步进式加热炉分析

1、; 论 文（设 计）题 目：热轧带钢步进式加热炉特点及分析系 别： 建筑工程与环保系班 级： 材料071 姓 名： 指导教师： 2012年6 月 2日热轧带钢步进式加热炉特点及分析 (建筑工程与环保系材料071)摘 要本论文一迁钢2160加热炉为例介绍了步进式加热炉的特点及分析。加热炉是轧钢生产线上的重要设备之一,也是钢铁工业中的耗能大户,因此提高加热炉的加热效率,降低能耗,对整个钢铁工业的节能具有重要的意义。加热炉是轧钢工业必须配备的热处理设备。随着工业自动化技术的不断发展，现代化的轧钢厂应该配置大型化的、高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动

2、化的工艺要求，以提高其产品的质量，增强产品的市场竞争力。关键词：步进梁式加热炉 特点 工艺流程 发展绪 论我国轧钢工业的加热炉型有推钢式炉和步进式炉两种，但推钢式炉有长度短、产量低，烧损大，操作不当时会粘钢造成生产上的问题，难以实现管理自动化。由于推钢式炉有难以克服的缺点，而步进梁式炉是靠专用的步进机构，在炉内做矩形运动来移送钢管，钢管之间可以留出空隙，钢管和步进梁之间没有摩擦，出炉钢管通过托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，钢管加热断面温差小、加热均匀，炉长不受限制，产量高，生产操作灵活等特点，其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求。 2010-6-2 目 录摘要

3、-2绪论-21.加热炉概述-5 2.炉区设备-72.1装料辊道-72.2加热炉的炉底步进机构-82.3步进梁的升降、平移装置-9 2.4附属装置-93.加热炉主要工艺条件-10 3.1用途-103.2炉型-103.3主要生产钢种-103.4影响因素-103.5加热炉的缓冲时间-113.6 炉区的加热能力-114.炉型及结构-12 4.1轴向反向烧嘴供热的优缺点-124.2侧部调焰烧嘴供热优缺点-125.加热炉的工艺特点-145.1运作方式-155.2加热方式-156.步进式加热炉生产中的关键控制技术-17 6.1 生产节奏的控制-17 6.2 加热炉燃烧控制-177.加热炉的供热-207.1烧

4、嘴形式-207.2烧嘴的供热能力-208.加热炉钢结构-218.1炉底钢结构-218.3加热炉上部钢结构-218.2加热炉两端和两侧钢结构-219.现代步进梁式板坯加热炉的新进展-21 9. 1炉型结构-229.2炉子长度与热耗-229.3采用低氧化氮烧嘴-23 结语-23 参考文献-24致 谢-241.加热炉概述这个加热炉是由总设计院设计的，在一条全是德马克设备的工艺线上显得格外特别，我能在这里工作感到十分自豪。热轧项目主要生产普碳钢、优质碳素钢、低合金钢、API-5L管线钢等品种带钢卷。其生产规模：第一步为200万t/a； 第二步达到400万t/a。加热炉在热轧过程中所处位置如图1所示：

5、图1带钢热轧工艺流程示意图如图2为流程简图（以鞍钢为例）：2. 加热炉的炉区设备2.1装料辊道：步进加热炉长行程装料机以梅山加热炉为例，如图3所示：2.1.1主要功能：采用长行程装料机，装钢臂行程可满足不同板坯的46个空位的要求，确保板坯直接热装操作，使加热炉具有一定的生产缓冲能力,起到匹配连铸轧机生产能力的作用。2.1.2主要结构：设有六支长达22米的重型箱形结构装钢臂，行程可达8000mm，可满足46块钢坯空位。装钢臂进退传动由电机减速机齿轮齿条电磁离合器润滑冷却系统等组成。机架为重型锻钢焊接结构，与装钢臂进退传动为浮动连接。 设有副轮压浮动平衡机构。设有装钢臂升降及扭矩平衡机构。设有冷却

