新型钢管燃气辊底式连续热处理炉的研制

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新型钢管燃气辊底式连续热处理炉的研制

王家声, 　张洪全, 　车永顺, 　谢　群
(沈阳重型机械设计研究院,沈阳110025)
1 　前言
　　江西洪都钢厂,原有两台钢管燃油辊底式连续
热处理炉,系20 世纪80 年代设备。工艺技术水平
落后,炉温不均匀,造成产品质量提高受限。且燃油
能耗指标高,环保达不到要求。
　　近年来燃油价格不断上涨,为提高产品质量,开
发新产品领域,力求进一步降低生产成本,以增强产
品在国内市场的竞争力度。2000 年5 月份,该厂决
定新建一台煤气发生炉和一台钢管燃气辊底式连续
热处理炉。
　沈阳重型机械设计研究院和沈阳重型工业炉制
造厂,于2000 年7 月承建该新型钢管燃气辊底式连
续热处理炉的设计和制造任务,并于2000 年11 月
份正式投产运行。
　　该新型钢管燃气辊底式连续热处理炉投产运行
后,明显地提高了产品质量等级和产量,产量由原来
10 t/ h ,提高到现在15～18 t/ h ,并开发出新的产品
领域,同时解决了环保污染等问题。
　　该炉可以处理各种合金钢管(正、回火) ,高、低
压锅炉钢管,流体管,结构管等等。该炉用DCS 计
算机系统全过程自动控制,具有较高的自动化控制
水平。其综合技术水平达到国内一流水平,在某些
方面在国内处于领先地位。
2 　新型钢管燃气辊底式连续热处理炉
主要技术性能
　　新型钢管燃气辊底式连续热处理炉主要技术性
能见表1 。
表1 　热处理炉主要技术性能
序号名称单位数据
1 炉子用途各种规格钢管正火、回火热处理
2 炉内最高温度℃ 1 050
3 炉料最高温度℃ 1 020
4 炉子有效面积m2 32 ×1. 624 = 52
5 炉料品种
优质碳素结构钢( 10 、20 、20G、
35 、45 、20MnG、25MnG等)
合金结构钢( 15MoG、20MoG、
12CrMoG、15CrMoG、
12Cr2MoG、12Cr1MoG等)
6 炉料规格L = 10 ～ 13. 5 m , Á 6 ～ 108
mm ,δ= 1～10 mm
7 单位热耗kJ·kg - 1 1 254
8 炉子小时产量t·h - 1 15～18 (碳素结构钢)
9 炉子加热能源发生炉冷煤气
10 煤气低发热量
(干气) kJ·m- 3 5 150
11 燃烧器规格、型
号、数量个亚高速烧嘴,YGZ - 15 ,40
12 烧嘴火焰喷出
长度mm 300～1 800
13 煤气最大耗量m3·h - 1 3 650
14 空气最大耗量m3·h - 1 4 200
15 空气预热温度℃ 350～400
16 炉料前进速度m·min - 1 0. 5～10
17 炉子作业制度三班连续作业
18 炉子上料、出料
方式机械进料、出料
3 　生产线组成及工艺流程
　　该炉全线总长74 m ,上料台24 m ,炉子本体32
m ,下料台及冷床18 m。
3. 1 　工艺流程
　　钢管由上料台架,经机械系统步进到上料台辊
道,炉料在上料台辊道摆放好后,启动上料台机械传
动系统,炉料以7 m/ min 左右的速度送进炉内预热
段预热。
　　炉料从预热段→加热段→均热段,炉料行进速
度为0. 5～10 m/ min ,可随意根据工艺加热规范无
级变化,最终达到连续热处理的目的。
3. 2 　工艺流程二
　　炉料从预热段→加热段→均热段,同样可以由
0. 5～10 m/ min 的进行速度前进。如果需要在炉内
保温,则可启动炉内辊摆动系统。炉料进口端和出
口端设置光电管监控系统,当炉料距出口端一定距
离时,光电管检测到炉料到位信号,炉料将自动停止
前进,自动启动炉内辊摆动系统。炉料在高温状态
