带辐射管式辊底热处理炉安装技术

舒 军，张国忠，张凤军

在钢材生产过程中，热处理作为其后道加工处理，能够从一定程度上提升钢材的力学性能，使其可以直接作为零部件加工，省去下道工序的零件处理。尤其对于钢铁后道热处理时，热处理炉作为重要设备，相比轧钢加热炉来说能够对炉内各个位置的温度进行控制，使其能够在不同方向保持均匀温度，保证热处理产品要求。本文结合目前常见的热处理炉设计，从炉型、工艺、燃烧系统、传动系统及控制系统等主要方面进行介绍。带气氛要求的辐射管热处理炉，辐射管的安装方式有端部支撑和吊挂模式（采取辐射管配对安装和长辐射管横跨炉体布置的方式），在实际生产时利用两种安装方式进行热处理炉辐射管布置，会出现辐射管失效问题。

1 热处理炉的设备结构以及工艺

1.1 炉型机构造

热处理炉可分为连续式及间歇式两种，根据热处理炉的加热方式又分为辐射管加热和明火加热两种方式。对于不同炉型在特厚板高温回炉和其他热处理时，一般采取的是间歇式加热法，但对于步进梁式加热炉在无法实现长板连续加热出炉的情况下，一般采用的是连续式加热炉。目前国内的大多数用于板、棒材热处理的、且需要气氛保护的，常见为间接加热的辊底式热处理炉。

明火加热辊底热处理炉生产过程中无法保证炉内无氧化环境，在具体加热时很容易出现钢材表面氧化，最终降低产品生产质量。企业结合生产需求，一般对产品表面有脱碳等质量要求的，此类生产设备一般采取惰性保护气体（如氮气）间接加热，辐射管加热辊底热处理炉就是其中一种。辐射管间接加热辊底式热处理炉具体结构包含：炉子钢结构、入口密封室、辐射管加热器、炉内辊道、排烟系统、保护气、压缩空气系统，炉子气体以及燃气及助燃空气管道。基本涵盖常规炉窑设计的设备组成，从传动、燃烧、气体、气氛、控制系统等方面进行考虑。为了提升保护气氛的效果，提升产品质量，此类炉型在安装的时候，均需要做安装保压测试。多数保压测试在半分钟以内，炉压在250pa情况下测试，在规定时间内，未超过压力损失50%为佳。这对设计的要求、采购件的质量、制造的精度要求以及安装质量的要求都有很高的规定。通常对于一些钢管、铜盘条以及高要求脱碳性能要求的（如部分客户要求理想状态零脱碳）热处理炉，设计时会考虑增加渗碳等技术，通过监控炉内氧含量、水含量、二氧化碳含量等技术手段，控制钢材在炉内热处理过程中表面碳反应平衡，达到最大程度降低脱碳，实现客户需求。

1.2 参数设置及流程分析

在钢板生产过程中，其主要需经过一系列的加工流程，包括脱硫预处理，转炉冶炼，精炼，板坯连铸，再加热，粗轧、精扎，冷却，空冷，热处理，探伤，入库，发货。针对热处理炉在工艺参数设置时要求设置炉温最高为980℃，炉钢板的温度应控制在150℃范围内，能够分别针对钢板实现淬火、正火以及回火处理，其中采用950度正火处理和淬火处理时，要求炉温应控制在780℃～950℃，采用650度高温回火处理过程中，要求炉温应达到650℃～670℃，采用250度低温回火处理过程中，要求炉温应达到260℃～280℃。对于棒材的热处理，工艺选择以及模式与钢板热处理炉类似，都是根据最终产品订单需求，制定相应的工艺温度。目前炉窑设备中，热处理炉的控制模式比加热炉在自动化方面要先进，在参数设定、燃烧控制、启停炉的过程中，均能够实现一键操作，且通过程序优化，可实现自动能耗分析、设备管理分析及统计提醒等功能。