6、水随行供给及排出机构。装钢臂最大行程：8000mm装钢臂进退速度：0.30.8m/s装钢臂提升行程：h=200mm（以辊面做基准正负100mm）装钢臂数量：6套装钢臂进退传动（两套）2.2加热炉的炉底步进机构步进炉的炉底机械是用来支撑加热炉平移框架和框架上的水梁立柱及炉内的板坯,并使板坯在炉内沿炉长方向做步进移动的设备.步进炉的炉底机械为斜坡辊轮、双层框架、大轮距结构。步进机械采用液压传动方式，提升装置采用斜坡辊轮，辊轮直径1000mm,斜坡倾角为11.5度，设有纠偏装置。 炉底框架分段组装而成，上面安装有活动梁、水封等，下面安装有轨道、纠偏装置并与水平液压缸相连，炉底机械上有控制升降和水平行

7、程的位移传感器，炉底机械采用集中干油润滑，炉底机械升降行程200mm，上升15s，下降15s，前进后退行程550mm，前进7.5s，后退7.5s，步进周期45s。板坯在炉内正常运送情况下，步进机械采用“正循环”操作，即板坯向出料端移动。为了保温或处理短时间事故，防止板坯弯曲和出现黑印，步进机械采用“踏步”操作，板坯只作上、下运动，但这种操作过多会使板坯在炉内横移量增加，因此，应控制这种操作方式的时间和次数，一般采用步进机械“上升等待”操作。当轧机出现事故和长时间停炉时，需要将板坯由出料端侧退到装料端炉外时，步进机械采用“逆循环”操作。板坯在加热炉的步进梁上前进并被加热，当加热至规定温度的板坯在

8、受到激光射线（LS）检测时，步进机械走完水平行程后停止，此时由板坯出钢机将板坯托出放到出料辊道上即完成一个出钢周期。步进机械操作方式有正循环、逆循环、踏步和上位等待四种基本操作，控制方法具有手动（单独动作）和自动操作。2.3步进梁的升降、平移装置通过驱动搁置在斜坡台面上的提升框架，使装在提升框架下部的提升辊轮沿斜坡台面滚动，实现步进梁的升降动作。步进梁升降时，平移液压缸处于静止状态。通过平移液压缸来驱动支撑步进梁的平移框架，使它在提升框架上部的两排平移辊轮上做平移运动。步进梁平移时，提升液压缸处于静止状态。平移液压缸：280/180-650 工作压力：13Mpa 1台提升液压缸：320/200

9、-1150 工作压力：13Mpa 4台2.4 附属装置步进机构运行的附属设备包括行程检测装置、激光装置和ITV装置。2.4.1行程检测装置：3个加热炉步进机械平移缸内置1个位移传感器，提升缸设置2个位移传感器，步进机械机械按照矩形轨迹运动的位移通过位移传感器传送到PLC,通过PLC计算控制步进机械按照矩形轨迹运行时加速、匀速、减速的运动特性。2.4.2激光装置：每炉4台在装料端设置了1台,为板坯在入炉前定位；步进梁分段处2台，用于步进机械分动时检测坯料；在出料端设置了1台,为板坯在出料前定位2.4.3ITV装置：每炉共3台为了监视板坯的在炉状况和手动操作出钢机，在加热炉的出料端侧墙、加热炉装料

10、端侧墙、步进梁分段处安装有ITV。3. 加热炉主要工艺条件： 3.1用途：轧制前板坯加热和生产缓冲。 3.2炉型：端进、端出步进梁式连续加热炉。 板坯数量：年加热连铸坯412万t。 3.3主要生产钢种: 低碳钢、优质碳素结构钢、高强低合金钢、深冲钢、汽车用钢、锅炉和压力容器用钢、船板、管线钢、Welten800、双向钢、Trip钢（相变诱导塑性钢）、IF钢 （Interstitial-Free Steel：无间隙原子深冲薄板钢 ）。3.4影响因素：影响加热炉加热能力的因素较多，除了加热炉本身的结构性能外，入炉板坯的钢种、尺寸以及加热炉的作业率也都影响加热炉的实际加热能力。根据轧机产量的要求需建

