1 前言步进梁式加热炉具有加热速度快、加热均匀烧损少、可调节装钢量、减少和防止钢坯脱碳、 可防止拱钢和粘钢、易出空炉料、可缩短凉炉检修和开炉升温周期、易于采用计算机对钢坯跟踪等优点,目前在国内已发展到 5 0余座。加热炉的冷却有工业水冷却和汽化冷却两种方式。工业水冷却存在以下问题 :1水中含钙镁离子、溶解氧和杂物 ,影响轧机生产 ;2为防结垢 ,水温控制在≤ 5 5℃ ,至使循环水量大 ,能耗高 ;3有室外冷却水系统 ,占地大 ;4水温低致使钢坯黑印加重 ;5余热不回收 ,不能直接回收投资。汽化冷却具有下述优点 :1采用除氧软水闭式循环冷却 ,不结垢、不积渣堵塞、无腐蚀、传热好 ,水梁事故率低、寿命长 ,保证轧机作业率 ;2利用水变蒸汽吸热量大的机能吸热冷却水梁 ,循环水量少 ,能耗低 ,如 2 5 0 t/h步进炉仅约需 45 0 t/h水 ;3水温提高后可减少钢坯黑印 ;4无室外冷却水设施 ,占地少 ;5回收余热产生蒸汽利用 ,直接回收投资。步进炉汽化冷却是近 30年发展起来的新技术 ,是为了开创和探讨由国内设计、制造、施工的应用在大型步进炉上的汽化冷却装置 ,本钢和重庆院合作 ,采用重庆院的步进炉汽化冷却装置专利技术在本钢热轧厂 4号 2 5 0 t/h大型步进炉上实施了汽化冷却 ,2 0 0 0年 7月建成投产以来效果很好并获得成功2 本钢热轧厂 4号步进炉汽化冷却装置2 .1 步进炉简介4号步进炉设计产量为 2 5 0 t/h;有效炉长为44.6m、炉宽 9.84m、炉底有效面积 438.9m2 ;加热钢种为低碳钢、优质碳素钢、结构钢、低合金钢及管线钢 ;加热炉设两套液压步进机构、两套提升和平移框架 ;按其加热功能和温度分为热回收段、预热段、一加热段、二加热段、均热段 ,相应炉温为 1 0 1 5℃、1 1 5 0℃、1 2 4 0℃、1 30 0、1 2 70℃ ;设 4根活动梁分为 1 6个单元 ,4根固定梁分为 1 7个单元 ,水梁采用双梁组合结构 ,用双立柱及单立柱管支撑 ;主要燃烧高、焦炉煤气 ,除均热段外配有备用重油燃烧系统。2 .2 汽化冷却装置组成汽化冷却装置由循环水系统、排污及取样系统、加药系统组成。软化水和给 水由热轧厂现有设施供给。排污、取样、加药系统与工业锅炉房的配置相同。循环水系统由汽包、 热水循环泵、下降管、水分配联箱、固定梁及立柱、活动梁及立柱、活动梁进口步进装置、活动梁出口步进装置、上升管组成。2.3 步进炉汽化冷却原理步进炉汽化冷却是采用强制循环且兼有自然循环两种冷却方式的冷却水梁。水循环靠总循环压头克服循环回路阻力而形成 ,以循环水泵压头为主。水梁单立柱管是由带芯管的套管组成 ,芯管内外的水密度不同产生了流动压头克服芯管内外的流动阻力形成水循环冷却立柱管。总流动压头与总流动阻力的关系如式 ( 1 )所示 :S=Hp + H (γxh -γsh) /0 .0 98=ΣΔP ( 1 )式中 S——总循环压头 ,MPa;Hp——循环水泵压头 ,MPa;H——汽包中心距水梁中高度 ,m;γxh——下降管中水平均密度 ,kg/m3 ;γsh——上升管中汽水混合物平均密度 ,kg/m3 ;ΣΔP——循环回路总阻力 ,MPa。2 .4 循环水系统流程汽包中的欠饱和水经下降管进入循环水泵 ,升压后送入水分配联箱。水分配联箱中一部分水送入由固定梁组合成的回路 ,水在固定梁中吸热后变为饱和汽水混合物经上升管回到汽包 ;另一部分水经图 1 本钢 4号步进炉汽化冷却系统流程简图Fig.1 Process diagram of evaporation cooling device on No.4 walk- beam furnace in Ben活动梁进口步进装置进入由活动梁组合成的回路 ,水在活动梁中吸热后变为饱和汽水混合物 ,由活动梁出口步进装置经上升管回到汽包。汽水混合物在汽包中分离为蒸汽和水 ,蒸汽从汽包引出 ,分离下来的水与汽包补给水混合后又重复上述循环。循环水流程图如图 1所示。2 .5 循环水系统的主要设备及功能汽包 :1台 ,容积 37m3 ,工作压力 1 .3MPa,贮存水、分离汽水混合物、稳压。电动热水循环泵 :2台 (备用 1台 ) ,流量 5 2 0m3 /h,扬程 0 .645 MPa,主工作泵 ,增加循环压头。柴油机热水循环泵 :1台 ,流量 5 2 0 m3 /h、扬程0 .5 5 MPa,事故备用泵、当停电或主工作泵事故时快速起动维持水循环 ,保证安全停炉。水分配联箱 :1台 ,工作压力 2 .0 MPa,将水分配给固定梁和活动梁各自组合成的循环回路。固定梁及立柱 :共 4根、1 7个单元 ,1 33mm×1 8mm,工作压力 2 .0 MPa,吸收热量 ,支撑钢坯。