变容式台车热处理电阻炉的选型设计

2022-05-28吴家雷姜贤文王乃军张希刚张小青

现代制造技术与装备 2022年4期

吴家雷姜贤文王乃军张希刚黄旭张小青

（山东联友石化工程有限公司，济南 250101）

山东联友石化工程有限公司（以下简称公司）压力容器制造主厂房及相应配套设施1994年建成，原有热处理炉为2006年自制的第二台燃油炉。置于5 m高处的柴油罐里的柴油利用自压并通过风机送风实现混合燃烧，混合比由人工调节，在工作过程中经常冒黑烟，多次遭附近居民举报，且设备严重老化，已不能满足压力容器热处理的要求。2019年初，公司决定设计制作一台新热处理炉，与公司压力容器制作配套，同时作为压力管道工厂化预制焊口，兼用于设备、管道的衬里烘干。

1 热处理炉选型设计需要考虑的因素

1.1 选型设计需要考虑的主要因素

热处理炉选型设计主要需要考虑加热方式、炉膛尺寸及需要的有效长度。

加热方式主要考虑是选择燃气炉还是电加热。燃气炉相对制作成本较低，气候对炉子影响较小，可置于室外。但是，要增加专用燃气输送管线，且接入手续和在界区以外的管线维护是一个问题，同时不可能保证在“升温—恒温—降温”全过程近10 h甚至更长时间的操作过程中全部达标排放。此外，燃烧过程中难免存在硫化物和水，使得对处理要求较高的热处理工件受限。电炉制作成本高，主要设备必须置于室内，但易于维护，而且容易提高温度控制的自动化程度，最关键的是没有污染物的排放。综合各方因素，最终决定采用电加热。

对于炉膛截面尺寸及需要的炉体有效长度而言，如果从满足产品整体热处理的角度出发考虑，炉膛截面越大越好，长度越长越好。从节能的角度出发，结构应尽可能紧凑。此外，产品长途运输也需要考虑。依据公司2015—2018的4年制作容器产品规格的统计数据，95%的产品直径不大于2.4 m，长度不大于24 m，35%以上的产品长度不大于9 m。为最大限度节约能源，可以部分采用变容结构，以调节能耗。考虑到高速公路桥涵限高在5.5 m左右，除去车辆本身高度，直径应小于4.5 m。

综合上述因素，为适应压力容器产品大型化的发展趋势，热处理炉规格初步确定为25 m 3.6 m 3.6 m，变容操作模式，一次最大热处理容器产品不大于100 t。即使少量超出处理能力的产品，也可以采用局部热处理或内部加热法进行焊后热处理的方式进行。

1.2 热处理炉安装的位置

第一种方案是搭建钢结构厂房，将整个热处理炉包括台车轨道置于其中。这种方案需要的厂房净高高度不小于5.5 m，长度不小于45 m，宽度（含操作室）不小于10 m，总面积近500 m2，需要100 t以上的行车才能充分发挥热处理炉的能力。该方案除了需要额外的投入外，新建钢结构厂房的环评也存在不确定性，是否能够通过和需要等待多长时间通过都需要考虑。

第二种方案是利用现有厂房，只将热处理炉置于厂房，台车轨道延伸到厂房外面。这种方案的优点是不必再建厂房，节省了投资，能充分利用公司多辆300 t及以下大型吊车的优势，但带来了在热处理过程中台车防雨的问题。

最终确定第二种方案，并为台车另外设计制作一台可移动式防雨棚。

1.3 电力配套设施

供电企业能够单独提供6 kV专线，最大负荷为2 000 kW。需要从约800 m外的外电网通过地下电缆沟用电缆接入新设变电站，通过2台1 000 kV变压器，由6 kV转换成400 V作为热处理炉电源。

2 热处理炉总体布局、配套及核心部分

热处理炉总体布局包括热处理炉-行走轨道及机构-可移动式防雨棚（A）、集中控制室（B）和变电站（C）共3大部分，平面布置详见图1。控制气缸的压缩空气来源于公司现有的空压站，最大压强为0.8 MPa，满足使用要求，并通过管道接入0.8 m3缓冲罐。热处理炉的核心包括主体部分和控制部分。

图1 热处理炉总体布局（单位：mm）

3 主体部分设计

3.1 加热温度要求

常用碳钢和低合金钢的热处理类别分为低于下转变温度的消除应力热处理和高于上转变温度的正火热处理[1]，且达到满足要求温度区间的最低值分别确定为不小于600 ℃[2-3]和不小于890 ℃（钢材正火加热温度）。此温度也能够满足碳素钢和合金钢消除应力热处理的要求[4]。很少有900～1 000 ℃的不锈钢固溶、稳定化处理，若有需要，可以通过外委渠道完成。