11、四座步进梁式加热炉（现已建成三座，第四座正在建设中），每座加热炉的额定产量为250t/h（冷装）。 3.5加热炉的缓冲时间直接热装轧制工艺要求加热炉具有一定的缓冲能力,起到匹配连铸轧机生产能力的作用。由于采用长行程装钢机装料，加热炉可缓冲46块板坯，对于标准坯可缓冲6块。一台加热炉具有22.9min的缓冲时间，四台用于直接热装的加热炉可具有91min的缓冲时间，基本上可以满足常规性维修和一般性的轧机换辊，高温连铸坯不必下线。3.6 炉区的加热能力共设置四座步进梁式加热炉，每座加热炉的额定加热能力为250t/h(冷坯)。其中1#、2#、3#炉炉用于直接热装坯和间接热装加热，4#炉用于冷装坯加热。

12、炉区的加热能力计算不仅要考虑单座加热炉的加热能力，还必须考虑在多台加热炉生产时不同操作方式、加热不同品种钢坯时与轧机的能力平衡，与连铸机的能力平衡。不但要满足轧机的生产能力，还要最大限度地适应热送热装，提高热装率，缓冲轧机和连铸机的生产节奏。考虑到热装温度的波动,实际生产时,冷、热装炉制度有可能是:冷装率20%，板坯温度20；间接热装率10%，板坯温度为500700，平均温度600；直接热装率70%，板坯温度800。在这种情况下，1#、2#炉可用于直接热装并用于生产缓冲，3#炉用于热装，4#炉用于冷装。，此时考虑到干扰系数0.85后,炉区3台加热炉加热钢坯的产量可达到808t/h , 折合轧制

13、成品产量为784t/h。通过多种装炉加热方案的计算可以看出，新建1#、2#、3#加热炉后，炉区的加热能力可达到400万t/a的计划。预留4加热炉投产后，炉区加热能力可超过520万t/a。考虑到其它影响因素,3台加热炉在高效热装热送时可以满足400万t/a的生产要求。4. 炉型及结构4.1炉型加热炉是用于轧前加热的全烧混合煤气的、带有汽化冷却装置、具有大调节比、低NOX烧嘴、高效预热装置的步进梁式板坯连续加热炉。加热炉为端部装、出料，均热段上采用全平焰炉顶，其余供热段采用两侧调焰烧嘴的炉形结构。加热炉供热分第二加热段、第一加热段和均热段，每段分上部和下部供热，共六个炉温自动控制段。此外，在装料端

14、还有一个不供热的预热段，在预热段和第二加热段之间设有炉顶压下和底部隔墙，对炉内烟气进行扼流，以改善预热段的传热。 第二加热段、第一加热段和均热段之间设底部和顶部隔墙，以便于分段调节炉温及炉压，并保证板坯上下加热的均匀性及炉宽方向炉温的均匀性。加热炉采用下排烟。 4.2 炉型结构提高炉气对炉内板坯的传热效率和保证炉宽方向上温度分布的均匀性是炉型和烧嘴选择与合理配置的前提。一般以煤气为燃料的大型板坯加热炉上部供热有三种方式，即顶部平焰烧嘴供热、轴向直焰烧嘴供热和侧部烧嘴供热。2160mm热带轧机步进炉加热段上部供热采用侧向供热，均热段上部供热全部采用平焰烧嘴。下加热、下均热段有两种供热方式，即轴向

15、反向烧嘴供热与侧部调焰烧嘴供热，两种方式各有其优缺点。4.2.1轴向反向烧嘴供热的优缺点：采用轴向反向烧嘴供热，优点是：加热板坯长度方向温度均匀较好；在加热炉宽度方向上供热分布受烧嘴前供风和燃料的条件影响较小；可减少板坯下部滑轨黑印。与侧部烧嘴供热相比，轴向反向烧嘴供热缺点是：下加热由于下烧嘴通道，炉底上部突出，使炉压不均匀；炉底上突出部分减少了加热炉供热有效长度；炉底上突出部分易堆积氧化铁皮，需经常清理；下部采用轴向反向烧嘴，炉型结构复杂，下加热高，致使造价高；下部轴向反向烧嘴通廊（俗称狗洞）环境温度高，操作维修困难。4.2.2下部供热采用侧部调焰烧嘴供热优缺点优点是：炉子下部结构简单；环境

