步进式加热炉炉底机械常见故障原因分析及对策

于泽通，汪建新，吴启明, 李 锁

(1.内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010；2.北京京诚凤凰工业炉工程技术有限公司，北京 100176)

我国自20世纪80年代从法国斯太因引进步进式加热炉后，步进炉就因其高产、适应能力强等优点而得到广泛应用。为满足近些年日益增长的生产需求，轧钢技术要向着连续化、自动化、高精度化等方向发展，这带给了步进式加热炉更大的考验。但因为步进式加热炉结构复杂，工作环境恶劣，使得其维修成本过高，本文通过对近10年国内外步进式加热炉出现的问题和解决方案进行总结，从步进机构、水封槽、水梁三个方面给出具体故障原因和解决方案，希望可以优化加热炉的运行状态，提高经济效益。

1 水梁漏水

步进式加热炉沿炉体的长度方向可分为预热段、加热段、均热段三个阶段，加热段主要负责将坯料加热到轧制的指定温度，在均热段保持出钢时温度的均匀性，所以在这两个阶段加热炉中水梁的工作温度较高，工作条件比较恶劣。由于耐热垫块的设计缺陷和与水梁之间焊接方式的影响，造成了一系列问题，致使水梁产生裂纹，进而发生爆管漏水的故障，给工业生产造成了许多不必要的损失。因为初始裂纹不易被发现，所以要尽可能做到完善设计工艺，延长水梁的使用寿命或者预测水梁的使用寿命，以此减少轧钢生产过程中造成的损失[1]。

1.1 水梁耐热垫块

龙静涛和索勇两位作者在论文中对垫块的设计问题中给出了非常全面的分析，但因加热炉规格等因素的不同，垫块的具体设计参数略有不同。

1.1.1 垫块参数

若垫块体积过大，尤其是长度过长时，其膨胀量就会越大，由于其焊接在水梁上，不同金属的膨胀系数不同，所以会产生附加温度应力，结构在热应力的不断作用下产生裂纹。对此问题可采取以下对策：

(1)尽可能减小垫块与水梁间材料的热膨胀系数差异，将垫块材料由Co50改为Cr25Ni20Si2[2]，因为Cr25Ni20Si2允许工作温度大概在1 200 ℃，不但适用于加热炉高温的环境而且有更好的焊接性能。

(2)龙静涛的方案是垫块的上下部均增加应力缝[3]，而索勇仅在上部增加2～3 mm的应力缝[4]。因为垫块下表面与水梁接触，温度相对较低，所以可选择只在垫块上部增加应力缝，既可以减小热应力影响又可以简化工艺流程。

1.1.2 焊接方式

(1)将耐热垫块的焊脚高度适当减小，垫块两侧各端分别留出一定距离不进行焊接，垫块的两端可依情况选择是否焊接。

(2)焊接时采用小直径焊条、小电流、多道工序的焊接工艺，在焊接时可以向管内通水来带走多余的热量，这种方式可以有效减小焊接过程产生的热应力，同时焊接完成后，再对水梁进行退火处理，可增加管道材料的韧性。

1.2 水 梁

水梁是加热炉中主要的承重部件，它是固定梁和活动梁的统称，其中固定梁的主要作用是承接入炉和出炉的钢坯以及支撑钢坯在加热炉中完成整个加热过程；而活动梁的主要作用是配合炉底机械中升降框架和平移框架的运动，完成上升、前进、下降、后退四个动作，将需要加热的钢坯从入料端一步一步地运输到加热炉的出料端，完成步进运动[5-6]。

1.2.1 水梁内壁结垢

循环水从炉底进水管进入水梁，通过汽化冷却[7]的方法达到降温的目的。但现有循环水的水质并不满足加热炉供水要求，工业循环水长期以往会含有许多杂质并积聚在水梁内壁，水梁内壁结垢后极大降低了管壁的传热性[8]，从而造成水梁因局部温度过高而弯曲变形发生漏水现象。对此可以在结垢严重的管道安装美国的Acme Aqua EMK电磁除垢器，其以可变电磁场为核心技术，通过高磁通量密度的磁场将水分子充分极化，使钙、镁离子和碳酸根离子结合方式发生变化，阻垢率可达99%[9]，不但从根本上防止了污垢的产生，而且节省了排污、更换循环水和检修的费用，可以增加经济效益。

