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注水梁的数量和布置 影响水梁数量和布置的主要因数有: (l)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川; (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。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 mm,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l钢坯悬臂系数和跨度系数参考表系数种类动梁固定梁梁式炉悬臂系数尤l梁式炉跨度系数凡底式炉悬臂系数尺1底式炉跨度系数凡 推荐值4 .0~456 .0~7一O4一0~45最大值 5 .08 .55‘0推荐值2 .0~3刀5 .5、6.5最大值358 .055、6 .57乃 Ll二Kl/梦’;LZ一K,/梦’;K,为悬臂系数;凡为跨度系数;L!为钢坯悬臂长度,m;L:为钢坯跨度,m;S为钢坯厚度,m。 钢坯在水梁上的最小悬臂为200~,一般取200~350 mm。主要考虑了如下因素: (1)钢坯定位误差士50 mnl; (2)步进机械横向跑偏误差士50 nlnl,(步进梁的横向跑偏量一步进炉有效长度、1 000); (3)钢坯在炉内的膨胀量。 钢坯在炉内的膨胀量二钢坯长度(m)x钢坯的膨胀系数X钢坯的温度令2,如12m的钢坯,在1 1500C时,其膨胀量为82·8~· 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:带加热设备 钢坯定位误差生50 mm+横向跑偏误差土30~+钢坯在炉内的膨胀量82.8mm、162.8~。 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 火材料,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、动梁的根数和配置方案、布料图,在满足所有坯料装人条件的前提下,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巧~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~,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制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《工业加热》第34卷2005年第1期是矩形管(160rnm x 119nlr口xlsronl),武钢1700热连轧步进炉用的是长圆管(170~x 120~x20~,其中圆管半径R60~),宝钢2050热连轧步进炉用的是单圆管呻159mmx20mm),马钢高线用的是双圆管伸89mm“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巧%~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: (l)当水梁单体超过12m时,水梁设计和安装时要考虑预倾抖; (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析架结构,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:(l)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。加热设备《工业加热》第34卷2005年第1期水梁采用水冷却,其内壁温度约为60℃,外壁温度约为130℃,管壁平均温度约为95℃; (6)动梁立柱下部固定宜采用双结点固定结构; (7)立柱的预倾斜。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抖,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,立柱应预先倾抖安装。立柱的倾抖度由梁的膨胀量来决定。6.2垫块的尺寸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功10011111,~必120~,高度60~125 mm。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圈钢厂在每列活动梁的5根立柱上均设计了必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。一r-~,尸-,习卜~仁一一一-叫目~..一 皿皿图2骑卡式条形垫块图、、~!图3蘑菇形垫块图图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。图4骑卡式垫块图条形焊接垫块长度在200~300~,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~,宽40~100 mm,高60~125 mm。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。高温垫块的牌号和主要成分牌号Co50Co40Co20C}51 1 MnMo}Co0 .15~0250石~1 .00 .1~0.141 .5一1.80,5~1 .010~1 .5石丽洲书署子:斗一二咨蔽一赢‘0刀2}《0乃203一0 .40‘5~100 .5一1 .0Cr28Ni48SiZW
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