16、温度好；加热炉下加热深度较浅；烧嘴操作检修方便。缺点是：在炉宽方向上温度均匀性不如端部轴向烧嘴。 但是随着调焰烧嘴技术的发展，尤其是中心风技术运用，即使加热炉在低产是也能保证火焰的长度和刚度。本设计决定下部供热采用侧部调焰烧嘴加热炉自装料端至出料端沿炉长方向上分为不供热的预热段、第二加热段、第一加热段和均热段。加热炉设置4根固定梁和4根活动梁，为了消除水管黑印和适应双排装料，在均热段增加1根固定梁。水梁和立柱是炉内主要承重构件，由20g厚壁无缝钢管制成。水梁由两根圆形无缝钢管组成；立柱为无缝钢管制成的双层套管。水梁与立柱通过三通接头连接在一起，并使立柱在加热炉工作状况下保持与水梁的垂直。加热炉

17、采取装料端侧下排烟的方式排烟。5. 加热炉工艺特点全连续、全自动化步进式加热炉。这种生产线都具有以下特点: 生产能耗大幅度降低；产量大幅度提高；生产自动化水平非常高，而且大多还具有二级过程控制系统和三级生产管理系统。传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。 以某钢管厂为例： 淬火炉和回火炉均为步进梁式加热炉。装出料方式：侧进，侧出;炉子布料：单排。活动梁和固定梁均为耐热铸钢，顶面带齿形面，工艺流程如图4所示 图 45.1运作方式：直径小于141.3mm钢管，每个齿槽内放一根钢管。直径大于153.7mm的钢管每隔一齿放一根钢管。活动梁升程180mm，上、下各90mm，齿距为190mm，步距为1

18、45mm。因此每次步进时，钢管都能转动一角度，使钢管加热均匀，并防止在炉内弯曲变形。步进梁能进行正循环，送循环、单动、点动各种动作，升降时对钢管轻托轻放，前进时缓起缓停，无振动冲击和失控现象。同时，具有踏步功能，踏步时向后步距为45mm，使钢管在原齿槽内不断转动。5.2加热方式： 固定梁用带保温支柱支撑其顶面高出炉底520mm。使炉气能围绕钢管形成良好的循环，保证均匀加热。 淬火炉沿炉长方向分为装料段、加热段和保温段。装料段炉顶压低，不装排烟予热钢管（三个测量温度点），以免钢管突然受到强大热流冲击产生弯曲变形。 加热段沿炉宽方向分为四个区段进行比例燃烧和温度控制。保温段沿炉宽方向分4区段进行脉

19、冲燃烧和温度控制（用二套控制器），以确保保温区炉温5和保温后钢管全长温度均匀性在10以内的要求。同时更方便用户控制钢管端温度，满足淬火需要。 淬火炉最高控制炉温960，允许max1050。 回火炉沿炉长方向分为装料段，加热段，均温段和保温段。同样装料段不设烧嘴。加热段沿炉宽方向分二个温区，中间8个烧嘴为一个温区，两边各4个烧嘴合起来为一温区，用一个脉冲控制器控制。均温段、保温段沿炉宽方向各分为四区（每二个温区一个采用脉冲燃烧温度控制。确保炉温控制5，保温后钢管全长温度均匀性10的要求。回火炉最高控制炉温750，允许max800（为生产高压备）。 淬火炉、回火炉炉内烟气均经装料段下方的八个分烟管