3.2 升温降温控制要求

当焊件升温至400 ℃后，加热范围内升温速度不超过5 500/δ℃·h-1（这里δ指焊后热处理厚度[5]）且不应超过220 ℃·h-1，加热速度不小于55 ℃·h-1。

当焊件温度在400 ℃以上时，加热范围内降温速度不超过7 000/δ℃·h-1，且不应超过280 ℃·h-1，冷却速度不小于55 ℃·h-1[5]。

3.3 加热的均匀性及测量

热处理炉有效加热区的炉温均匀性一般为±10 ℃、±15 ℃、±20 ℃，因此一般的消应力热处理和正火热处理±20 ℃即可满足要求。

焊件升温过程中，加热4 600 mm范围内的任意长度的温差不得大于140 ℃。保温期间，加热范围内最高温度与最低温度之差不得大于80 ℃。炉体外表面温度不宜高于60 ℃。

最终确定热处理炉主要控制指标如表1所示。

3.4 变容实现方式

从平面布置出发，热处理炉的各种工况见图2，包括处理工件装填状态、雨雪天工作状态以及正常工作状态等。

3.5 热处理炉本体关键部位设计

可变容式台车热处理电阻炉主体由炉体钢结构、保温材料、炉门及炉门升降系统、台车及台车驱动系统、可移动式后墙机构、密封元件、炉体加热元件、降温系统以及可移动式防雨棚9个部分组成。

3.5.1 炉体

炉体为全钢结构，在炉侧墙中间高度位置对应各区开热电偶孔，用于控制炉温均匀性。炉门框护板采用耐热铸铁RQTSi5，用于防护炉内衬体，同时与炉门形成有效的软硬贴合式严密密封。炉顶设置有散热孔，确保满足工件降温时的工艺要求。

表1 热处理炉主要控制指标

图2 热处理炉各种工况

3.5.2 保温材料

前1节9 m炉膛采用250 mm标准型硅酸铝纤维模块和50 mm普通型硅酸铝纤维毯，后2节各8 m炉膛采用200 mm标准型硅酸铝纤维模块和100 mm普通型硅酸铝纤维毯。

3.5.3 炉门及炉门升降机构

炉门及炉门升降机构，见图3。炉门钢架采用大型型钢制作，有足够的强度和稳定性，且关键位置设置有防护装置，以增加抗碰撞能力。衬体采用耐火纤维折叠块制作。炉门的驱动采用“电动葫芦+滚子链”传动的垂直上下移动方式[7]。炉门运行设有双上下行程开关和极限限位开关，确保炉门动作安全可靠。炉门压紧方式为斜面导向自重压紧，在炉门下降到位后，炉门纤维与炉门框及炉门框纤维压紧，使炉门纤维与炉门框护板及纤维紧密贴合，形成良好的密封效果，操作简单，维护方便。

3.5.4 台车及台车牵引机构

台车由车架、车面钢板、车轮、耐火砌体以及台车行走机构等组成。台车钢结构采用大型型钢和厚钢板焊接而成。它由型钢焊接成具有横梁、纵梁交错的框架结构，上铺钢板，需确保钢性和耐热强度在满负荷承载情况下满足要求，承载能力大于满负荷的30%，且确保长期使用不变形。台车衬体耐火材料采用复合砌筑结构，底部为高强轻质保温层，中部为轻质耐火砖和高铝耐火砖，周边为高强度边框砖结构。中部砌有承重带，便于工件、垫铁的安装、摆放。承重带间砌筑有安装加热元件的沟形槽。台车衬体安装加热元件的沟形槽上部覆有耐高温炉底板，材质为ZG3Cr18Mn12Si2N，总厚度不小于25 mm，在950 ℃的高温下长期使用不变形、不烧损、不开裂。考虑到炉膛变容时台车的具体位置及炉门与台车前端面的密封情况，在变容分段对应台车的部位，台车衬体砌筑有预成型高强度耐火砖挡墙，确保炉膛分段的使用效果和炉门的密封效果。台车采用自行走结构形式，安装在台车底部的减速机通过链轮、链条驱动台车上的走轮带动台车的进炉与出炉。走轮成对布置，运行平稳、可靠。传动装置由具有制动功能的减速机、链轮对和走轮组成。台车行走通过减速机、链轮以及套筒滚子链驱动走轮行驶，保证台车运行安全、可靠与平稳。台车行走的两端极限处设有行程开关限位和机械限位，杜绝出现超行程行走的现象。台车驱动采用变频控制，在台车进到位前设置减速位，可有效防止由于台车的运行惯性而撞击炉体后部。该机构满足台车行走速度6～8 m·min-1的要求。

