现代化步进梁式加热炉水梁的设计和结构

加热设备 工业加热 第34卷2005年第1期 现代化步进梁式加热炉水梁的和结构 张文学 (无锡龙山科技有限公司，江苏 无锡 214000) 摘要：着重介绍了现代化步进梁式加热炉的关键部件——步进梁的结构和设计原则，步进梁纵梁，固定梁纵梁，步进梁和固定梁立 柱的计算方法，现代化步进炉水梁的最新发展。 关键词：步进梁式炉；结构；设计 中图分类号：TG307 文献标识码：A 文章编号：1 002—1 639(2005)0 1—0028—03 The Design Principle and Structures of Water cooling Beam for Modern Walking Beam Heating Furnace ZHANG Wen—xue (Wuxi Longshan Technology Co．Ltd．，Wuxi 2 14000，China) Abstract：The article introduced the key parts ofmodern walking beam heating ace——一the structures and design ptinc~le about walking beam．Th e calculating me~od of walking longitudinal beam and fixed longitudinal beam，walking uptight beam and fixed uptight beam ． Newly developments ofwater cooling beam ofmodern walking beam heating furnace． Key words：walking beam furnace；structure；design 1 前 言 现代化步进梁式加热炉水梁的设计和结构，对于步 进炉的设计来说，至关重要。它不仅关系着炉子的能耗、 坯料的断面温差、产品的加热质量、炉子的使用寿命等， 更重要的是它关系着步进炉设计成败的大问题。 本文就现代化步进梁式加热炉水梁的设计和水梁的 结构作一粗浅探讨。 2 步进炉水梁的布置 2．1 水梁的数量和布置 影响水梁数量和布置的主要因数有： (1)钢坯的长度 (如单、双排料)和钢坯的断面； (2)钢坯加热温度； (3)要求钢坯在炉子高温区水梁上的最长停留时间； (4)水梁的结构和水梁的断面模数； (5)被加热的钢种； (6)炉子下加热烧嘴的能力、烧嘴的数量和布置； (7)装出料设备的结构形式和布置方式⋯； (8)对错位梁的要求 (如固定梁、动梁或动、固梁 同时错位)； (9)一段梁还是二段梁； (10)悬臂长度和跨度因素。 总之，水梁的数目和布置在满足钢坯在炉内顺利运行的 前提下，应尽量减少数量，尤其是减少动梁及其立柱的 数量。 收稻日期：2004—11·12；修回日期：2004—12—14 ● 作者简介：张文学(1943一 )，男，教授级高级工程师，国家级有 突出贡献的专家，长期从事工业炉窑、燃烧器、烧结点 火器和煤气放散塔的设计和研究． 28 2．2 水梁的悬臂长度和跨度 由于炉内钢坯70％~-80％的时间是支撑在固定梁上， 所以坯料在水梁上的悬臂长度和跨度主要按固定梁考虑。 坯料在炉内移送过程中允许的最大下弯量(塔头)≤75 toni， 最大下弯量与坯料的厚度、材质、炉温、炉内停留时间 等因素有关。 当出钢温度为 1 250℃时，钢坯悬臂系数和跨度系数 可按表 1选用： 表 1 钢坯悬臂系数和跨度系数参考表 L1一K1／so· ；L2一K1／sO～；K1为悬臂系数； 为 跨度系数；L1为钢坯悬臂长度，m； 2为钢坯跨度，m； 为钢坯厚度，ITI。 钢坯在水梁上的最小悬臂为200 mnl，一般取 200～ 350 ram。主要考虑了如下因素： (1)钢坯定位误差4-50mm； (2)步进机械横向跑偏误差4-50 rnnl，(步进粱的横 向跑偏量一步进炉有效长度÷l 000)； (3)钢坯在炉内的膨胀量。 钢坯在炉内的膨胀量=钢坯长度(m)×钢坯的膨胀系 数×钢坯的温度÷2，如 12 m的钢坯，在 1 150℃时，其 膨胀量为 82．8 mnl。 