下进行前后摆动,摆动时间(即保温时间) 可人工事
先设定。当预先设置的摆动时间(保温) 结束后,声
光信号报警,炉料自动停止前后摆动,自动开启出料
炉门,炉料以7～10 m/ min 的线速度,自动快速出
炉。
　　值得注意的是,炉料前进方向和烟气流动方向
是相反的(即逆流) ,更有利于能源的充分利用,这在
国内同类设备中是不多见的。
4 　主要技术特点
4. 1 　炉型结构
　　新型钢管燃气辊底式连续热处理炉,炉本体32
m 长(不包括上、下料台) ,炉体分预热段、加热段、均
热段三部分。炉体两侧及炉底均由轻质耐火砖砌
筑,关键部位由高铝砖砌筑,炉顶采用浇注料预制块
吊装施工,预制块上面再砌筑一层保温砖。炉顶重
量压在炉两侧拱脚梁上,这样检修炉侧墙可不拆掉
炉顶拱,在进料口炉顶上部,卧放一台带内插件的钢
管高效节能换热器。当烟气温度为570 ℃时,空气
温度可预热到350 ℃以上。
　　在进料口、出料口处,设置两个活动炉门,根据
料层高低而升降。炉门采用电机传动,升降速度为
8 m/ min。
4. 2 　炉子燃烧系统
　　炉子加热段和均热段,共安装40 支亚高速烧
嘴。该亚高速烧嘴系引进意大利技术,火焰温度和
火焰长度均可调控,烧嘴火焰长度在300～1 800
mm 随意调整。40 支烧嘴按事先设计好的供热负
荷分配系数,以炉内辊为准线上下布置。烧嘴由高
能点火棒电点火,点火容易,操作方便。
　　40 支烧嘴分四区控制,每区烧嘴煤气量可自动
控制,是靠带有执行器的流量调节阀来控制煤气流
量。控制信号来自DCS 控制系统,一次信号采集来
自炉内该区热电偶。烧嘴助燃空气量随煤气变化而
按一定比例变化,以保证最佳燃烧状态。
4. 3 　炉子机械传动系统
　　炉内辊分两部分传动,分别由两台变频电机驱
动。炉内辊转速调节比为1∶20 ,炉内辊线速度由
0. 5～10 m/ min 无级变速。炉内辊在传动过程中,
当一台传动装置发生故障时,可挂中间链条,由一台
无故障的传动装置带动整个炉内辊传动。
　　在保温期间炉内辊具有前后摆动功能,炉内辊
有节奏地作前后180°的摆动,以防止炉内辊产生永
久热变形。
　　下料台辊子传动系统,由一台变频调速电机来
完成。下料台炉辊转速调节比为1∶20 ,下料台辊子
线速由0. 5～10 m/ min 无级变速。在生产过程中,
炉内辊速及下料台辊速,在DCS 计算机内可随意调
整。
　　整个炉子机械传动系统将安装数个接近开关,
以不断监测辊子传动系统的运行状态,如有异常,自
动报警。以上所有操作,将在DCS 系统内自动完
成。
4. 4 　炉子控制系统
　　该炉控制系统以FB - 2000DCS 分散型控制系
统(DCS) 为主体,与现场仪表及执行机构相结合,进
行数据采集、显示及运行控制。本系统包括一个现
场控制站( FCS - 21) 和一个监控站(OPS - 10) 及一
个手操控制台(OPS - 50) 。现场控制站组装于机柜
内,完成数据的采集和运行控制。监控站则置于计
算机台上,主要完成数据及工艺流程动态显示、报
警、打印等功能。手操控制台上安装有10 台后备手
操器,当计算机失灵或希望转成手动操作时,可将手
操器上的开关,打到手动部位上,则可对炉内各区温
度、压力等参数进行手动控制。
　　FB - 2000DCS 系统采用分级分布智能化体系
结构,可在线组态、带电插拔,较传统的控制系统更
能从体系结构上保证系统的可靠运行,提高了系统
的可靠性和可维护性,具有技术先进、运行可靠、功
能实用、操作方便等特点。同时具有最短的恢复时
间,部件级的自诊断,可以迅速诊断出故障,除了部
件本身的故障灯闪亮外,与此同时监控站也显示出
诊断结果,并准确地指出故障的特性和位置,以便能
迅速地解决问题。
4. 4. 1 　炉子的温度控制
