水梁及耐热合金垫块在步进梁式加热炉工程上的应用

2012-07-05孟庆国

科技传播 2012年3期

关键词：工业炉梁式钢坯

孟庆国

中冶东方工程技术有限公司，内蒙古包头 014010

1 概述

步进梁式加热炉作为钢坯轧制前加热的主要技术手段，已广泛应用于棒、线材生产线，特钢生产线，热处理炉，板坯炉等，具有加热质量好，加热速度快，在炉时间短，氧化烧损少，节能降耗等优点。

本文结合中冶东方技术有限公司包头贝瑞工业炉公司多年的耐热合金垫块在步进梁式加热炉上面的使用经验，以及参考同行业的一些垫块的应用情况，总结各自的技术特点及使用效果，对步进梁式加热炉水梁的设计和垫块的型式做了一些粗浅的探讨。

2 步进炉水梁的布置

水梁布置主要有以下因素决定：

1）料坯的长度和布料要求

步进梁的根数是按照钢坯长度，步进梁间距以及坯料在粱上悬臂长度确定的。一般步进梁和固定梁的中心距不小于600mm。对坯料而言步进梁或固定梁都可以放在最外侧，由于活动梁和固定梁是交替承重，钢坯在固定梁上的支撑时间大约70%～80%的时间，所以设计中一般固定梁的数量要优于活动梁。

多排布料时，要考虑每排料坯的支撑情况，每排料坯要考虑至少需要两根活动梁支撑，两根固定梁支撑，才能实现步进要求。

2）加热炉的钢种及加热质量要求

根据钢坯的化学成分以及温度均匀性的要求，综合考虑步进梁的数量，管底比，炉底孔洞的面积比，合理布置步进梁水梁。

3）是否有交错步进型式的要求

为了最大限度的消除黑印，保证加热质量，有时会采用步进梁采用交错布置技术，即将步进梁在加热段进入均热段时沿炉宽方向偏离一段距离，使钢坯在均热段来不及形成黑印，而原来的从加热段带来的黑印经梁错位后逐渐消失。

有些资料证明错位梁带来的温差比直线梁温差少15%～20%。

4）钢坯的悬臂要求，梁间距要求

（1）最大悬臂长度一般按钢坯厚度、加热温度、高温下停留的时间等因素确定，也可按照下面公式估算：

其中，K1为悬臂系数，S1为钢坯厚度；

活动梁和固定梁的最大中心距：

其中，K2为跨度系数，S2为钢坯厚度；

下表为一些资料介绍参考的系数值

表1 钢坯悬臂系数和跨度系数参考表

（2）因为最大悬臂长度一般按钢坯动梁或固定梁的间距应保证钢坯在高温下不产生“塌腰”，钢坯在活动梁上外伸长度，应保证活动梁平移时钢坯端头下挠不挂固定梁，所以有些资料按照钢坯的下挠量来计算悬臂及跨距。

其中s为钢坯的厚度，表2是求最大悬臂长度L最大悬臂长度和跨度L最大跨度的一个半经验式中系数k1和k2的值。

表2 K1（分子）和K2（分母）值

5）其它考虑的因素比如管底比，跨度，下加热烧嘴的能力等。

6）依照上述各项条件，同时考虑错位梁的形式，在满足所有钢坯装入条件的前提下，梁的根数越少越好。

3 步进水梁的材质要求

步进梁采用壁厚不小于10mm的热轧锅炉钢管制作，材料为20号优质碳素结构钢。

关于20、20G、20g、20R的区别：

20、20G、20g～20g柱这四个钢号均为含碳量0.20% 的碳素结构钢，在设计上容易产生混淆，若不能正确选用往往会造成严重的后果。

4 纵水梁的型式及结构

步进梁水冷管的结构有单元管、双圆管、长圆管、椭圆管和矩形管等。

选用步进梁的结构形式，应根据管材供应情况、炉型、料坯断面、炉子的载荷等条件来决定。

由于管材供应和成本考虑等原因，现在大部分步进梁采用厚壁单圆管和厚壁双圆管结构。

但从节能和减少水管来讲，应尽量少采用圆形管结构。因为，同样大小的断面模数，长圆管、椭圆管和矩形管表面积要比圆形管少15%～20%左右，因为水梁的断面模数和其高度的平方成正比。水梁面积的减少，就意味着炉子下供热状态和坯料上下温差的改善，同时也意味着炉子能耗的降低。