3.5.5 可移动式后墙机构

可移动式后墙机构安装在台车后部，由全纤维衬体、钢结构外壳及支撑框架组成。后墙钢结构采用钢板、型钢焊制，既保证了炉门的刚度和强度，又使得炉门实现了轻型化。后墙钢架制作时采用大型型钢制作，具有足够的钢强度和稳定性，且关键位置设置有防护装置，可增加抗碰撞能力。考虑到后墙随台车前后运行动作，其必须具有足够的强度和刚性，因此在钢架一侧设置有型钢支撑框架。框架由大型型钢焊接而成，具有足够的强度，保证了可移动后墙的整体强度和刚性。可移动后墙周边安装有耐高温铸件防护板，材质RQTSi5，厚度均不小于20 mm，以确保炉门在受热烘烤情况下不变形，具有充足的使用寿命。

图3 炉门结构图（单位：mm）

3.5.6 密封

这里的密封主要指炉体与台车的侧密封、炉体与可移动式后墙的密封以及炉门与炉体的密封。炉体与台车的侧密封，如图4所示。采用气缸顶升推动杠杆带动纤维密封盒压紧在炉体和台车两侧的密封刀上，使密封刀插入密封盒中的纤维内形成严密的密封。炉体与可移动式后墙的密封，如图5所示。该密封为周边式密封结构，需保证后墙移动时不会损坏侧墙上的电热元件。为保证可移动后墙与侧墙及炉顶内衬具有足够的安全距离，采用外壁式周边密封棉盒挤压密封结构。可移动后墙外侧周边设置有密封盒，通过气缸进行伸缩来控制密封盒的密封与松开。密封盒均设置有导向机构，保证密封盒在密封压紧时形成双向挤压密封，从而达到最佳的密封效果。炉门与炉体的密封，主要通过结构和自重实现。

3.5.7 降温系统

降温系统由安装在炉顶的多套散热装置实施。该装置由散热筒、密封盖及气缸等组成。在设备运行热处理工艺时，该装置密封盖为闭合状态。当需要运行降温工艺时，密封盖通过气缸驱动打开，使炉内的热气通过散热孔溢出，同时打开炉体与台车的侧密封机构，使炉膛内形成有效的冷热空气对流状态，从而实现热处理工艺的降温工艺要求。该套机构可手动控制按钮，根据变容和各区段的温控需要，实施降温区间对应的单独控制。

图4 炉体与台车侧密封（单位：mm）

图5 炉体与可移动式后墙密封（单位：mm）

3.5.8 炉体加热元件

加热元件采用高温电阻合金材料的电阻带加工成波纹状结构，分别安装在炉体两侧、炉门、可移动后墙及台车底面5个面上，共分12/8/4个控温区进行布置。电阻带采用专用模具加工制作，确保在加工时不受损伤。

电阻带安装采用专用高温陶瓷螺钉固定的结构形式，安装方便，维护、更换快捷，与炉外壳绝对不会形成热短路而引起炉外壳局部过热现象。安装时，在纤维墙面与电阻带之间隔有陶瓷垫圈，以保证纤维面不与电阻带直接接触，从而增加电阻带的发热效果。陶瓷螺钉和垫圈均采用高铝质材料在高温下烧结成型，保证其有足够的强度和使用寿命。

加热元件共分12、8、4等多个控温区进行布置。为了更好地保证炉温均匀性，充分考虑了电热元件的合理分区和布置。

3.5.9 可移动式防雨棚

防雨棚长为18 m，能够将17 m长的台车置于其中，见图6。在防雨棚侧面对称配置4台减速机组，用0.4 kW 8级电机作为动力驱动，运行速度不大于10 m·min-1。电缆通过滑线与电机保持连接。此外，通过遥控器同步控制4台电机的启动和速度调节。

4 控制系统

4.1 系统简介

控制系统由供电系统、温度控制系统、温度记录系统、上位机和连锁保护系统组成。上位机系统（包括工控机、打印机等）设置在集中控制房。大功率加热控制柜（PLC、智能温度控制仪、变频器、大功率调节器及动作控制系统）及操作箱（包括遥控器），设置在炉体现场。炉前设置操作箱，进行炉门升降、台车进出操作，也可以由遥控器控制。每节炉子单独配置电度表，电度表具有自控系统，方便记录每炉电耗。上位机和PLC、智能温度控制仪（包括智能温度控制仪和智能温度检测仪）实现RS-485通信，并预留接口，可以连接以后需要扩展的炉子。上位机（工控机）采用西门子Wincc7.3中文板组态软件，串口通信协议为RS-485。