　　炉子加热段和均热段各分两区,即共分四区进
行温度控制。各区温度控制是通过检测点的电偶温
度值,与事先设定的温度值相比较,通过DCS 系统,
让各区煤气流量,通过带执行机构的蝶阀使煤气流
量增减,来达到检测点的温度值与预先设定的温度
值接近或相等,达到温度按事先设定的工艺曲线自
动控制的目的。炉内温度控制精度可达±3 ℃,且
炉内温度及其它各种参数,按要求定期存入计算机,
并可随时自动打印记录。该DCS 系统留有与上位
机的通讯接口,可与企业微机管理网络联网,可以异
地了解该炉的所有工艺曲线参数和运行状况。
4. 4. 2 　炉子的压力控制
　　该炉通过计算机或者后备手操器,可做到烧嘴
前煤气压力自动控制,烧嘴前的助燃空气压力自动
控制,炉膛压力自动控制。
4. 5 　炉子报警系统
　　(1) 某段炉温超上限,自动声、光信号报警,自动
切断报警区段烧嘴的煤气、空气供应。
　　(2) 在保温期间,炉内辊前后摆动停止时(即保
温时间结束) ,自动声、光信号报警,并自动启动炉内
辊快速前进系统,炉料快速出炉。
　　(3) 换热器热风温度超温,声、光信号报警,自动
启动热风放散装置。
　　(4) 炉子在自动运行状态时,变频器故障、鼓风
机故障、进出料门故障、炉辊传动系统故障及机械传
动系统故障发生时,均有声、光信号报警。
　　(5) 煤气压力、空气压力、炉膛压力超限时均有
光信号报警,并自动调整参数,自动复位。
5 　产品质量及技术经济效益分析
　　由于该炉具有极其先进的自动控制系统,该炉
投产运行后,明显地提高了产品的质量等级和产量。
该厂产品质量检验手段极其严格,每批料均抽样检
验,无论从产品的金相组织、机械性能、外观质量来
看,产品合格率均达到99. 5 %以上,达到国内同类
产品的较高水平。
　　改造后的钢管燃气辊底式连续热处理炉,同原
来的燃油辊底式连续热处理炉相比,经济效益可观。
　　原来的燃油辊底式连续热处理炉,每年耗油价
值如下:
　0. 18 万元/ t ×0. 3 t/ h ×24 h/ d ×293d
/ a = 380 万元/ a
　　现煤气站生产6 000 m3/ h 煤气,燃煤消耗为2
t/ h ,新建钢管燃气辊底式连续热处理炉,平均产量
为16. 5 t/ h ,消耗煤气为3 650 m3/ h ,和原有钢管燃
油辊底式连续热处理炉10 t/ h 平均产量相比,消耗
煤气量为2 212 m3/ h ,相当于消耗煤0. 737 t/ h ,则
每年消耗煤气价值如下:
　　0. 0 42 万元/ t ×0. 737 t/ h ×24h/ d ×
293d/ a = 217 万元/ a
　　新建钢管燃气辊底式连续热处理炉,每年仅改
燃油为煤气一项,年节约价值如下:
380 万元/ a - 217 万元/ a = 163 万元/ a
　　该炉建设投资约215 万元,则
215 万元÷163 万元/ a = 1. 32 年= 15. 8 个月
　　即新炉投产后,15. 8 个月即可收回建炉全部投
资。这还不包括新炉投产后,产品质量提高档次和
开发出新产品领域所创造出的经济价值。
6 　结论
　　经过几个月的生产运行,我们认为该炉综合技
术水平在国内处于领先地位,其中DCS 计算机自动
控制水平,已进入国际先进领域。
　　在油价不断上涨的今天,逐步淘汰设备技术水
平已明显落后的各种燃油热处理炉,以燃煤气热处
理炉代替燃油热处理炉,无论从节约能源还是从环
保角度来考虑,已是当务之急。
　　目前从江西洪都钢厂新建的钢管燃气辊底式连
续热处理炉投产后所产生的巨大的经济效益和产品
质量明显提高来看,该炉在我国冶金行业上有极大
的推广价值。
参考文献:
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