舒 軍，張國忠，張鳳軍

在鋼材生產(chǎn)過程中，熱處理作為其后道加工處理，能夠從一定程度上提升鋼材的力學(xué)性能，使其可以直接作為零部件加工，省去下道工序的零件處理。尤其對于鋼鐵后道熱處理時(shí)，熱處理爐作為重要設(shè)備，相比軋鋼加熱爐來說能夠?qū)t內(nèi)各個(gè)位置的溫度進(jìn)行控制，使其能夠在不同方向保持均勻溫度，保證熱處理產(chǎn)品要求。本文結(jié)合目前常見的熱處理爐設(shè)計(jì)，從爐型、工藝、燃燒系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等主要方面進(jìn)行介紹。帶氣氛要求的輻射管熱處理爐，輻射管的安裝方式有端部支撐和吊掛模式（采取輻射管配對安裝和長輻射管橫跨爐體布置的方式），在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)利用兩種安裝方式進(jìn)行熱處理爐輻射管布置，會(huì)出現(xiàn)輻射管失效問題。

1 熱處理爐的設(shè)備結(jié)構(gòu)以及工藝

1.1 爐型機(jī)構(gòu)造

熱處理爐可分為連續(xù)式及間歇式兩種，根據(jù)熱處理爐的加熱方式又分為輻射管加熱和明火加熱兩種方式。對于不同爐型在特厚板高溫回爐和其他熱處理時(shí)，一般采取的是間歇式加熱法，但對于步進(jìn)梁式加熱爐在無法實(shí)現(xiàn)長板連續(xù)加熱出爐的情況下，一般采用的是連續(xù)式加熱爐。目前國內(nèi)的大多數(shù)用于板、棒材熱處理的、且需要?dú)夥毡Ｗo(hù)的，常見為間接加熱的輥底式熱處理爐。

明火加熱輥底熱處理爐生產(chǎn)過程中無法保證爐內(nèi)無氧化環(huán)境，在具體加熱時(shí)很容易出現(xiàn)鋼材表面氧化，最終降低產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。企業(yè)結(jié)合生產(chǎn)需求，一般對產(chǎn)品表面有脫碳等質(zhì)量要求的，此類生產(chǎn)設(shè)備一般采取惰性保護(hù)氣體（如氮?dú)猓╅g接加熱，輻射管加熱輥底熱處理爐就是其中一種。輻射管間接加熱輥底式熱處理爐具體結(jié)構(gòu)包含：爐子鋼結(jié)構(gòu)、入口密封室、輻射管加熱器、爐內(nèi)輥道、排煙系統(tǒng)、保護(hù)氣、壓縮空氣系統(tǒng)，爐子氣體以及燃?xì)饧爸伎諝夤艿?。基本涵蓋常規(guī)爐窯設(shè)計(jì)的設(shè)備組成，從傳動(dòng)、燃燒、氣體、氣氛、控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行考慮。為了提升保護(hù)氣氛的效果，提升產(chǎn)品質(zhì)量，此類爐型在安裝的時(shí)候，均需要做安裝保壓測試。多數(shù)保壓測試在半分鐘以內(nèi)，爐壓在250pa情況下測試，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，未超過壓力損失50%為佳。這對設(shè)計(jì)的要求、采購件的質(zhì)量、制造的精度要求以及安裝質(zhì)量的要求都有很高的規(guī)定。通常對于一些鋼管、銅盤條以及高要求脫碳性能要求的（如部分客戶要求理想狀態(tài)零脫碳）熱處理爐，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮增加滲碳等技術(shù)，通過監(jiān)控爐內(nèi)氧含量、水含量、二氧化碳含量等技術(shù)手段，控制鋼材在爐內(nèi)熱處理過程中表面碳反應(yīng)平衡，達(dá)到最大程度降低脫碳，實(shí)現(xiàn)客戶需求。

