双排布料步进式加热炉钢坯跑偏的问题研究

于谢天

（中冶东方工程技术有限公司， 山东 青岛 266555）

目前国内棒线材、长材轧钢厂普遍采用步进式加热炉作为钢坯加热的设备。传统步进式加热炉多为单只布料的形式，即一个步进周期上料一只钢坯，出料一只钢坯，炉内钢坯呈单列。随着发展，双排布料形式的加热炉应运而生。不通过任何改造的原单排布料步进加热炉往往不能满足双排布料的生产形式，其会产生钢坯步进中跑偏等问题。为解决跑偏问题，必须对炉底钢结构和炉底机械进行加固处理。

1 产生跑偏的原因

步进式加热炉的最终承载结构主要包括：炉底钢结构、炉底机械。

针对传统的单只布料步进式加热炉进行受力分析，我们认为加热炉炉底钢结构以及炉底机械由于设计之初未考虑双排布料可能的受力情况，当实施双排布料时，其机械强度、稳定性会产生造成钢坯跑偏的诱因。

传统单只布料步进式加热炉的设计为：在加热段炉底钢结构上安装有4根固定水梁、炉底机械上安装有4根活动水梁，均热段炉底钢结构上安装有6根固定水梁、炉底机械上安装有4根活动水梁。单只布料时，每只钢坯受4根水梁或6根水梁共同承载，当钢坯中心和加热炉中心一致时，每一水梁所受压力均等于对称于加热炉中心的另一测的对应水梁所受压力，炉底钢结构和炉底机械均为对称设计。可以理解为整个炉底钢结构、炉底机械的受力都是以加热炉中心线对称的，这使延加热炉步进方向的纵梁以及各种支撑的位置设计相对随意。当单排布料加热炉钢坯中心和加热炉中心不一致、存在一定距离时，钢坯重心偏移，会使水梁立柱传递压力不均，此时延钢坯长度方向两端头的水梁所受的弯矩、压力产生变化，一端增大一端减小，中部的水梁受力情况与钢坯中心和加热炉中心一致时差别小，两端头水梁受力情况的变化大，这可能会使炉底钢结构、炉底机械的延钢坯长度方向产生以加热炉中心线为中心不对称的变形。但钢坯为一个整体，自身有刚度，且钢坯中心接近加热炉中心，使得炉底钢结构、炉底机械以及水梁变形数值不会对钢坯产生延钢坯长度方向的移动作用。其他例如设备制造、安装影响钢坯跑偏的因素往往可以通过现场调整加热炉对中装置、加热炉轨道高度角度来修正。所以传统单只布料步进式加热炉的跑偏问题相对容易解决。

双排布料加热炉的炉底钢结构、炉底机械受力情况与单排布料时的受力情况有很大的不同，最直接的表现为每只钢坯受2根水梁或3根水梁（均热段固定水梁）承载。这对于加热炉设计阶段未考虑双排布料工况的步进加热炉是不被允许的。因为钢坯带来的负载重心不再在加热炉中心线上，而是分解成了两个相对加热炉中心线对称的点，且分解的重心很有可能不处于支撑钢坯的两根水梁或3根水梁的中心上；钢坯由具有整体刚度的一根，变为毫无关系的两根钢坯；炉底机械、炉底钢结构以及水梁的强度、刚度可能不满足于使用要求；加热炉中心线的一侧水梁的顶端标高直接影响钢坯在水梁上的位置形态。当传统单只布料步进式加热炉在承载这种负载时，炉底钢结构、炉底机械均会出现造成以加热炉中心外侧水梁顶端标高低、内侧水梁顶端标高高的情况，以炉底钢结构及其上水梁承载钢坯为例，其整体变形情况如图1所示。由此可以看出相对于加热炉中心线两侧的钢坯均外侧低中部高，当钢坯步进时，这种钢坯的偏移会被依次积累起来，造成钢坯的跑偏。

图1 双排布料炉底钢结构、水梁、钢坯位移情况

产生如上所述跑偏状况的直接原因为承载钢坯的炉底钢结构、炉底机械受力变形，承载钢坯的水梁不在同一标高位置。

2 双排布料跑偏问题的优化改造

双排布料时，当承载钢坯的每一根水梁受炉底钢结构、炉底机械挠度和水梁自身变形下降位移相等时，可以认为其不会跑偏。

为改善此问题，首先考虑从布料形式上解决。当钢坯处于理想位置时，炉底钢结构、炉底机械挠度和水梁自身变形下降位移相等，从而解决跑偏问题。现场可以通过修改电控或其他措施，在加热炉装料时，使两根钢坯停止在理想位置上料。然而当实际加热炉改双排布料使用时，即使两根钢坯间距为0，也不能使下降量相等；还有部分加热炉，长尺钢坯上料两根钢坯之间不会有很大的间隙；短尺钢坯上料两根钢坯间缩小了间隙后，外侧水梁距离短尺钢坯外边缘过近，安全距离小，运行时可能发生“掉道”。所以仅改变布料形式，不具有实用性。

考虑对梁进行加固，改变梁的受载弯曲特征，是改善钢坯跑偏问题的第二解决办法。

2.1 炉底钢结构的优化改造

以不影响其余加热炉结构，不影响既有炉底机械、土建结构、管道布置为原则，增加梁对称于加热炉中心的一对型钢焊接制成的梁，改变水梁下组合梁的受力情况，达到修正炉底钢结构和水梁自身变形大等目的，采取优化改造方案。

以加热段（4固定水梁支撑钢坯）为例，通过三维绘制，对算例施加约束、载荷、接触，通过有限元计算得到较为准确的变形结论，从中读出水梁顶面竖直方向位移值。

由图2可以看出，增加梁支撑可以直接影响水梁顶面的标高，原始状态加热炉两侧水梁明显低于中部水梁；加固实现水梁顶面标高近似一致，外高、内低，钢坯有向加热炉中心跑偏的趋势。

图2 水梁顶面竖直方向位移值

2.2 炉底机械的优化改造

炉底机械的结构与炉底钢结构截然不同，优化改造炉底机械不但需要考虑不得与炉底钢结构、管道等干涉，还需要考虑增加重量不得过多，因为炉底机械运动系统与负载状况息息相关。

直接承载水梁的为上层框架，优化改造上层（平移）框架实现水梁顶面的标高接近一致的方式较为容易。通过一系列的结构选取、建模、有限元计算，得出的方案是对加热炉炉底机械上层框架两侧增加三角钢板支架，沿步进方向大纵梁间增加H型钢支撑。通过调节H型钢支撑的截面规格，可改变安装水梁加工面的位置状况，从而解决钢坯在炉底机械活动水梁上跑偏的问题。

3 结语

双排布料步进式加热炉的炉底钢结构与炉底机械受力状况与传统的步进式加热炉不同，需要考虑可能出现的钢坯步进跑偏问题。本文主要阐述已建成的传统步进加热炉优化改造成可双排布料的加热炉的一种方法，经改造后，加热炉各项技术指标达到了双排布料生产使用要求，可为后续新建和改造类似项目提供了可行的技术方案。

[1] 武文斐，陈伟鹏，刘中强，等.冶金加热炉设计与实例[M].北京：化学工业出版社，2007.

（编辑：王瑾）