活动梁及立柱 :共 4根、1 6个单元 ,1 40 mm×2 0 mm,工作压力 2 .0 MPa,吸收热量 ,支撑钢坯 ,受液压步进机构驱动作上升、前进、下降、后退的矩形运动。活动梁进口步进装置 :4套 ,工作压力 2 .0MPa,连接下降管与活动梁回路的入水口 ,与活动梁同步运动。活动梁出口步进装置 :4套 ,工作压力 2 .0MPa,连接上升管与活动梁回路汽水混合物出口 ,与活动梁同步运动。2 .6 水梁回路组成采用并串联方式组合回路 ,固定梁与活动梁分别组合 ,同根水梁的立柱管与该水梁组合为 1个回路。 33根水梁组合为 8个回路 ,其中 1 6根活动梁组合为 4个回路 ,每个回路 4根水梁 ;1 7根固定梁组合为 4个回路 ,其中 3个回路各组合 4根水梁 ,1个回路组合 5根水梁。每个回路入口设有节流孔板限流 ,进出水梁的冷却水为端进、端出。2 .7 循环水系统设备装置汽包布置在厂房原有 2 0 .0 m平台上 ;热水循环泵设独立泵房 ,布置在加热炉旁地坪上 ;水分配联箱布置在加热炉下部 7.7m坑底进料侧地坪上 ;活动梁进口、出口步进装置布置在加热炉两侧 ,上联箱固定在平移框架上 ,下联箱固定在其下部 5 .5 m平台上。2 .8 水梁及立柱结构( 1 )固定梁及立柱结构固定梁为上下双管梁结构 ,上、下管两端用材质为 ZG2 5的特制 U型弯头连接。用双立柱管支撑在固定梁两端 ,用材质为 ZG2 5的特制弯头与下管梁连接 ,中部用单立柱管支撑 ,用 2 0号钢特制三通与下管梁连接 ,双管立柱为水梁的进、出口。双、单立柱管固定在固定框架上。单立柱管由带芯管的套管组成 ,芯管固定在套管内壁上 ,顶端呈斜角面并朝向水流方向伸进下管梁中。( 2 )活动梁及立柱活动梁及立柱的结构与固定梁及立柱的结构相同 ,区别在于水梁和立柱的管径不同 ,立柱固定在平移框架上。2 .9 步进装置结构步进装置由上联箱、下联箱、阀门及柔性组件组成。柔性组件由 3个球体转动接头及连接管组成空间管道 ,利用球体转动接头的转动功能实现设定的运动轨迹达到与步进梁同步运动。为确保运动平稳 ,柔性组件中还设置有防振、导向及衡力吊架装置。进口步进装置设 3组柔性组件 ,出口步进装置设 4组柔性组件。2 .1 0 循环水系统检测项目及自动控制设置( 1 )检测项目 :汽包压力 ,汽包水位 ,循环水泵进出口压力 ,各循环回路节流圈前后压力 ,循环泵出口流量 ,各循环回路流量 ,汽包送出蒸汽流量、汽包给水流量 ;( 2 )自动控制 :汽包水位及压力、汽包放汽远控 ;( 3)声光报警 :汽包水位过高及过低 ,汽包压力过高 ,循环水总管压力过低 ,各循环回路压力过低 ;( 4 )联锁 :两台电动循环泵联锁 ,电动循环泵与柴油机循环泵联锁 ;柴油机循环泵与总电源联锁。2 .1 1 循环水系统的操作运行系统的额定参数 :汽包工作压力 1 .3MPa,饱和温度。蒸汽发生量 :加热炉最小热负荷工况下约 8.6t/h,平均热负荷工况下约 1 1 .0 t/h,最大热负荷工况下约 2 0 .0 t/h。循环水系统设有操作室 (与 4号步进炉操作室合建 ) ,采用 DCS系统用计算机操作兼有手动操作 ,设有 CRT显示画面。循环水系统严格按照工业锅炉相应规范要求进行操作和管理。3 大型步进炉采用汽化冷却装置的关键环节3.1 水梁及立柱水梁及立柱对于步进炉而言承受着钢坯的重压 ,受火焰及高温烟气冲刷。在汽化冷却中又是极重要的冷却构件 ,冷却水温提高后沿长度及垂直方向的热膨胀增大。水梁及立柱处于十分恶劣的状态 ,特别是步进梁及立柱还要作矩形运动 ,它们既要满足工艺条件 ,又要满足汽化冷却要求。水梁是决定汽化冷却成败的关键之一。3.2 步进装置步进装置也是决定汽化冷却成败的关键设备。其结构必须能配合活动梁同步运动 ,不得有任何阻碍 ,柔性组件的空间结构尺寸必须保证各组都在不相同运动轨迹下同步运动。步进梁每年要作 5 0～ 60万次矩形运动 ,球体转动跟随运转相同次数 ,转动十分频繁。它既有 360°方向转动 ,又有上下、左右方向转动 ,内部流动的是约 2 .0 MPa、1 95℃的水或汽水混合物 ,因此对它的加工质量、强度、密封性能、转动灵活平稳性要求很高 ,而且还要求寿命长。由于活动梁运动的特殊要求及冷却水压力和温度高 ,它与上升管、下降管之间的连接不能用胶管或金属转管 ,只能用金属结构的柔性组件连接。3.3 停电保护汽化冷却装置的停电保护实质是保证停电后水循环不停止 ,确保加热炉安全停炉 ,保护水梁 ,所以是一项至关重要的安全措施。运行中突然停电后虽然切断了炉子的燃烧系统 ,但炉内仍处于高温状态 ,水梁上还载有灼热的钢坯 ,所以水循环不能停止。汽化冷却装置没有高位水塔 ,而且高温下的水
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