1.3 燃烧系统分析

带辐射管辊底式热处理设计时，在炉长方向上，将炉子按每段进行模块化划分，共划分不同模块，不同的模块对应不同的工艺温度。一般工艺曲线执行升温、保温及降温，炉长的设计结合工艺曲线温度、载荷及速度。按照辊面标高，可将炉膛内部分为两个温度控制区，即上、下区，共含有数个温度控制区，配置脉冲控制燃烧。在燃烧功率分配方面，按照工艺曲线配给，分为加热区、保温区和冷却区。加热区加热功率占总加热功率50%以上，保温区及冷却区基本上以补热设计为主，更多承担烘炉给热。在每段燃烧控制过程中，各加热元件的启闭由控制器独立运行，但各加热元件的启动有一定的时间间隔，这样可以保证炉温均匀性和用电、燃气、空气总管压力的稳定性。

加热元件一般有电加热和燃气烧嘴两种选择。电加热元件常见与温度低、均匀性要求高的炉窑设备。目前常见的加热元件一般采用燃气烧嘴，烧嘴采用自身预热式结构，在炉子的上下侧对称安装，在炉子左右侧交叉式布置，材质为CrNi合金耐高温辐射管，在加热时保证钢材表面无氧化。目前常见的辐射管材质有1Cr18Ni9、Cr25Ni20、Cr25Ni35、Cr28Ni48W5等材质，对于温度超过950℃以上的，可考虑碳化硅材质辐射管。但对于目前国内常见的用于板、棒、线材热处理炉窑设备，CrNi合金材质的均可作为设计时考虑。

配套的自身预热式烧嘴，燃烧时气体可经喷嘴直接流出，通过换热翅片最终气体温度达500℃以上，与空气混合后能够在陶瓷管中形成气体燃烧区并完成燃烧过程。针对陶瓷内管其能够隔离废气流出和燃烧区域，进而避免燃烧火焰直接冲刷辐射管内部，能够使燃烧区域的热量均匀分布，进而确保燃热处理炉内温度均匀，使辐射管能够实现受热均匀，防止受热不均导致辐射管出现管道变形问题。在燃烧时会产生大量的高温废气，在回流气体过程中可经换热翅片对空气进行预热，进而达到节能降耗效果，经废气出口将废气流出。烧嘴开闭是通过燃烧控制器进行单独控制的，通过各区热量需求，实行脉冲燃烧控制。以上同时配置相应助燃风机、废弃风机及烟囱，形成整个燃烧系统。烧嘴控制可采用ON-OFF模式进行，通过控制各个烧嘴在一个周期内的通-断时间或循环选择烧嘴开启数量控制炉子热负荷的供给率，达到炉温控制的目的。单个烧嘴将通过打开燃气和助燃空气阀门以及通电点火电极来点火，点燃以后，火焰将通过点火电极的电离测量装置来监测。

1.4 传动系统

在热处理炉中，炉辊设计有两种：带水冷耐热炉辊和无水冷耐热炉辊。设计采用带水冷耐热炉辊，多数因为载荷和成本因素考虑；但易导致钢材表面出现黑印等缺陷，同时对设备维修要求较高。目前连续式的热处理炉常见的多采用无水冷耐热炉辊，材质多为3Cr24Ni7SiN、Cr25Ni20、Cr28Ni48W5等，炉辊间距根据产品规格和载荷进行选择。控制方式有单辊变频方式实现传动，也有集中链式传动控制。无水冷耐热炉辊炉设计时辊身为空腹、端部一般为锥形，并填充耐火材料，保证辊底与炉墙密封。在辊头与炉墙位置设置密封耐材，防止气体从炉内溢出，也起保温作用。辊头与辊身之间须有台阶（类似挡环），起到钢材运行中导向作用。炉辊一端固定在炉体钢结构上（称为驱动侧），另一侧为非驱动侧，一般称为自由式，可进行热膨胀吸收，节约成本。传动设计时根据炉长，考虑分区、分段，一组电机驱动控制一段链式集中传动。区段之间需重点考虑速度均匀性，避免出现跳齿、卡顿现象。此类传动方式重点考虑安装时的跑偏问题，不管炉长多长，在炉长方向上，离炉子中心线跑偏量不能超过20mm，一般控制在10mm～20mm以内，控制在10mm以内为更佳；这类要求对于施工安装过程要求很高，当然炉辊制造精度是前提。