1.2 參數(shù)設(shè)置及流程分析

在鋼板生產(chǎn)過程中，其主要需經(jīng)過一系列的加工流程，包括脫硫預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐冶煉，精煉，板坯連鑄，再加熱，粗軋、精扎，冷卻，空冷，熱處理，探傷，入庫，發(fā)貨。針對熱處理爐在工藝參數(shù)設(shè)置時(shí)要求設(shè)置爐溫最高為980℃，爐鋼板的溫度應(yīng)控制在150℃范圍內(nèi)，能夠分別針對鋼板實(shí)現(xiàn)淬火、正火以及回火處理，其中采用950度正火處理和淬火處理時(shí)，要求爐溫應(yīng)控制在780℃～950℃，采用650度高溫回火處理過程中，要求爐溫應(yīng)達(dá)到650℃～670℃，采用250度低溫回火處理過程中，要求爐溫應(yīng)達(dá)到260℃～280℃。對于棒材的熱處理，工藝選擇以及模式與鋼板熱處理爐類似，都是根據(jù)最終產(chǎn)品訂單需求，制定相應(yīng)的工藝溫度。目前爐窯設(shè)備中，熱處理爐的控制模式比加熱爐在自動(dòng)化方面要先進(jìn)，在參數(shù)設(shè)定、燃燒控制、啟停爐的過程中，均能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵操作，且通過程序優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)能耗分析、設(shè)備管理分析及統(tǒng)計(jì)提醒等功能。

1.3 燃燒系統(tǒng)分析

帶輻射管輥底式熱處理設(shè)計(jì)時(shí)，在爐長方向上，將爐子按每段進(jìn)行模塊化劃分，共劃分不同模塊，不同的模塊對應(yīng)不同的工藝溫度。一般工藝曲線執(zhí)行升溫、保溫及降溫，爐長的設(shè)計(jì)結(jié)合工藝曲線溫度、載荷及速度。按照輥面標(biāo)高，可將爐膛內(nèi)部分為兩個(gè)溫度控制區(qū)，即上、下區(qū)，共含有數(shù)個(gè)溫度控制區(qū)，配置脈沖控制燃燒。在燃燒功率分配方面，按照工藝曲線配給，分為加熱區(qū)、保溫區(qū)和冷卻區(qū)。加熱區(qū)加熱功率占總加熱功率50%以上，保溫區(qū)及冷卻區(qū)基本上以補(bǔ)熱設(shè)計(jì)為主，更多承擔(dān)烘爐給熱。在每段燃燒控制過程中，各加熱元件的啟閉由控制器獨(dú)立運(yùn)行，但各加熱元件的啟動(dòng)有一定的時(shí)間間隔，這樣可以保證爐溫均勻性和用電、燃?xì)?、空氣總管壓力的穩(wěn)定性。

加熱元件一般有電加熱和燃?xì)鉄靸煞N選擇。電加熱元件常見與溫度低、均勻性要求高的爐窯設(shè)備。目前常見的加熱元件一般采用燃?xì)鉄?，燒嘴采用自身預(yù)熱式結(jié)構(gòu)，在爐子的上下側(cè)對稱安裝，在爐子左右側(cè)交叉式布置，材質(zhì)為CrNi合金耐高溫輻射管，在加熱時(shí)保證鋼材表面無氧化。目前常見的輻射管材質(zhì)有1Cr18Ni9、Cr25Ni20、Cr25Ni35、Cr28Ni48W5等材質(zhì)，對于溫度超過950℃以上的，可考慮碳化硅材質(zhì)輻射管。但對于目前國內(nèi)常見的用于板、棒、線材熱處理爐窯設(shè)備，CrNi合金材質(zhì)的均可作為設(shè)計(jì)時(shí)考慮。

配套的自身預(yù)熱式燒嘴，燃燒時(shí)氣體可經(jīng)噴嘴直接流出，通過換熱翅片最終氣體溫度達(dá)500℃以上，與空氣混合后能夠在陶瓷管中形成氣體燃燒區(qū)并完成燃燒過程。針對陶瓷內(nèi)管其能夠隔離廢氣流出和燃燒區(qū)域，進(jìn)而避免燃燒火焰直接沖刷輻射管內(nèi)部，能夠使燃燒區(qū)域的熱量均勻分布，進(jìn)而確保燃熱處理爐內(nèi)溫度均勻，使輻射管能夠?qū)崿F(xiàn)受熱均勻，防止受熱不均導(dǎo)致輻射管出現(xiàn)管道變形問題。在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的高溫廢氣，在回流氣體過程中可經(jīng)換熱翅片對空氣進(jìn)行預(yù)熱，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗效果，經(jīng)廢氣出口將廢氣流出。燒嘴開閉是通過燃燒控制器進(jìn)行單獨(dú)控制的，通過各區(qū)熱量需求，實(shí)行脈沖燃燒控制。以上同時(shí)配置相應(yīng)助燃風(fēng)機(jī)、廢棄風(fēng)機(jī)及煙囪，形成整個(gè)燃燒系統(tǒng)。燒嘴控制可采用ON-OFF模式進(jìn)行，通過控制各個(gè)燒嘴在一個(gè)周期內(nèi)的通-斷時(shí)間或循環(huán)選擇燒嘴開啟數(shù)量控制爐子熱負(fù)荷的供給率，達(dá)到爐溫控制的目的。單個(gè)燒嘴將通過打開燃?xì)夂椭伎諝忾y門以及通電點(diǎn)火電極來點(diǎn)火，點(diǎn)燃以后，火焰將通過點(diǎn)火電極的電離測量裝置來監(jiān)測。