1.2.2 水梁母材

水梁母材的质量是后期出现故障最容易被忽略的因素，个别水梁本就存在细小的裂纹和气泡，水梁在长期高温和交变载荷的作用下使裂纹经历稳定扩展和失稳扩展两阶段，裂纹发展到内表面时，冷却水进入缝隙造成爆管。而且爆管多发生在水梁下降的过程中，当活动梁托起钢坯时，裂缝被封堵，当其下降到固定梁等高位以下时，脱离坯料，载荷解除，泄漏点暴露，大量蒸汽喷出造成爆管漏水。为防止此故障的发生，除了提高管道的材质要求，在采购管理方面也要严加监管，且在验收时要更全面的探伤，从根本上解决问题。

1.2.3 水梁外部耐材脱落

水梁外部耐热材料主要对水梁起保护作用，既能隔热又可以减小震动的影响，但其工作环境的恶劣使其极易脱落，而裸露的水梁则会受到高温的影响使局部过热，减弱管壁强度，从而产生裂纹[10]。但因其重新包扎流程复杂，包含焊锚固钩、支模、浇筑、烘烤等工序，所以一般为了提高生产效率不会对于小面积脱落进行修补。

而采取莫来石晶体纤维材料的对扣式挂件可以既快捷又方便地解决这个问题，既满足了隔热抗震的要求，又能对小面积脱落进行及时补救。

1.2.4 水梁中冷却水不足

水梁汽化冷却系统中冷却水不足或水流速不足导致局部温度过高，使水梁发生爆管漏水。针对这种现象应规范操作流程，严格操作步骤，对水梁进行定期监控，有水量不足的情况时，及时补水以防止温度过高带来更大的损失。

1.3 生产过程中坯料规格的变化

坯料经进料辊道、水梁、出料辊道完成加热过程，一般坯料有两种进出炉方式，如：板材钢坯一般为端进端出、线材钢坯一般为侧进侧出。随着加热炉功能越来越全面，工作效率越来越高，工厂加热的钢坯规格逐渐多样化，规格不同，除材料的基本物理性质不同外，其需要加热的温度和时间也不同，所以会造成炉温波动较大，同时也会加重轧机的工作负担，提高轧机出现故障的概率，从而迫使加热炉停止工作。

坯料规格的变化不但使加热炉的炉温波动变大，而且会使加热炉的温度发生骤降、骤升的情况，使得水梁在较大热应力的影响下产生疲劳应力裂纹[11]。

由此可知，在实际生产中，应调整轧钢厂的生产计划，保证加热钢坯的规格变动维持在较小区间，以此防止加热炉的炉温出现大范围波动。

2 炉底步进机构发生故障

2.1 升降缸爬行

液压缸是加热炉中的驱动装置，是炉底机械的一部分，它连接于斜轨座与升降框架之间，驱动活动梁上升到固定梁的等高位托起钢坯，继续升高到最高位，平移一定距离后，带动活动梁下降到等高位，将钢坯放到固定梁上继续下降到最低处再后退到原位使活动梁完成一个步进周期。但液压缸的爬行状态会造成升降框架和活动梁发生振动、升降液压缸活塞杆表面出现划痕等故障[12-13]，这些异常会大大降低加热炉的工作寿命。

液压缸的爬行故障主要指其在工作过程中出现运动、停止相互交错的运动状态。造成此故障的原因主要有以下几点：

(1)液压缸有杆腔和无杆腔中的气体在液压油的高压作用下会使其体积发生不规律变化，体积的不均匀变化会直接造成活塞运动速度出现波动；对此可使液压缸反复运动排除腔内多余气体，避免在正常工作时出现爬行故障。

(2)液压缸平稳运行主要是依靠其内的密封件与内部接触面维持稳定的接触压力。但在油压不稳的情况下会造成摩擦力发生变化而使液压缸运行速度发生波动，造成这一故障的原因主要是其硬度和跟随性不满足要求。对此可在工况允许的条件下采用聚四氟乙烯作为组合密封圈，如常用的格莱圈、斯特封等。

