(huán)形加熱爐，爐底360°均有輪轂支架，選取的布料角除了要滿足式(1)外，還要求裝出料爐門夾角β能被布料角α整除，這樣才能完成爐底的一次完整回轉(zhuǎn)和裝出料過程。

　　以平均直徑24m環(huán)形加熱爐為例，該爐爐底沒有設(shè)計布料槽，選取布料角時主要從以下4個方面進行考慮：①各參數(shù)關(guān)系滿足式(1);②滿足工藝要求環(huán)形加熱爐達到的最大產(chǎn)量和出料頻率;③裝出料機夾鉗需要足夠的操作空間;④考慮雙排布料要求。

　　設(shè)計方案取裝出料爐門夾角14°，布料角2°，此時全爐布料174根。通過對產(chǎn)品大綱中各種規(guī)格管坯進行計算，采用該布料方案能夠滿足生產(chǎn)線對環(huán)形加熱爐的產(chǎn)量和出料頻率的要求，同時也符合裝出料機夾鉗夾料的操作空間要求，確定方案可行。

　　實際在環(huán)形加熱爐的調(diào)試和生產(chǎn)中，因環(huán)形加熱爐回轉(zhuǎn)爐底設(shè)備安裝有計數(shù)器，爐底轉(zhuǎn)動自動定位實現(xiàn)準(zhǔn)確裝出料的過程就是通過對爐底布料區(qū)域進行脈沖計數(shù)，一個料位對應(yīng)的脈沖數(shù)=總的脈沖數(shù)/(料位數(shù)-1)，用該值控制回轉(zhuǎn)爐底自動在裝出料位置準(zhǔn)確停位，從而實現(xiàn)自動裝出料過程。所以更準(zhǔn)確地說，環(huán)形加熱爐的布料角其實是一組脈沖數(shù)字，不必拘泥于角度的整除與否。當(dāng)環(huán)形加熱爐采用雙排布料生產(chǎn)或需要提高加熱管坯量時，完全可以通過修改程序改變布料數(shù)，來滿足實際生產(chǎn)需要。

　　3爐底砌筑結(jié)構(gòu)

　　對于管加工車間的環(huán)形加熱爐，爐底負荷大，爐底耐火材料溫度變化大。如果加熱制度、溫度制度或空燃比控制不好，管坯在高溫的氧化氣氛中會產(chǎn)生大量的氧化鐵皮，爐底工作環(huán)境會極其惡劣。

　　環(huán)形加熱爐爐底砌筑厚度一般為500～630mm，根據(jù)爐溫和坯料規(guī)格的不同而有所不同。目前關(guān)于爐底砌筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，各設(shè)計單位和用戶技改情況也有所不同。本設(shè)計采用非對稱爐底砌筑結(jié)構(gòu)如圖2所示，爐底表層特意選用耐高溫、熱穩(wěn)定性好的抗渣性耐火材料;靠近爐底鋼板的絕熱層選用耐壓強度高、絕熱性好的優(yōu)質(zhì)纖維板。使用情況證明，在烘爐和生產(chǎn)過程中，爐底鋼板溫度不到100℃，用戶單位維護人員對爐坑操作環(huán)境很滿意。

　　值得一提的是，該環(huán)形加熱爐使用8個月后，內(nèi)環(huán)局部的爐底表層澆注料出現(xiàn)了開裂拱起現(xiàn)象。用戶單位技術(shù)人員經(jīng)過對其他生產(chǎn)廠的幾座環(huán)形加熱爐考察后發(fā)現(xiàn)，使用一段時間后，在內(nèi)環(huán)或外環(huán)爐底表層澆注料開裂拱起的現(xiàn)象普遍存在。分析認為，這種現(xiàn)象與爐底的膨脹結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理有關(guān)，期待有新的爐底設(shè)計結(jié)構(gòu)，解決爐底耐火材料開裂拱起問題，提高爐底耐火材料的使用壽命。