1.5 控制系统

电气设备及控制系统设计以先进、经济、实用、可靠、安全为原则，以满足工艺设备自动运行和操作维护的要求，确保生产产品的质量、技术经济和环保指标，使自动控制达到目前国内水平。此类炉窑设计电气控制系统一般涵盖传动系统、燃烧系统、保护气系统、风机系统以及阀站等。系统一般设计可由一套西门子公司的S7-1500（PLC）可编程控制器、1台工业控制计算机组成系统。其具体涉及数字交流变频传动系统、基础自动化系统以及自动控制系统。其中自动控制系统采用以太网，能够实现HMI与PLC的通讯。目前随着工业智能的提升，对控制系统的运维也提出了新的要求。“工业炉远程服务系统”将工业炉设备的操作、维护、管理从过去的固定设备、固定地点、固定人员，扩展到任何网络覆盖地域场所、所有被授权人员、各类可上网设备。系统一般配设一套一定容量的不间断电源UPS，保证区域内的设备及控制系统正常运行、日常的检修和维护。通过“工业炉远程服务系统”可以在远离设备地点实时显示、监控、操做、维护目标设备，还可下载、存储、分析、优化目标设备的运行参数。这一系统的应用，大大简便了工业炉设备的调试、生产管理、维护保养，提高了设备生产效率。

2 热处理炉辐射管的失效分析

对于辐射式加热的辊底式热处理炉，辐射管的安装方式一般依据炉膛截面宽度进行选择设计，最常见的为端部支撑模式和吊挂模式。端部支撑常见于炉膛截面宽度在≤2000mm以下的、采用直型辐射管的热处理炉，比如常见的棒材辊底式热处理炉，目前国内设计的棒材热处理炉比较常见。吊挂模式常见于钢板式热处理炉，其生产的钢板规格一般在3000mm以上的宽度，炉膛截面宽度大，常见的为单根辐射管吊挂、两根辐射管配对吊挂等。另有一些采用U型模式的辐射管，其安装方式一般也采有吊挂模式。具体设计时，可根据客户需求，进行选择，但原则方面需考虑长期高温情况下，辐射管受热变形受力点等力学问题，需保证设备长期稳定运行，降低因设计带来的后期维护的提升。

2.1 端部支撑模式辐射管运行分析

端部支撑安装辐射管，其一端固定在炉体钢结构上，另一端支撑在炉内侧墙耐材上，通过安装调平，辐射管处于水平稳定状态。炉墙支撑侧留有足够的空间，以保证辐射管膨胀变形余量。烧嘴在燃烧过程中，辐射管会沿水平方向出现受热膨胀。辐射管一端固定与炉体钢结构上，另一端支撑在侧墙耐材上自由膨胀。这种安装方式，辐射管长度一般不会太长，辐射管自身的强度，在热处理工艺温度下可以有效抵抗辐射管的弯曲变形。但变形程度与长期工作时间有一定的关系。辐射管长期处于高温状态下，处于辐射管中部区域易弯曲变形，变形方向沿重力方向有下沉趋势。一般生产企业，为追求生产效率最大化，经常都是设备出现问题或者产品性能不达标（主要为脱碳指标），被迫接受停产检修。此类设备维护管理思路只会增加企业实际运行成本，不科学也不可取。

在生产过程中，企业应最大限度降低成本，通常要采用预防性检维修方式，降低弯曲对辐射管的影响，做到事前预防、事后有预案维修。在现场使用中，客户可通过定修，旋转辐射管180°，通过后续使用中重力影响下，热弯曲矫正，以达到降低弯曲变形量，满足使用要求。旋转周期，可根据生产实际情况进行操作，一般实际在3个月～6个月，企业应结合实际生产情况选择。在实际操作中，由于旋转辐射管是在炉外用力，旋转辐射管，辐射管支撑在侧墙上的根部会对耐材在旋转方向上受力，对支撑附近的耐材有局部损坏，需要检修时特别注意。检修人员可部分人员进炉，在旋转时里外人员配合选择，同时在检修旋转操作时，检修人员用力要均匀，尽量控制辐射管旋转过程中在水平方位波动量小，减少对侧墙耐材的损坏，最大限度降低对炉内耐材的影响。设计方面可以在设计之初加强耐材局部固定、耐磨等方式缓解。