1.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

在熱處理爐中，爐輥設(shè)計(jì)有兩種：帶水冷耐熱爐輥和無水冷耐熱爐輥。設(shè)計(jì)采用帶水冷耐熱爐輥，多數(shù)因?yàn)檩d荷和成本因素考慮；但易導(dǎo)致鋼材表面出現(xiàn)黑印等缺陷，同時(shí)對設(shè)備維修要求較高。目前連續(xù)式的熱處理爐常見的多采用無水冷耐熱爐輥，材質(zhì)多為3Cr24Ni7SiN、Cr25Ni20、Cr28Ni48W5等，爐輥間距根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和載荷進(jìn)行選擇。控制方式有單輥?zhàn)冾l方式實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，也有集中鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)控制。無水冷耐熱爐輥爐設(shè)計(jì)時(shí)輥身為空腹、端部一般為錐形，并填充耐火材料，保證輥底與爐墻密封。在輥頭與爐墻位置設(shè)置密封耐材，防止氣體從爐內(nèi)溢出，也起保溫作用。輥頭與輥身之間須有臺(tái)階（類似擋環(huán)），起到鋼材運(yùn)行中導(dǎo)向作用。爐輥一端固定在爐體鋼結(jié)構(gòu)上（稱為驅(qū)動(dòng)側(cè)），另一側(cè)為非驅(qū)動(dòng)側(cè)，一般稱為自由式，可進(jìn)行熱膨脹吸收，節(jié)約成本。傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)爐長，考慮分區(qū)、分段，一組電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制一段鏈?zhǔn)郊袀鲃?dòng)。區(qū)段之間需重點(diǎn)考慮速度均勻性，避免出現(xiàn)跳齒、卡頓現(xiàn)象。此類傳動(dòng)方式重點(diǎn)考慮安裝時(shí)的跑偏問題，不管爐長多長，在爐長方向上，離爐子中心線跑偏量不能超過20mm，一般控制在10mm～20mm以內(nèi)，控制在10mm以內(nèi)為更佳；這類要求對于施工安裝過程要求很高，當(dāng)然爐輥制造精度是前提。

1.5 控制系統(tǒng)

電氣設(shè)備及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠、安全為原則，以滿足工藝設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行和操作維護(hù)的要求，確保生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量、技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保指標(biāo)，使自動(dòng)控制達(dá)到目前國內(nèi)水平。此類爐窯設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)一般涵蓋傳動(dòng)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、保護(hù)氣系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)以及閥站等。系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)可由一套西門子公司的S7-1500（PLC）可編程控制器、1臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成系統(tǒng)。其具體涉及數(shù)字交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中自動(dòng)控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)HMI與PLC的通訊。目前隨著工業(yè)智能的提升，對控制系統(tǒng)的運(yùn)維也提出了新的要求?！肮I(yè)爐遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)”將工業(yè)爐設(shè)備的操作、維護(hù)、管理從過去的固定設(shè)備、固定地點(diǎn)、固定人員，擴(kuò)展到任何網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域場所、所有被授權(quán)人員、各類可上網(wǎng)設(shè)備。系統(tǒng)一般配設(shè)一套一定容量的不間斷電源UPS，保證區(qū)域內(nèi)的設(shè)備及控制系統(tǒng)正常運(yùn)行、日常的檢修和維護(hù)。通過“工業(yè)爐遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)”可以在遠(yuǎn)離設(shè)備地點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)控、操做、維護(hù)目標(biāo)設(shè)備，還可下載、存儲(chǔ)、分析、優(yōu)化目標(biāo)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。這一系統(tǒng)的應(yīng)用，大大簡便了工業(yè)爐設(shè)備的調(diào)試、生產(chǎn)管理、維護(hù)保養(yǎng)，提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。