单根纵梁长度不宜超过25m，超过时应该分段设计。

5 水梁立柱的结构及型式

1）步进梁的纵水梁由水梁立柱支撑。立柱间距一般取2m～4m；

2）炉底框架是固定梁的承重载体，炉底平移框架是活动梁的承重载体。立柱在纵向上是一个桁架结构，但在横向上相互独立；

3）立柱的水冷系统有汽化冷却和水冷却两种形式。由于汽化冷却具有很好的回收效果，现代化的加热炉一般采用汽化冷却方式。

6 耐热合金垫块的形状和结构

1）垫块的应用部位

为了减小钢坯与水冷梁接触处的“黑印”温差，缩小接触处与两根支撑梁中间钢坯的表面温差，避免热钢坯与低温水冷梁之间直接接触，在炉子纵向支撑梁上安装了耐热合金垫块。

垫块的形状及其与纵梁的连接方式应根据炉型、坯料的形状和尺寸、对钢坯加热“黑印”的要求，以及垫块材质及其价格等因素确定。

2）垫块的材质

耐热合金垫块的材质一般为ZGCr25Ni20Si2，ZGCr28Ni48W5，Co20，Co40，Co50等。

根据加热炉的不同温度段可采用不同高度和不同材质的耐热合金垫块。在低温段，由于垫块承受的温度较低，为经济实用，垫块的材质一般采用Cr25Ni20Si2，Co20，高度大约50mm～70mm；在高温段为了有效地消除水冷梁“黑印”，垫块的高度要稍高一些，高度大约在70mm～90mm，同时由于垫块承受的温度高，耐热合金垫块一般选用ZGCr28Ni48W5或Co40。

值得一提的是，由包头贝瑞工业炉公司和包钢稀土研究院联合开发的耐热垫块ZGCr25Ni31WNbRe，具有抗高温蠕变强度、氧化性能高具有较高的耐磨性、抗腐蚀性和抗热冲击性，而且投资低，已经广泛应用于各种步进梁式加热炉上，作为高温段耐热垫块的首选。

表3 高温垫块的牌号和主要成分 %

表4 垫块的主要技术性能

3）垫块的安装方式

在一些有对齐推钢机的步进梁式加热炉上，由于装料端料坯和垫块之间会滑动较长距离，非常频繁，较长时间后，可能会造成卡块与水梁之间的焊接松动，从而导致垫块掉落，所以在卡块与水梁焊接的基础上，垫块与水梁也焊接，保证其安全性。由于装料端温度较低，正常情况下≤900℃（蓄热式加热炉≤1000℃），热膨胀系数较小，所以对梁的刚度基本没有影响。这种安装方式，已应用于多座加热炉，使用效果良好。由包头贝瑞工业炉公司为包钢特钢厂设计的步进梁式加热炉，结合现场的实际情况以及严格计算，步进梁上垫块以及卡块全部通常焊接，现场使用情况良好，具有一定的参考价值。

4）耐热垫块尺寸

垫块上表面承受钢坯压力，在加热普碳钢时平均承受压力可按1.0MPa～2.0MPa选取，但合金钢和硅钢的承钢应力比普碳钢小得多，承钢应力过大所造成的压痕是无法消除的。

条形焊接垫块长度可为150mm～250mm，宽度可为25mm～50mm，高度可为60mm～120mm；

条形骑卡块垫块长度可为100mm～200mm，宽度可为40mm～100mm，高度可为60mm～150mm。