1 引言 鞍钢集团机械制造公司铸钢厂为了提升企业经济增长点 ,跻身国内外水力发电设备铸钢件、轧机牌坊、汽缸、高炉料钟等大件产品市场 ,2 0 0 2年 8月拟建一座大型高温热处理炉 ,委托鞍钢设计研究院进行方案设计。经多方结合 ,遵循高起点、新技术、节能、投资省、实用性强等原则 ,审定通过罩式热处理炉的设计方案 ,于 2 0 0 2年 9月 2 5日正式设计及施工。历时近两个月大型罩式炉设计及施工任务胜利结束 ,11月 2 4日点火烘炉 ,热负荷试车一次成功。罩式炉的建成不仅为铸钢厂进军大件热处理产品市场创造了条件 ,同时也告别了鞍钢大型工件热处理产品外委加工的历史 ,弥补了铸钢厂产品热处理工艺的不足 ,为铸钢厂乃至集团公司提高经济效益奠定了坚实的基础。2 罩式热处理炉的设计原则及其结构特点2 1 罩式炉设计的原始条件炉子用途 :超低碳钢、碳素钢和铸钢件退火、正火两用。最高炉温 :～ 115 0℃。燃料 :高焦混合煤气 ,发热值 836 0kJ/m3,压力16kPa ,热处理工件尺寸 :80 0 0mm× 80 0 0mm× 4 0 0 0mm。热处理工艺的参考曲线见图 1所示。图 1 罩式炉热处理工艺曲线Fig .1 Heattreatmentprocesscurveofbell typefurnace2 2 罩式炉的性能指标 罩式热处理炉的设计充分考虑了热处理工件的工艺要求 ,本着采用先进技术及方便操作、维护 ,节省投资等原则 ,其技术参数为 :炉子规格 10 6 72mm× 10 2 0 8mm ,净高 4 6 0 0mm工件尺寸 80 0 0mm× 80 0 0mm× 4 0 0 0mm材质 :超低碳钢、碳素钢最大装炉量 14 0t ,不含垫铁最高加热温度 115 0℃燃料种类 高焦混合煤气 ,发热量 836 0kJ·m3;煤气最大耗量 4 0 0 0m3·h- 1自身预热式烧嘴SSB 6 0烧嘴额定能力 2 0 0m3/h ,共12支 ;自身预热式SSB 4 0烧嘴 ,额定能力 15 0m3/h。嘴前煤气压力 80 0 0Pa ;嘴前空气压力 5 0 0 0Pa ;最大助燃空气量 10 0 0 0m3·h- 1;最大引射风量 5 0 0 0m3·h- 1。2 3 罩式炉炉体结构及衬层耐火材料的设计该罩式炉组成主要包括炉子基础、炉底、炉台、
炉罩、定位导向柱等几大部分 ,见图 2所示。2 3 1 罩式炉基础设计 由于炉窑装炉量大 ,荷载图 2 罩式热处理炉整体结构图Fig .2 Structuredrawingofbell typeheattreatmentfurnace重 ,基础采用整体浇灌钢筋混凝土结构。挖土深度为 185 6mm ,由于挖土局部出现约 30 0 0mm深分散的原精炼炉基础 ,经风镐处理耖平后 ,考虑消除旧基础可能形成的支点反作用 ,基础设计由原土层至炉底分层如下 :30 0mm碎石 + 10 0mm矿渣 + 30 0mm钢筋混凝土。建炉投产至今无任何下沉、裂纹现象 ,表明基础坚实可靠。2 3 2 炉底、炉台结构设计 炉底由 136mm轻质粘土砖作绝热层 ,上铺 2 0 4mm粘土砖 ,为了合理组织燃烧系统 ,在粘土砖上砌出 6 96mm× 6 80mm×10 2 0 8mm的 6排燃烧通道 ,上盖活盖板 ,形成下加热通道面积可调炉底 ,垫铁铺于其上 ,参见图 2。 由于炉台起着固定炉体和炉罩承重双重作用 ,因此其结构及强度设计尤显重要。其组成包括固定在基础上的炉子钢结构立柱、烧嘴固定结构、砂封槽及炉台密封板等。其衬层组成为 :6mm钢板炉外壳+ 5 0mm纤维毡 +立砌一层轻质砖 + 348mm粘土砖 ,见图 3所示。生产实践证明 :隔热效果及承重强度均很好。2 3 3 炉罩 (1)钢结构炉罩 炉罩结构由型钢结构的钢板外壳、炉罩承载的组合圈梁、砂封刀、罩顶吊具及一对导向环组成。 炉罩下端的开口部分用组合圈梁加固 ,组合圈图 3 罩式炉的炉衬结构 (炉台 )Fig .3 Liningstructureofbell typefurnace梁的作用有三 :一是与炉罩吊具、炉罩上部型钢骨架形成统一吊装体 ,防止炉罩变形 ;二是固定用以支承炉罩内衬耐火材料的托板并与其一起形成炉罩重量的支承体 ;三是用于固定砂封刀及对角的一对定位导向柱的导向环。考虑炉罩下部托板受热膨胀的补偿问题 ,下部托板及炉罩外壳裙板按炉子钢结构立柱的间距开设一条宽 10mm的长条窄缝 ,以防止受热变形。同理 ,砂封刀之间间隔 2 0mm。炉罩顶部吊具位置与炉罩的重心一致 ,该炉罩吊点经强度校核由两根12 0mm的 4 5钢轴承载。圈梁、托板及砂封刀结构见图 4。 (2 )炉罩内衬材料的应用 众所周知 ,耐火纤维热容小 ,导热系数低 ,热稳定性好 ,容重轻。