2 熱處理爐輻射管的失效分析

對于輻射式加熱的輥底式熱處理爐，輻射管的安裝方式一般依據(jù)爐膛截面寬度進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，最常見的為端部支撐模式和吊掛模式。端部支撐常見于爐膛截面寬度在≤2000mm以下的、采用直型輻射管的熱處理爐，比如常見的棒材輥底式熱處理爐，目前國內(nèi)設(shè)計(jì)的棒材熱處理爐比較常見。吊掛模式常見于鋼板式熱處理爐，其生產(chǎn)的鋼板規(guī)格一般在3000mm以上的寬度，爐膛截面寬度大，常見的為單根輻射管吊掛、兩根輻射管配對吊掛等。另有一些采用U型模式的輻射管，其安裝方式一般也采有吊掛模式。具體設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)客戶需求，進(jìn)行選擇，但原則方面需考慮長期高溫情況下，輻射管受熱變形受力點(diǎn)等力學(xué)問題，需保證設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行，降低因設(shè)計(jì)帶來的后期維護(hù)的提升。

2.1 端部支撐模式輻射管運(yùn)行分析

端部支撐安裝輻射管，其一端固定在爐體鋼結(jié)構(gòu)上，另一端支撐在爐內(nèi)側(cè)墻耐材上，通過安裝調(diào)平，輻射管處于水平穩(wěn)定狀態(tài)。爐墻支撐側(cè)留有足夠的空間，以保證輻射管膨脹變形余量。燒嘴在燃燒過程中，輻射管會(huì)沿水平方向出現(xiàn)受熱膨脹。輻射管一端固定與爐體鋼結(jié)構(gòu)上，另一端支撐在側(cè)墻耐材上自由膨脹。這種安裝方式，輻射管長度一般不會(huì)太長，輻射管自身的強(qiáng)度，在熱處理工藝溫度下可以有效抵抗輻射管的彎曲變形。但變形程度與長期工作時(shí)間有一定的關(guān)系。輻射管長期處于高溫狀態(tài)下，處于輻射管中部區(qū)域易彎曲變形，變形方向沿重力方向有下沉趨勢。一般生產(chǎn)企業(yè)，為追求生產(chǎn)效率最大化，經(jīng)常都是設(shè)備出現(xiàn)問題或者產(chǎn)品性能不達(dá)標(biāo)（主要為脫碳指標(biāo)），被迫接受停產(chǎn)檢修。此類設(shè)備維護(hù)管理思路只會(huì)增加企業(yè)實(shí)際運(yùn)行成本，不科學(xué)也不可取。

在生產(chǎn)過程中，企業(yè)應(yīng)最大限度降低成本，通常要采用預(yù)防性檢維修方式，降低彎曲對輻射管的影響，做到事前預(yù)防、事后有預(yù)案維修。在現(xiàn)場使用中，客戶可通過定修，旋轉(zhuǎn)輻射管180°，通過后續(xù)使用中重力影響下，熱彎曲矯正，以達(dá)到降低彎曲變形量，滿足使用要求。旋轉(zhuǎn)周期，可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行操作，一般實(shí)際在3個(gè)月～6個(gè)月，企業(yè)應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況選擇。在實(shí)際操作中，由于旋轉(zhuǎn)輻射管是在爐外用力，旋轉(zhuǎn)輻射管，輻射管支撐在側(cè)墻上的根部會(huì)對耐材在旋轉(zhuǎn)方向上受力，對支撐附近的耐材有局部損壞，需要檢修時(shí)特別注意。檢修人員可部分人員進(jìn)爐，在旋轉(zhuǎn)時(shí)里外人員配合選擇，同時(shí)在檢修旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，檢修人員用力要均勻，盡量控制輻射管旋轉(zhuǎn)過程中在水平方位波動(dòng)量小，減少對側(cè)墻耐材的損壞，最大限度降低對爐內(nèi)耐材的影響。設(shè)計(jì)方面可以在設(shè)計(jì)之初加強(qiáng)耐材局部固定、耐磨等方式緩解。

2.2 吊掛模式輻射管運(yùn)行分析

吊掛模式安裝上部供熱輻射管，對于長的輻射管要求中間也有吊掛件接觸，穩(wěn)定輻射管。在輻射管尾部位置以及吊掛件尾部位置要求兩者間保持一定間隙，以保證輻射管受熱膨脹變形余量。燒嘴供熱時(shí)，輻射管及吊掛件會(huì)出現(xiàn)受熱膨脹，在水平方向上輻射管產(chǎn)生膨脹變形，在垂直方向上吊掛件出現(xiàn)膨脹變形，如果沒有合理安裝吊掛件及吊掛件安裝位置較低，其他吊掛件安裝位置較高，當(dāng)?shù)鯍旒c輻射管產(chǎn)生受熱膨脹后，此時(shí)，與輻射管端部近的吊掛件與輻射管脫離，其余吊掛件與輻射管頭部接觸較為緊密，僅次于吊掛件與輻射管頭部的接觸，使輻射管處于懸空狀態(tài)，長時(shí)間使用，在重力作用下處于懸空狀態(tài)的輻射管會(huì)存在下沉趨勢，高溫狀態(tài)下，趨勢更為明顯；同時(shí)由于受頭部吊掛影響，使輻射管頭部彎曲變形量較大，吊掛件及輻射管受力變形。