对于一个有效长为30m炉子，被加热的坯料长 12m， 出钢温度为1 150℃的步进炉来说，其钢坯最小悬臂长度为： 维普资讯 http://www.cqvip.com 加热设备 工业加热 第34卷2005年第1期 钢坯定位误差+50ITIITI+横向跑偏误差4-30nll'n+钢 坯在炉内的膨胀量82．8 B'IlTI~162．8 mm。 考虑坯料端头不会脱轨，还要留有一定的余地，因 此，钢坯在水梁上的最小悬臂为200 mm。 固定梁与活动梁的中心距一般≥600。如果再小就会 阻挡从炉子下部传到坯料下表面的热量，使固定梁和动 梁之间的下表面加热不允分，加剧了坯料与梁接触部分 的黑印。 悬臂坯料的端头到相邻动梁的最小距离也需要限制， 目的是要防止坯料下弯碰坏提升起来的动梁的耐火， 此最小距离等于坯料的热膨胀量加上定位误差加上步进 机械的跑偏量加上动梁的一半宽度。 依照上述各项条件，同时考虑错位梁的形式，作出 固定梁、动梁的根数和配置、布料图，在满足所有 坯料装入条件的前提下，梁的根数越少越好。 对于线棒材加热炉，可采用坯料一侧对齐或炉子中 心线对称布料方式。对板坯加热炉来说，可采用中心对 称布料或二侧交错对齐布料为宜。 2．3 错位梁 步进式加热炉采用加热段与均热段纵梁水管滑道位 置错开布置，可大大减少坯料加热段带来的黑印。也就 是说，水梁错开后，在均热段还来不及形成的黑印，坯 料已出炉了。而原来从加热段带来的水管黑印经梁错位 后便逐渐消失。 据 DANIELI专家介绍，采用错位梁后给坯料带来的 温差比直线梁坯料温差少 15～20℃。 日本中外炉专家对此也作过研究，采用错位梁后坯 料黑印所造成的温差是23℃，而直线梁、坯料黑印所造 成的温差是 42℃ (对坯料厚度为 250 mm，对应于水冷 管中心线并距下表面25 mm处点的温度与下表面处点的 温度之差)。可见错位梁技术对减轻水管黑印效果十分 明显。 2．4 二段梁 为了适应冷、热混装及高碳钢、合金钢的加热要求， 二段式步进炉便应运而生。二段步进梁就是在炉子长度 方向上步进梁 (底)分成二段。并各由单独的托辊支撑， 以便单独升降或联动升降。从理论上讲，二段梁式步进 炉在实现炉子各段不同温度方面的灵活性特别大，它 可满足不同规格、冷热混装、不同轧制节奏、待轧等多 方面的工艺要求，可以减少坯料的脱碳和氧化烧损，从 而提高产品的加热质量。 3 纵水梁的结构设计 步进梁水冷管的结构有单圆管、双圆管、长圆管、椭 圆管和矩形管等。 选用何种结构，应结合管材供应情况、炉型、坯料 断面、炉子的荷载等条件来决定。国内包钢轨梁厂用的 是矩形管 (160ITIITI×119I'lllTI×18 mm)，武钢 1 700热连 轧步进炉用的是长圆管 (170 nllTl×120 mnl×20 mnl，其 中圆管半径R60 mm)，宝钢 2050热连轧步进炉用的是单 圆管 ( 159mm×20mm)，马钢高线用的是双圆管 (~089 mm X 14 mm)，梅山热轧和马钢大H型钢用的是单圆管 和双圆管混合结构。 由于管材的供应情况等问题，国内大部分的纵水步 进梁式加热炉都采用厚壁单圆管和厚壁双圆管结构。但 从节能和从减少水管面积来讲，应尽量少采用圆形管结 构。因为，同样大小的断面模数，长圆管、椭圆管和矩 形水管表面积要比圆形管少 15％4 20％左右，因为水梁 的断面模数和其高度的平方成正比。水梁面积的减小，就 意味着炉子下加热供热状态和坯料上下温差的改善，同 时也意味着炉子能耗的降低。 水梁的设计还应考虑下列因素： (1)当水梁单体超过 12 In时，水梁设计和安装时要 考虑预倾钭； (2)水梁过长时要分段； (3)水梁长度要考虑出厂后的运输准许长度； (4)纵水梁可按连续梁进行强度计算，但其许用应 力不同于推钢式炉纵水梁。 4 水梁立柱的结构设计 (1)步进炉的纵水梁是由水梁立柱支撑的，立柱间 距越大，立柱的表面积越小，纵梁表面积越大，也就是 说，纵水梁的表面积和立柱表面积有一个最佳配置问题。 同时，对于步进梁式加热炉来说，水梁立柱是穿过炉底 的，炉底开洞要散失炉子的辐射热。因此，原则上讲，应 尽量减少水梁的根数和立柱的根数。 (2)坯料的重量是通过水梁和水梁立柱把其传递到 步进梁式炉的移动框架上的，步进炉和推钢式炉不同，立 柱在纵向上是一个桁架结构，但在横向上是各自独立的。 因此，立柱的设计，应考虑如下受力： (1)运动框架移动产生的水平冲击力； (2)水梁受热产生的膨胀力； (3)垂直弯曲力； (4)地震力。