尤其适用于间歇式炉作内衬。在炉罩纤维衬施工过程中对制品安装作了严格要求。先在炉壳钢板上涂刷粘合剂 ,选用 2 0mm厚普铝纤维针刺毯紧贴炉壳板整图 4 炉罩钢结构及密封Fig .4 Steelstructureandsealoffurnacehood卷铺设三层 ,共计 6 0mm。相邻纤维毯重叠 15mm ,层与层的接口错开 ,压缩后到 5 0mm厚。高铝纤维针刺毯由施工单位按图纸加工成形 ,压缩率为 30 % ,预制块的尺寸为 80 0mm× 30 0mm× 2 0 0mm ,锚固件材质为 1Cr18Ni9Ti耐热钢 ,锚固方式为V形钩穿钉固定。为了防止穿偏 ,V形钉底部用直钢筋焊接在一起。折叠预制块端头间的收缩缝用高铝毯二次挤缝 ,压缩百分比为 30 %～ 5 0 %。为了尽量减少因预制折叠块的温变收缩造成的负面影响 ,在异形结合的部位 ,对预制块的规格及安装角度作了特殊调整。如侧墙和炉顶的衔接部位 ,圆弧过渡部位折叠块安装方向为径向 ;直角连接处 ,安装方向旋转 90° ,目的是通过制品温变收缩方向的改变 ,相对弥补制品收缩形成贯通缝隙的缺陷。为了提高折叠块衬层的整体性 ,其衬层安装完毕后表层喷涂一层高温固化剂 ,促使其整体高温定型。罩衬轻质纤维结构如图 5所示。图 5 罩式炉炉衬结构 (炉罩 )Fig .5 Liningstructureofbell typefurnace 纤维轻质衬的应用 ,使炉罩结构实现了轻型化。降低了起重重量 ,减少了基础负载 ,从而降低了投资 ,相对于耐火砖及浇注料衬 ,质量减轻了 2 / 3,节能15 %～ 30 %。2 3 4 炉罩导向柱 沿罩式炉的对角线在炉台外侧设置一对导向柱 ,供升降炉罩导向和定位之用。导向柱由2 4 5mm× 10mm的钢管制成。顶端呈圆锥形 ,底部固定于基础上。高度分别为 4 30 0mm与4 5 0 0mm ,两根导向柱在高度上相差 2 0 0mm ,便于套炉罩时先后套入。炉罩相应位置上设有一对套筒下口呈喇叭型的导向环 ,扣罩时用以套住炉台对角的导向柱 ,以确保炉罩和炉台的中心线重合。2 4 罩式炉节能燃烧器的配置及管道布置罩式炉属间歇式变温炉 ,炉温按规定的热工制度随时间变化。考虑到温度场、热分配的均匀合理性 ,其燃烧系统配置如图 6所示。按供热负荷要求 ,选用炉底四周供热方式 ,配置 2 4个自身预热烧嘴 ,同规格的烧嘴相向布置 ,不同标高。下排通道内烧嘴供热负荷大 ,上排烧嘴供热负荷小 ,通过热气上浮和炉膛内对流传热及辐射热交换来均匀炉温。图 6 罩式炉中的燃烧系统平面图Fig .6 Plaindrawingofburningsysteminbell typefurnace 近年来 ,节能降耗已成为冶金企业降低成本创效益的一大主题 ,节能不仅仅在于炉体、密封结构方面的改进 ,更主要的一部分在于燃烧系统的改进及节能型燃烧器的应用。自身预热式烧嘴本身带有一个间壁式换热器 ,回收烟气余热 ,以节约能源 ,提高理论燃烧温度。预热空气温度最高可达 5 5 0℃。应用自身预热式烧嘴另一特点就是节省了烟道和烟囱。实践表明 :空气预热温度每提高 10 0℃即节约5 %以上的燃料 ;同时 ,理论燃烧温度可提高 30℃。自身预热烧嘴的应用显著提高了罩式炉的热效率 ,燃料燃烧完全 ,节能并直接减少了烟气排放量 ,降低了污染指数。同时简化了管道设计、安装。管道置于管沟 ,即不占用空间 ,又美观而便于操作。罩式炉燃烧系统的布置主要考虑了如下几个方面 :(1)为了避免火焰直接冲刷工件 ,烧嘴安装后移一个炉墙厚度 ,既不直接烧工件又增加了炉膛内有效面积。(2 )上、下交错布置烧嘴 ,火焰互不干扰 ,各自独立调节 ,敞焰加热 ,强化燃烧 ,加热速度快 ,炉温均匀。(3)布置于地沟火道内的烧嘴砖四周扩缝至12 0mm ,烧嘴砖前方砌 2 32mm火焰导向砖 ,有利于下排地沟内烧嘴的引射排烟 ,并防止火焰短路。(4)地沟火道上设活盖板作用有三 :一是将火焰导向炉子中心 ;二是调整炉底火道断面积 ;三是保护垫铁。(5 )各地沟火道隔墙在嘴前 10 0 0mm处砌一花墙孔道 ,用于燃烧时相互串火点燃相邻烧嘴。2 5 强化炉台密封的措施炉台密封性能与设备节能及工艺优化息息相关。密封性好则温控曲线准确 ,炉窑热效率高 ,产品质量也得以提高。结合罩式炉自身的特点 ,炉罩与炉台衔接处的密封结构设计为软硬结合三次密封结构 (参见图 4 )。首先是炉膛内炉罩下方托板上的特定结构的纤维折叠预制块与炉台衬砖墙之间的一次密封 ;其次是炉罩托板与炉台密封板内4 0mm纤维绳之间的软硬密封结合 ;再次是炉外侧四周的砂封结构。投产运行反映
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