　　4爐底與爐膛中心差值的選取

　　環(huán)形加熱爐升溫時，上層框架與耐火材料一起徑向膨脹。通常認為耐火材料砌筑時已預(yù)留了膨脹縫，此時爐底的膨脹量大小可以用上層框架受熱后的膨脹量來計算，膨脹值是環(huán)形加熱爐爐底與爐膛中心差值的設(shè)計依據(jù)。設(shè)計時，還要考慮爐底安裝誤差、爐底的橢圓度和理論值與實際值之間存在誤差等情況，對膨脹量的選取要略有富余。平均直徑24m環(huán)形加熱爐爐底鋼板溫度200℃和100℃時爐底與爐膛中心差值的選取計算見表1。

　　理想情況是環(huán)形加熱爐在高溫生產(chǎn)時，爐底中心與爐膛中心重合，這時內(nèi)、外環(huán)縫大小趨于相同。現(xiàn)場烘爐時，施工服務(wù)人員需不斷地觀察和記錄爐底中心位置的變化，當(dāng)達到最高爐溫時，測出爐底的實際膨脹量，并調(diào)整下層框架卡塊位置，將上層框架的最大膨脹位置鎖定，以保證內(nèi)、外環(huán)縫在實際生產(chǎn)時被確定下來。

　　5烘爐

　　環(huán)形加熱爐烘爐時需要轉(zhuǎn)動爐底，使?fàn)t底耐火材料和爐盤框架被均勻加熱。合理的烘爐設(shè)計方案對環(huán)形加熱爐砌筑結(jié)構(gòu)的烘烤效果和使用壽命至關(guān)重要。

　　如果烘爐時用天然氣作燃料，烘爐管比較細而且短，常規(guī)的烘爐方法是將幾段烘爐管架在內(nèi)、外環(huán)爐墻的凸臺上，烘爐時就不會影響爐底轉(zhuǎn)動。需要指出的是，有些設(shè)計將烘爐管布置在側(cè)墻燒嘴開孔上，筆者認為這種做法不可取。因為高溫時燒嘴的高溫火焰會直接沖刷爐頂，而此時的爐底溫度卻偏低，爐墻、爐頂、爐底耐火材料溫度很不均勻。

　　如果烘爐燃料是低熱值燃料，那么需要布置的烘爐管管徑大且管路長，采取高架烘爐管的方法就不再適用。這時有些生產(chǎn)廠推薦使用烘爐器烘爐。實踐表明，烘爐器集中在2～3個入口向爐內(nèi)供入高溫?zé)煔猓菀壮霈F(xiàn)局部耐火材料高溫開裂現(xiàn)象，烘爐效果并不十分理想。

　　本設(shè)計中環(huán)形加熱爐的烘爐燃料是5862kJ/m3的高焦混合煤氣。對多個方案進行對比之后確定，按以下方案烘爐：將烘爐管沿爐膛一周架在爐底上，開始烘爐時爐底不轉(zhuǎn)動;待爐溫升到400℃保溫一段時間后點燃燒嘴，待燒嘴燃燒穩(wěn)定后，關(guān)閉烘爐管線，開始轉(zhuǎn)動爐底。現(xiàn)場的烘爐過程非常順利，既沒有出現(xiàn)耐火材料剝落、爆裂現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)爐底卡阻情況。實踐證明，該方法經(jīng)濟簡便，烘爐效果很好，用戶非常滿意。

　　6結(jié)語

　　(1)環(huán)形加熱爐的布料角其實是一組脈沖數(shù)字，可以通過修改程序改變布料數(shù)來滿足實際生產(chǎn)需要。

　　(2)環(huán)形加熱爐使用一段時間后，普遍存在爐底表層澆注料開裂拱起的現(xiàn)象，這與爐底膨脹結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理有關(guān)。

　　(3)采用的新的烘爐方案經(jīng)濟簡便。經(jīng)實踐證明，烘爐效果良好。