立柱受热膨胀力和地震力是一种瞬时 作用力，而水平冲击力和垂直弯曲力是一种长期力； (3)定梁立柱和动梁立柱 “间距”不同； (4)为便于下部纵烧嘴安装，定梁立柱可采用门型 柱或T形横管支撑梁； (5)立柱的水梁冷却系统可采用汽化冷却和水冷，在 冷却系统中，立柱可单独串联亦可和纵水梁连通，立柱 和纵水梁一般采用单独串联。在汽化冷却系统中，立柱 本身采用 “自然”对流冷却，选用何种方式要结合水梁 整体设计考虑，但要以分系统的热负荷和流体阻力大致 相等为原则。 维普资讯 http://www.cqvip.com 加热设备 工业加热》第34~2oos年第l期 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 一 水梁采用水冷却，其内壁温度约为60℃， 约为 130℃，管壁平均温度约为95℃： 外壁温度 6．2 垫块的尺寸 (6)动梁立柱下部固定宜采用双结点固定结构； (7)立柱的预倾钭。梁与立柱是焊在一起的，对于 一 定长度的梁来说，如果安装时立柱是垂直的，梁受热 膨胀后立柱就会变形或倾钭，同时，立柱两端会产生很 大的弯曲应力。因此，作者认为，对于一定长度的梁来 说，立柱应预先倾钭安装。立柱的倾钭度由梁的膨胀量 来决定。 5 立柱上的井式孔洞帽 动梁立柱是穿过炉底固定在炉底平移框架上的，这 样炉底洞口就会散失辐射热。为此，国外在动梁立柱上 作了很多研究，如美国 Rouge[ ]钢厂在每列活动梁的 5 根立柱上均设计了 2．5英寸无缝钢管制作的井式孔洞帽 (图 1)，经该厂热平衡测试，在立柱上采用井式孔洞帽装 置后该炉平均节能 4％---5％。日本钢管公司，新日铁津 君钢铁厂都作了类似结构的研究 采用这些装置，不仅 取得了明显的节能效果。而且改善了炉压状况。 图1 立柱井式帽结构图 6 耐热垫块的形状和结构 6．1 形状和结构 垫块的形状和结构是根据炉型、钢坯断面尺寸、钢 种、轧机的产品、钢坯的加热温度加热黑印和断面温差 的要求以及垫块的材质及价格等因素综合考虑决定的。一 般来说，板坯步进梁式加热炉采用蘑菇形垫块或骑卡式 条形垫块、棒线材和型钢加热炉采用骑卡式或焊接式条 形垫块。图2、图3、图4示出了几种常用的耐热垫块的 形状和结构。 垫块上表面承钢面积和承受钢坯的应力是有一定要 求的，承钢应力过大所造成的压痕是无法消除的。一般 来说，合金钢或硅钢的承钢应力要比普碳钢小得多 蘑菇形垫块上表面直径一般选用 100mm～ 120mm， 高度60～125 mm。 图2 骑卡式条形垫块图 图3 蘑菇形垫块图 图4骑卡式垫块图 条形焊接垫块长度在 200～300 nlrn，宽度在 25～ 50 mm，高度在40～80 mm，垫块中部应设置膨胀缝。 骑卡式条形垫块，一般长 100～ 200 IIIITI，宽 40～ 100 IIIITI，高60～ 125 nlrn。 6-3 垫块的材质 表 2列出了一些常用的高温垫块的牌号和材质的主 要成分，表 3列出了垫块的主要技术性能。 表 2 高温垫块的牌号和主要成分 ％ 牌号 C Si Mn Cr Ni W M0 C0 Nb S P C050 0．1 5~0．25 0．5～1．0 0．5～1．0 27～29 48～52 0．5 <0．02 <0．02 C040 0．1~0．14 1．5～1．8 1．0～1．5 29～31 19~21 0．8～1 0 39—4l <0．02 <0．02 Co20 0．3~0．4 0．5～1．0 0 5～1．0 18～22 l8～22 3．O～5．0 18～22 1．0～3．0 <0．02 <0．02 Cr2gNi48Si2W5 0．4--0．5 1．O～1．8 1．0~2 0 47~50 47~50 4 O～6．0 <0．04 <0．03 Cr2 i20Si2 <0．25 1．50 ．0 <2．0 19～20 19～20 <0．035 <0．03 维普资讯 http://www.cqvip.com 加燕设备 工业加热 第34卷2005年第 1期 广钢高线蓄热换向式燃高炉煤气步进加热炉的研制开发 梁海风 (广州钢铁股份有限公司 高速线材厂，广东 广州 51038I) 摘要：介绍蓄热换向式燃高炉煤气技术在广钢高线厂步进梁式加热炉中的开发实践情况和取得的效果，及其在工业炉上的推广价值。 