2.2 垫块脱落

由上文可知，为保护水梁和防止板坯出现“黑印”，在沿水梁长度方向安装有垫块，但其在加热段和均热段经常出现垫块脱落的情况，对出钢速度造成影响，影响步进的周期。

垫块的脱落会造成水梁上部形成凹凸区域，在此范围内的板坯易出现头尾下弯的状况，这种变形的钢坯在前进的过程中容易造成四周垫块大范围刮落，这不仅造成坯料的跑偏问题，而且极易在出钢端造成拥挤，导致大量坯料无法顺利出钢。这种坯料堆积的故障除了会刮伤出料辊道外，而且会扰乱轧机的轧钢节奏，造成坯料被轧机轧废的故障，直接导致被迫停炉检修，大大降低了生产效率。而且脱落的垫块可能掉入水封槽中，造成水封槽漏水或者裙罩损坏，导致炉内吸入冷气，无法保证板坯的加热质量[14-16]。

面对这种情况并结合前文垫块导致水梁漏水的情况，需谨慎考虑给出一个比较均衡的解决方案，为避免再次因焊接应力造成水梁疲劳破坏，可以选择在距离水梁出钢端2 m处将垫块材质改为Cr25Ni20Si2，加大与水梁的焊接面积，并严格制定焊接流程，采用直流、短弧焊接并使用A407焊条，将电流控制在130A左右，在焊接工艺上采取分层多次焊接的方式，并且在焊接完成后，尽可能对焊缝进行射线探伤，严格验收流程，以保证焊缝无质量缺陷。

2.3 坯料底面有划痕

在步进式加热炉的生产过程中，有时可阶段性地检查到成品钢材有轧疤和线纹缺陷，而且其位置比较统一，为避免坯料浪费，需要对此现象进行分析，进而对此缺陷进行改善。

朱军等研究人员为找到其原因所在，将轧制前的坯料进行了翻转，发现轧后仍然在对应的表面上存在疤痕，所以可以肯定是加热炉内部造成了这种现象的发生，通过停炉检修可以发现在水梁耐热垫块的上部零星分布着坚硬的凸起物，形似瘤子。通过取样观察可以发现其物质主要是铁的氧化物如：Fe2O3、Fe3O4、FexO和硅酸盐，而铁在氧化物的作用下会经历Fe-FexO-Fe3O4-Fe2O3的过程，氧化物的积累使其体积逐渐增大，体积膨胀后在其表面产生微裂纹，氧化气体沿裂纹进入结瘤与铁进一步反应直至瘤状物因体积过大而破碎，但个别钢种含Si、Ca等物质，这些金属单质在加热过程中会形成硅酸盐等杂质，由于它熔点低，所以它也会以熔融态沿着裂纹进入，附着在氧化铁表面，从而阻止氧化铁的氧化，这些氧化物不能继续氧化使体积膨胀破坏，最后就会留在垫块表面形成坚硬的瘤状物体，在垫块接触到坯料的时候，对坯料的下表面或者棱角位置造成啃伤伤害，损坏钢坯的质量，从而被迫停炉检查，影响生产进度[19-20]。

针对这种情况，可以采取多种方式去除结瘤：

(1)调节加热炉内部氧化气体的浓度。增加加热段、均热段的氧化气体浓度，加强高温段的气场扰动，使氧化气体更容易进入裂纹中，让氧化铁可以得到充分的反应，加快其氧化膨胀破损的速度，进而减少结瘤情况的发生。这种富氧反应不但会因氮氧化物产量增加污染环境而且会加重坯料表面氧化铁皮的生成，使弊大于利。

(2)降低出钢温度。目前轧机开扎温度一般在1 150～1 200 ℃，对于轧制工艺简单的钢坯，可以将其出炉温度降低50 ℃左右，温度的降低可以通过减少硅酸盐等物质的熔融从而使结瘤情况减少。