20、引出，进入集烟管，由集烟管中部引至总烟管，通过空气予热器回收烟气余热，再经烟道由烟囱排入大气。这种方式可有效防止炉内烟气流。 淬、回火炉进出料均采用侧进，侧出方式。淬火炉装出料悬臂辊采用斜80角安装，使钢管在入炉和出炉时产生自转并靠向装出料端墙一侧靠齐，其目的是防止钢管入炉时弯曲并有利装出料定位。 6.步进式加热炉生产中的关键控制技术6.1 生产节奏的控制 步进式加热炉生产中的生产节奏的控制是非常重要的，在管材线全自动、全连续工作时，加热炉区的机械设备如进料辊道、步进梁、出料辊道、液压站及其它公辅设施，设备运行节奏必须高度统一，才能实现管材物流全过程准确定位，以实现全自动、全连续工作。 依据生

21、产调度计划而需要装炉时，通过上料台架输送至装料辊道，经光电开关及金属探测器而自动输送到炉外辊道上。待炉内装料端空出位置时，自动开启炉门，由其及炉内辊道托入炉内放置到固定梁上，并由此开始进行炉内的管材物流跟踪。管材通过炉子步进梁自装料端一步步地移送到炉子的出料端。由装在出料端的光电开关检测到管材边缘并在步进梁完成此时的步距运行后，暂停步进梁的移送动作，PLC同时测算等待出炉管材的位置。在加热炉接到出钢信号后，再自动开启出料炉门，由出料辊道运至炉外出料辊道上。当金属检测器探测到管材时，在由出料辊道输送至其他设备，进行下一道工艺。 管材输送、测量、装出料、物流跟踪以及管材的数据信息交换通过PLC和二

22、级计算机系统进行顺序、定时、联锁与逻辑控制，实现操作自动化和计算机管理。 6.2 加热炉燃烧控制 工业炉的燃烧控制水平直接影响到生产的各项指标，例如：产品质量、能源消耗等。目前国内的工业炉一般都采用连续燃烧控制的形式，即通过控制燃料、助燃空气流量的大小来使炉内的温度、燃烧气氛达到工艺要求。由于这种连续燃烧控制的方式往往受到燃料流量的调节和测量等环节的制约，所以目前大多数工业炉的控制效果不佳。随着工业炉工业的迅猛发展，脉冲式燃烧控制技术也应运而生，并在国内外得到一定程度的应用，取得了良好的使用效果。 目前高档工业产品对炉内温度场的均匀性要求较高，对燃烧气氛的稳定可控性要求较高，使用传统的连续燃烧

23、控制无法实现。随着宽断面、大容量的工业炉的出现，必须采用脉冲燃烧控制技术才能控制炉内温度场的均匀性。 本系统主要采用脉冲燃烧系统。它是一种间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的占空比（通断比）实现窑炉的温度控制。燃烧状态下的燃料流量可通过主燃料控制阀门在线调节，燃烧器一旦燃烧，就处于其设计的最佳燃烧状态，保证燃烧器燃烧时的燃气出口速度不变。控制系统使炉内燃烧器交替燃烧，通过燃气在炉内的不断搅拌，使炉内温度场均匀分布。当需要升温时，燃烧器燃烧时间加长，间断时间减小;需要降温时，燃烧器燃烧时间减小，间断时间加长。并根据炉内的设定温度来控制燃烧时的燃料流量，当设定温度较低时，将主燃料控

24、制阀门关小，当设定温度较高时，将主燃料控制阀门开大，避免炉内处于低温状态时，燃气与炉内的温度差过大，对炉内制品造成的直接热冲击。 脉冲燃烧系统的主要优点为： 系统简单可靠，造价低;可提高炉内温度场的均匀性;传热效率高，大大降低能耗;燃烧器的负荷调节比大；无需在线调整，即可实现空燃比的精确控制。 与传统的比例燃烧控制相比，脉冲燃烧控制系统中参与控制的仪表大大减少，仅有温度传感器、控制器和执行器，省略了大量价格昂贵的流量、压力检测控制机构。并且，由于只需两位式开关控制，执行器也由原来的气动（电动）控制阀门变为电磁阀门，增加了系统的可靠性，大大降低了系统造价。 普通烧嘴的空燃比一般为1：4左右，当烧