由于受溫度因素變化，在降溫時(shí)會(huì)加大輻射管和吊掛件變形，在冷卻時(shí)吊掛件會(huì)垂直向上收縮，導(dǎo)致輻射管水平收縮，靠近輻射管頭部的吊掛件能夠托起輻射管，導(dǎo)致頭部位置產(chǎn)生較大變形。與端部較近的吊掛件與輻射管尾部出現(xiàn)分離，這種情況下吊掛件易使輻射管出現(xiàn)懸空狀態(tài)，吊掛件對輻射管存在向上的拉力，在受拉力和自重影響下會(huì)加大輻射管變形，變形后由于輻射管逐漸向內(nèi)管進(jìn)行擠壓，長時(shí)間會(huì)導(dǎo)致內(nèi)管破碎，內(nèi)管破碎。內(nèi)管破碎后，火焰和廢氣會(huì)直接加熱輻射管，不僅影響加熱效果，同時(shí)還會(huì)嚴(yán)重破壞輻射管結(jié)構(gòu)綜合分析。

對于兩根輻射管同一水平位置安裝，配對采用是由一個(gè)吊掛懸吊方式。受熱后長、短輻射管會(huì)沿著水平方向產(chǎn)生受熱膨脹，使輻射管出現(xiàn)水平膨脹。在體積膨脹時(shí)輻射管頭部與吊掛件摩擦力增加，這種摩擦力會(huì)使吊掛件沿著膨脹方向產(chǎn)生作用力，使其受力變形，同時(shí)輻射管頭部變形嚴(yán)重，輻射管頭部與吊掛件處于搭接狀態(tài)，其易于從吊掛件中脫落。在熱處理爐降溫過程中，輻射管與吊掛件受溫度變化影響，容易變形，在冷卻時(shí)吊掛件和輻射管分別產(chǎn)生垂直向上和水平方向收縮，導(dǎo)致原來與吊掛搭接的臨界點(diǎn)中輻射管脫落，尤其對于長輻射管來說這種現(xiàn)象較為明顯。在處于高溫條件下，脫落后的輻射管由于自身重力影響，會(huì)使輻射管變形嚴(yán)重，不斷擠壓內(nèi)管使其產(chǎn)生破損?；鹧婧洼椛涔苤苯咏佑|導(dǎo)致其變形更加嚴(yán)重。綜合來看，吊掛模式安裝輻射管，配對安裝和單根吊掛安裝，均存在受環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生輻射管、吊掛件的膨脹收縮帶來的失效問題。

所以在采用吊掛模式安裝輻射管時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)因充分考慮輻射管、吊掛件的收縮膨脹問題，主要關(guān)注輻射管與吊掛件布置設(shè)計(jì)以及安裝施工質(zhì)量、爐溫控制、吊掛件強(qiáng)度等。在吊掛件輻射管安裝過程中，需嚴(yán)格按照圖紙要求，進(jìn)行位置尺寸設(shè)計(jì)，否則在吊掛件和輻射管受熱后，很容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而使輻射管處于不合理狀態(tài)。在控制爐溫?zé)崽幚頎t升溫降溫時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照有關(guān)規(guī)定嚴(yán)格操作，防止出現(xiàn)急冷或急熱問題，使用半年的輻射管需進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)，以防長時(shí)間累積輕微變形，可在吊掛件材質(zhì)上或結(jié)構(gòu)上增加抗變形措施，以提升吊掛螺桿使用強(qiáng)度，可適當(dāng)增加吊掛件下方的托板面積，進(jìn)而對輻射管水平縮脹提供余地，防止輻射管從吊掛件中脫落。

3 小結(jié)

總之，在本研究中針對帶輻射管加熱輥底式熱處理爐，主要從技術(shù)、設(shè)計(jì)、安裝、經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)；同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)軟件，對熱處理過程實(shí)現(xiàn)智能化控制。此外，重點(diǎn)針對熱處理爐輻射管失效影響因素中，安裝、施工質(zhì)量以及吊掛件與輻射管布置設(shè)計(jì)對其影響較大，因此，在進(jìn)行熱處理爐輻射管安裝過程中，需按照圖紙要求進(jìn)行安裝，且實(shí)際時(shí)需充分考慮維修工作量等企業(yè)運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)問題。