(3)定期调节装钢的行程和步距，使坯料在炉内的位置发生变化，减少垫块与坯料的接触时间，从而减少结瘤的发生。

(4)定期修理。利用检修的空闲时间将加热炉的加热段空出，使耐热垫块上的氧化结瘤物与氧化气体充分反应形成Fe2O3产物，进而使氧化物体积变大，使表面氧化物破裂脱落。

(5)定期对结瘤的氧化铁进行人工铲除。

考虑到生产成本、生产时间和其他故障因素，对于这些措施，比较推荐(2)和(3)两种方法。

3 水封槽

步进式加热炉的密封部件主要依靠水封槽，水封槽能否以正常状态运行决定了工厂整条生产线的稳定与连续性。由于它的安装与裙罩、刮渣板均有联系，而且它的空间狭窄，工作环境恶劣，所以其维修成本非常高。由此可见水封槽的稳定运行和日常维护是非常重要的。

3.1 水封槽漏水

水封槽随水梁一起运动，完成上升、前进、下降、后退的周期运动，长时间周期性的步进运动会使水封槽发生破裂漏水的情况，严重时甚至要导致停炉检修，这将对生产造成巨大的损失。

3.1.1 水封槽本体焊接处开焊开裂

水封槽一般采用分块分段的方式焊接[21]，在长时间周期运动、液体腐蚀和炉温急剧变化的条件下经常在焊口处出现开裂的状况，所以要改善焊接工艺，在不影响正常使用的前提下，尽量减小残余焊接应力以增加使用寿命。

3.1.2 刮渣板脱落

刮渣板不但可以连接、固定裙罩，还可以清理水封槽内形成的氧化铁皮以保证水封槽的使用寿命。其连接处采用普碳钢材料，在长期的运动和液体的腐蚀下会造成脱落，部分刮渣板与裙罩用螺栓的方式连接，在遇到其他刚性作用力时会加剧掉落的风险，而水封槽与坠物发生碰撞会使水封槽破坏漏水[21]，为避免水封槽破损可将刮渣板与裙罩在螺栓连接的基础上用焊接的方式加固,或者选择改变刮渣板的安装位置，将其安装在炉底槽钢上，这种安装方式相较来说更加牢固稳定。

3.1.3 冷热温度变化影响

水封槽和裙罩的作用是封堵活动梁孔洞从而防止火焰外溢维持较低的温度。若裙罩的间隙扩大或水封槽液面下降,加热段和均热段的高温会使水封槽产生裂纹而破裂漏水。针对这种情况，可以更改裙罩构造由两块改为八块，既可以减少裙罩损坏时的受损量，同时可以大大降低更换裙罩的工作强度,极大降低了对裙罩的维护难度[22]。

3.2 水封槽加水缓慢

有一部分加热炉主要通过中部供水的方式为水封槽加水，这种方式由于垂直落差较小所以导致低水压不能完全达到冲刷氧化铁皮的目的而使水封槽漏水。为解决此故障可使管道在其顶部继续向上延伸并加弯，以此增加水流冲刷氧化铁皮的压力，从而延长水封槽使用时间。

4 展望未来

虽然通过结构优化可以提高加热炉的工作寿命，但是现阶段的主要问题仍然是对加热炉出现故障的时机不够敏感，不能在第一时间发现问题。可以将加热炉生产同数字孪生技术结合起来，通过数字化的模式在虚拟空间完成与实际生产的联动，通过闭环信息交互完整地模拟实际的物理模型、行为模型并将加热炉的工况实时反映到计算机中，通过对加热炉运行过程中产生的数据进行整合计算完成对加热炉的运行状态监控、故障诊断及预测，达到及时发现故障，减少维护成本的需求。

5 结 语

作为轧钢厂最为重要的大型生产设备，步进式加热炉的应用对整个行业的发展有不可或缺的影响，而炉底机械又是步进式加热炉的核心部分，所以其使用寿命决定着加热炉整体的生产效率。本文以故障的种类为切入点，总结了步进式加热炉炉底机械常见故障的原因及对策，为工厂提供了有力参考，方便其有针对性地判断加热炉的故障并改进，对提高轧钢厂的生产效率有极大的帮助。