25、嘴在满负荷工作时，燃气流速、火焰形状、热效率均可达到最佳状态，但当烧嘴流量接近其最小流量时，热负荷最小，燃气流速大大降低，火焰形状达不到要求，热效率急剧下降，高速烧嘴工作在满负荷流量50%以下时，上述各项指标距设计要求就有了较大的差距。脉冲燃烧则不然，无论在何种情况下，烧嘴只有两种工作状态，一种是满负荷工作，另一种是不工作，只是通过调整两种状态的时间比进行温度调节，所以采用脉冲燃烧可弥补烧嘴调节比低的缺陷，需要低温控制时仍能保证烧嘴工作在最佳燃烧状态。在使用高速烧嘴时，燃气喷出速度快，使周围形成负压，将大量炉内烟气吸人主燃气内，进行充分搅拌混合，延长了烟气在炉内的滞留时间，增加了烟气与制品的接

26、触时间，从而提高了对流传热效率。 7. 加热炉的供热7.1烧嘴形式 7.1.2混合煤气平火焰烧嘴使用在均热段炉顶。 采用煤气平火焰烧嘴可使炉内的温度场、热流场、压力场分布均匀，炉气和炉顶的辐射能力强，钢坯加热质量好，减少氧化烧损，而且可降低炉膛空间，减少炉体投资，减少炉体热损失。 7.1.2混合煤气侧向调焰烧嘴，带中心风，低NOx型使用在下均热段、上、下加热段侧向供热。 带中心风、低NOx型调焰烧嘴按分段燃烧法原理进行设计，是为了延长燃烧过程，降低火焰温度的高峰，以便减少NOx的生成量。其中心风约占35，一次风约占2030，二次风约占7080，通过调节调焰烧嘴火焰调节阀改变一次风与二次风比例来

27、调节火焰长度。由于中心风技术的应用，烧嘴在低负荷工作时，即可以保证火焰长度和刚度，也可以得到最低的NOx生产量。 7.2烧嘴的供热能力加热炉分为6个供热与温度控制段, 即:第二加热段上加热： 配置10个侧向调焰烧嘴;第二加热段下加热： 配置10个侧向调焰烧嘴;第一加热段上加热： 配置10个侧向调焰烧嘴; 第一加热段下加热： 配置10个侧向调焰烧嘴; 均热段上加热: 配置24个平火焰烧嘴;均热段下加热： 配置8个侧向调焰烧嘴。 8.加热炉钢结构加热炉钢结构是普碳钢板和型钢焊接件，它分为三个主要部分：8.1炉底钢结构：它由8 mm厚的炉底铺板和大型工槽钢的横梁和立柱所组成，用以安装和支撑加热炉支承

28、梁和加热炉砌体 8.2加热炉两端和两侧钢结构：它是由6 mm厚的炉墙钢板与工槽钢立柱焊接而成，下部用地脚螺栓与基础或炉底钢结构固定，上部用槽钢圈梁联成矩形框架。 8.3加热炉上部钢结构：由中小型工字钢和大型宽边工字梁及其支撑立柱焊接而成，用以吊挂炉顶的锚固砖，铺设平焰烧嘴的操作平台和支撑加热炉上部管道，以及安装与检修计器用的走台。 9.现代步进梁式板坯加热炉的新进展上下供热的步进粱式加热炉是美国“表面燃烧”公司首创的，它计的第1批炉子，于1967年4月在美国格三尼特市热轧带钢 厂及日本新EI铁广蛔厂开始运行同年EI本 “中外炉”公司设计的炉子在名古屋热轧带钢厂投人了生产，从那以后步进粱式炉很快得到了推广，并成为70年代日本和欧洲新建带钢轧机和原板轧机的主要炉。 70年代，我国从日本引进的武钢1700 热轧带钢厂设置3座步进粱式炉于1978年投产，80年代宝钢2050热轧带钢厂从“斯太因”公司引进了3座现代化的步进炉于1989 年投产。1992年在武钢1700热轧，由法国“斯太因”公司做基本设计，我院完成详细设计。设计了加热硅钢液体出渣的步进粱式炉。 1993年我院参加了宝钢三1580热轧对外 技术交流和谈判工作。国外1985年以来在步 进粱式炉能和改善加热质量等方