关键词：蓄热；高炉煤气；步进梁加热炉 中图分类号：TG307 文献标识码：A 文章编号：1002一I639(2005)01。003I一03 Exploitation of Regenerative Combustion Technology Type W alking Beam Reheating Furnace by Blast Furnace Gas at GIS LIANG Hai—feng (Wire Roll，Guangzhou Iron&Steel Co．，Ltd．，Guangzhou 5 1 038 I，China) Abstract：The article introduces the exploitation& effect of regenerative combustion technology in walking beam heating furnace．as well as it's extensive application value in industrial furnace． Key words：regenerative combustion technology；Blast Furnace Gas；walking beam reheating furnace 1 前 言 近十几年来，冶金钢铁联合企业的能源综合利用已 成为企业降低生产成本、提高经济效益和减少污染的有 效途径。每个钢铁企业都拥有众多的耗能设备，而即使 全部单台设备都将各自的能耗降至最低水平，却并不等 于该企业的综合能耗处于最低水平。因此，优化企业的 能源结构、采用新技术对企业内部产生的二次能源进行 收稿日期：2004—1l-17；修回日期：2004—12—09 作者简介：梁海风(1966一 )，男，工程师，从事热工管理工作 综合利用，是钢铁联合企业的综合能源消耗再度实现进 一 步下降的新思路。 广州钢铁股份有限公司炼铁过程产生的高炉煤气除 了供应本公司燃气厂和热电厂外，相当一部分因发热值 低难以利用而白白放掉。这不但是能源浪费而且污染了 周边的环境。广州钢铁股份有限公司高速线材厂新上一 座大型步进加热炉决定选择本公司富余的高炉煤气作为 该炉子的燃料，并将近年来新兴的高效蓄热换向式燃烧 技术应用到步进式加热炉上，与马鞍山钢铁设计研究总 院作为合作伙伴进行全面的设计。 表3 垫块的主要技术性能 密度／ 线膨胀系数 机械性能 牌号 试验 ~1000≥ }00(034h)≥ g cm ×10—6 ％>MPa (％) 温度／℃ MP a M Pa C050 8．I 20～1 0o0 I6．7 500 8 II5 35 C040 8．1 2O～l 0o0 l6．9 430 6 l2l 30 Co20 7．9 2O～l 0o0 l5．7 450 4 l25 l5 ZGCr28Ni 7．9 400 3 100 48Si2W2 ZG40Cr 7 7 440 8 25Ni20 6．4 垫块的布置 对于大管径的纵梁，多采用错开布置。相邻两垫块 各偏离20 lnln。对于板坯炉采用两垫块各偏离 20 mln的 布置，水梁黑印为 23℃，比采用直线布置水梁黑印低 19℃，采用非焊接性结构比采用骑卡式结构，垫块表面 温度可提高40～60℃。 7 水梁的绝热包扎 步进炉的水梁采用绝热包扎和不采用绝热包扎其热 损失相差 2～3倍。步进炉的水梁一般采用双层绝热包 扎，内层包20lnln的耐火纤维，外层浇注 50mtn自流重 质浇注料。包扎前在水梁上要焊不锈钢锚固钩。 步进式加热炉在炉内运送坯料时具有轻抬轻放的功 能，不像推钢式加热炉在推钢时产生剧烈的振动，因此， 其绝热包扎的使用寿命是推钢式加热炉的4～6倍。 8 结 语 现代化步进梁式加热炉的水梁是步进炉的关键部件， 它不仅关系着炉子的加热质量、能耗、坯料的温差、使 用寿命等，更重要的是它关系和决定着现代步进梁式加 热炉设计的成败。因此水梁的布置、步进梁和固定梁的 数量、水梁和水梁立柱的结构、耐热垫块的形状和结构、 是步进梁式加热炉设计质量的重要因素。 参考文献： [1】张文学．现代化步进式加热炉的发展 [J】．工业炉，1995， (1)：30—38． [2】Anon．Rouge钢铁厂步进梁式炉井式孔洞帽的开发与应用 [J】．张文学译文．工业炉，1994，(1)：54-58． 维普资讯 http://www.cqvip.com