2.2 吊挂模式辐射管运行分析

吊挂模式安装上部供热辐射管，对于长的辐射管要求中间也有吊挂件接触，稳定辐射管。在辐射管尾部位置以及吊挂件尾部位置要求两者间保持一定间隙，以保证辐射管受热膨胀变形余量。烧嘴供热时，辐射管及吊挂件会出现受热膨胀，在水平方向上辐射管产生膨胀变形，在垂直方向上吊挂件出现膨胀变形，如果没有合理安装吊挂件及吊挂件安装位置较低，其他吊挂件安装位置较高，当吊挂件与辐射管产生受热膨胀后，此时，与辐射管端部近的吊挂件与辐射管脱离，其余吊挂件与辐射管头部接触较为紧密，仅次于吊挂件与辐射管头部的接触，使辐射管处于悬空状态，长时间使用，在重力作用下处于悬空状态的辐射管会存在下沉趋势，高温状态下，趋势更为明显；同时由于受头部吊挂影响，使辐射管头部弯曲变形量较大，吊挂件及辐射管受力变形。

由于受温度因素变化，在降温时会加大辐射管和吊挂件变形，在冷却时吊挂件会垂直向上收缩，导致辐射管水平收缩，靠近辐射管头部的吊挂件能够托起辐射管，导致头部位置产生较大变形。与端部较近的吊挂件与辐射管尾部出现分离，这种情况下吊挂件易使辐射管出现悬空状态，吊挂件对辐射管存在向上的拉力，在受拉力和自重影响下会加大辐射管变形，变形后由于辐射管逐渐向内管进行挤压，长时间会导致内管破碎，内管破碎。内管破碎后，火焰和废气会直接加热辐射管，不仅影响加热效果，同时还会严重破坏辐射管结构综合分析。

对于两根辐射管同一水平位置安装，配对采用是由一个吊挂悬吊方式。受热后长、短辐射管会沿着水平方向产生受热膨胀，使辐射管出现水平膨胀。在体积膨胀时辐射管头部与吊挂件摩擦力增加，这种摩擦力会使吊挂件沿着膨胀方向产生作用力，使其受力变形，同时辐射管头部变形严重，辐射管头部与吊挂件处于搭接状态，其易于从吊挂件中脱落。在热处理炉降温过程中，辐射管与吊挂件受温度变化影响，容易变形，在冷却时吊挂件和辐射管分别产生垂直向上和水平方向收缩，导致原来与吊挂搭接的临界点中辐射管脱落，尤其对于长辐射管来说这种现象较为明显。在处于高温条件下，脱落后的辐射管由于自身重力影响，会使辐射管变形严重，不断挤压内管使其产生破损。火焰和辐射管直接接触导致其变形更加严重。综合来看，吊挂模式安装辐射管，配对安装和单根吊挂安装，均存在受环境温度变化而产生辐射管、吊挂件的膨胀收缩带来的失效问题。

所以在采用吊挂模式安装辐射管时，设计时因充分考虑辐射管、吊挂件的收缩膨胀问题，主要关注辐射管与吊挂件布置设计以及安装施工质量、炉温控制、吊挂件强度等。在吊挂件辐射管安装过程中，需严格按照图纸要求，进行位置尺寸设计，否则在吊挂件和辐射管受热后，很容易产生结构变形，进而使辐射管处于不合理状态。在控制炉温热处理炉升温降温时，应当按照有关规定严格操作，防止出现急冷或急热问题，使用半年的辐射管需进行180°旋转，以防长时间累积轻微变形，可在吊挂件材质上或结构上增加抗变形措施，以提升吊挂螺杆使用强度，可适当增加吊挂件下方的托板面积，进而对辐射管水平缩胀提供余地，防止辐射管从吊挂件中脱落。

3 小结

总之，在本研究中针对带辐射管加热辊底式热处理炉，主要从技术、设计、安装、经济角度出发；同时，利用计算机软件，对热处理过程实现智能化控制。此外，重点针对热处理炉辐射管失效影响因素中，安装、施工质量以及吊挂件与辐射管布置设计对其影响较大，因此，在进行热处理炉辐射管安装过程中，需按照图纸要求进行安装，且实际时需充分考虑维修工作量等企业运行的现实问题。