4.2 控制系统组成单元技术

控制系统组成单元包括系统供电控制、温度控制、动作控制、上位机控制及安全联锁保护5个部分。

4.2.1 系统供电控制组成单元

系统供电控制组成单元，如表2所示。经核算，热处理炉工作时最大用电负荷为1 800 kW，外网动力电通过3 120铜电缆到达2台1 000 kV变压器，将6 kV变到400 V，接入2台电源柜，给整个系统供电和断电[8]。电源柜同时连接12面配电盘，每面配电盘配置DW15型大功率断路器，具有过流、过压及短路等保护功能。每4面配电盘给1节台车加热元件提供电源，根据需要可选择4、8、12面盘操作的模式。供电系统逻辑关系如图7所示。

图6 防雨棚

表2 系统供电控制组成单元

4.2.2 温度控制系统

温度控制由大功率断路器、大功率接触器、调功器和加热电流指示等组成。每个控制温区的功率控制回路由断路器、接触器和调功器组成。它主要实现以下功能：每温区加热功率有一体化的三相调功器进行加热功率的自动控制，且接收智能温控仪表信号，以实现每区温度的PID自动控制，用于过压、过流和过热保护；每温区设置一台断路器实现供电和断电，并有过流、过压和过热保护功能；每区设置一只超温保护接触器，避免调功器发生短路时温度已不受仪表控制，此时可通过超温保护监控仪表使接触器断开，实现超温保护功能，且可以在应急的情况下实现控温；配备自动空气开关和快熔器作二级保护，保证调功器的正常运行，减少对电网的污染；各组电热元件设置电流表、电压表及电热元件的通断指示；具有通电联锁保护和安全接地措施，保证使用安全；采用“双独立”原则，即温度控制与报警分别独立，超温故障发生时能自动切断加热器电源，并具有声光色报警功能；温度控制采用智能温度控制仪表PID控制方式，PID则由智能温度控制仪来实现；每温区温度控制仪表可以编制热处理工艺（可以编制40条程序曲线，每条曲线最多可以分20程序段，加热过程全程可编程控制）；每温区除智能控温度仪表外，还设置一只监视仪表（采用日本岛电SR3型号的控制仪表），并具有超温保护作用；每区设置一只大功率接触器，当产生超温问题时，接触器切断加热功率供电回路，确保处理工件及设备的安全；温度记录采用一台无纸温度记录仪记录炉膛温度。

4.2.3 动作控制系统

动作控制系统由PLC自动完成，实现其相应的动作控制和联锁保护控制，包括炉膛的分段、台车进出、炉门升降、加热启动停止、超温保护以及各种联锁保护控制。炉门的升降、炉车的进出等动作时，将与电加热系统通电联锁保护。台车通过变频器控制，以缓解对启动系统的冲击，并使工件平稳运行。台车进出、炉门升降行程均有限位开关保护。

4.2.4 上位机控制系统

上位工控机作为系统操作界面，能直观显示当前设备的运行情况，包括各区的温度、功率输出及报警信息等。输出方式有文字、数据、棒图以及曲线图等。上位工控机可以以曲线图形方式设定工艺参数，一次下发后系统自动按照工艺要求完成整个工艺过程，并可实时采集记录温度和功率数据。编制界面包括系统全貌界面、热处理工艺编制界面、过程温度棒图界面、参数设置界面、故障报警管理界面以及安全管理界面等。

图7 供电系统逻辑关系

4.2.5 安全联锁保护系统

安全联锁保护系统实现以下功能：在加热进行过程中无法进行台车的动作；炉门的升降与电加热系统通电联锁保护，只有全部到位，炉体、炉底电热元件才能通电，确保操作安全；台车移动的极限位置设有保险限位机构；只有当炉门升起到最高位、台车密封放松到位时，才能进行台车的进出；仪表柜、炉体都有安全接地措施，保证使用安全；电热元件供电接头处装有安全防护罩板；过流、过压和短路保护；调功器设置过压、过流、过热保护；超温保护；断偶保护；操作密码保护；安全接地保护；安全措施。安全措施主要包括3部分。首先，系统设计配置现场故障声光报警和上位机声光报警，保证出现故障后能第一时间发现。各组发热元件设置电流表、电压表及电热元件通断指示和切断装置，具有电器与各机械动作的连锁保护功能并可靠安全接地，保证设备的使用安全。其次，炉门与炉车联锁，炉门未升到顶时限制炉车启动，防止发生工件及炉车冲撞炉门。最后，超温报警。