环形加热炉的设计优化
冶
36
金能源
ENERGYFORMETALLURGICALINDUSTRY
Vol.30No.2Mar.2011
环形加热炉的设计优化
杨金鼎
摘
要
戚丙申王骥李建江
（辽宁科技大学）
多年从事环形炉的设计、监造、施工、调试，对原有环形加热炉存在的设计缺陷及
使用中的不足之处有了深入了解，并对其进行了探讨和研究。据此，对炉体结构、机械设备等在具体设计、监造、施工过程中做了改进和优化。经生产实际验证，从使用性能和投资造价上都取得了较好效果。关键词
环形加热炉
设计优化
Designoptimizationofannularfurnace
YangJinding
QiBingshen
WangJi
LiJianjiang
（UniversityofScienceandTechnologyLiaoning）
Abstract
Designdefectanddisadvantagesofappliedannularfurnaceswerediscussedandresearched
accordingtotheexperiencesandknowledgeofdesign，manufacturesupervision，constructionandde-bugging．Then，annularfurnaceconstructionandmechanicalequipmentweremodifiedandoptimizedduringtheprocessofdesign，manufacturesupervisionandconstruction．Afavorableeffectwasa-chievedinoperationalperformanceandconstructioncostattheoptimizedindustryannularfurnaces．Keywords
annularfurnace
designoptimization
作为无缝管热轧生产线主体设备之一的环形加热炉，其性能好坏直接影响整个生产线。尽管环形加热炉已经存在几十年了，且目前国内从事环形加热炉设计的企业有数十家，但是已建成的环形加热炉均存在着提高和改进的余地。随着社会进步、科技发展、不断更新的设计新理念及不断出现的新材料，对环形加热炉的设计提出了新的要求，同时也提供了理论和物质基础。作者在多年从事环形加热炉设计、监造、施工、调试实践基础上，系统地对炉体结构、机械设备等进行探讨和研究，改进和优化了环形加热炉的设计并取得良好效果。11.1
环形加热炉系统构成炉体结构
安装在炉子内外圈钢柱的斜撑上。炉子内外成，
环炉墙的砌筑结构采用复合结构砌筑，使炉墙不但具有一定的强度和整体性，而且具有良好的保温性。炉底不但承受加热工件的荷重、装出料时机械设备的碰撞和摩擦、氧化铁皮的侵蚀，而且还要承受在转动过程中温度的反复变化。这就要求耐急冷急热、耐炉底上层的耐火材料具有抗高温、
磨和不与氧化铁皮起化学作用等性能。因此，炉底必须具有一定的强度，良好的隔热性和热振性。炉墙底部和炉底周围用高铝质预制块砌筑。1.2
热工制度
环形加热炉在炉形外观结构上一般没有明显的分段（即压下和抬高），主要靠燃烧器的布置来控制各段温度。环形炉的温度制度和连续加热炉一样，有两段式、三段式和多段式。两段式适用于断面尺寸较小的钢坯或碳钢的加热，出料口附近温度最高；三段式以上适用于断面尺寸较大的钢坯或合金钢的加热，最高炉温在加热段。在均热段钢坯表面温度保持不变或略有升高。
根据坯料规格，炉子的供热制度分为预热
环形加热炉内墙和外墙的全部重量由固定在钢结构上的环形梁支撑。环形梁通常由型钢制
收稿日期：2010－10－18杨金鼎（1957－），高工；114051辽宁省鞍山市。
Vol.30No.2Mar.2011
冶金能源
37
ENERGYFORMETALLURGICALINDUSTRY
段、加热段和均热段。一般各段温度控制为预热段800～950℃，加热段1100～1260℃，均热段1280℃，排烟温度为800～850℃。1.3
机械设备
环形加热炉转动炉底由上、下环组成。上环坐在下环上，靠挡块固定位置。下环坐在支承辊上，由定心辊固定位置。环形加热炉炉底的传动方式一般分为液压传动和机械传动。传动方式为销齿机械传动。
1.4测量、控制系统
环形加热炉的测量系统主要包括：
（1）温度测量系统：各段炉温测量；换热器前后烟气温度测量；热空气温度测量。（2）压力测量系统：炉压测量。
（3）流量测量系统：加热段和均热段空气和燃气流量测量。
环形加热炉的控制系统主要是炉膛压力控制系统。炉压对炉子热工控制非常重要，炉压控制直接影响炉子的工艺状况。环形加热炉的炉压是由烟道闸板进行控制的。22.1
环形加热炉设计改进与优化炉体结构（1）炉墙厚度
520mm。山东墨龙集团Φ36mm环形加热炉和包钢集团特钢分公司Φ15mm环形加热炉炉墙厚度采用优化后的520mm。经实际检测，炉墙表面温度不超过80℃。
（2）炉底结构
江西洪都钢厂二期Φ11m环形加热炉炉底结构由预制块、石棉板和铸钢组成，通钢集团磐石钢管公司三期Φ12m环形加热炉为在预制块下加轻质粘土砖保温的改进炉底结构。计算表明：改前炉底外表面83℃，改后为64℃，炉底预制块处外表面温度较低。通过这几年实践，改进后对大型环形炉作用不大，对小型环形炉起到很大作用。因为对小炉子来说，预制块部分占整个炉底的相对面积较大。2.2热工制度
（1）隔墙设置
隔墙设计，我国早年采用前苏联的环形加热炉设计模式，每段都加一道隔墙（预热段、加热段、均热段、进料炉门、出料炉门）。其中，进料炉门与排烟口之间的隔墙（隔墙3）和出料炉门与扒渣炉门之间的隔墙（隔墙2）的作用是在满足炉底氧化铁皮增厚而不影响钢坯通过的情况下，尽量降低隔墙高度，以防止烟道吸冷风；出料炉门与均热段之间的隔墙（隔墙1），隔墙高度适当高一些。在防止炉膛向出料炉门喷火的同时，要给出料炉门处一些热量，以减少出炉钢坯的温降，降低炉口散热损失；其余各段隔墙的作用，一是利用隔墙划分各个加热区域，二是对流过的燃烧烟气进行扼流，降低烟气流速，加强换热效果。这在当时的生产条件下有一定作用（加热炉与轧机不十分匹配，或炉子需要适应一个很宽泛的轧制产品结构时，由于强化生产，相对炉子燃烧烟气量太大的情况下）。
现今，一般采用四道隔墙的设计（图1）。除了装出料炉门的三道隔墙功能不变，在预热段加设一道隔墙。其目的是对烟气扼流，降低烟气流速，提高加热能力。在通钢集团磐石钢管公司一期Φ13.5m环形加热炉上就在预热段处加设一道隔墙。通过实际考核，效果非常不好。因为烟气在炉膛内的流速，在设计炉膛断面时就已确定了。增加隔墙，既增加烟气阻力又影响加热效果。同时对于小炉子，炉顶结构过于复杂，影响
按照工业炉设计手册，早期环形炉的炉墙厚度一般为486mm。早期设计的通钢集团磐石钢管公司一期Φ13.5m环形加热炉和江西洪都钢厂一期Φ14m环形加热炉炉墙设计厚度为486mm。经实际检测，炉墙表面温度超过120℃。这不仅增加能源消耗，且使炉前工作环境恶劣。炉墙薄，墙表面温度高，散热损失大；炉墙太厚，虽然散热减少，但造价增加且炉墙蓄热量增大，蓄热能耗增加。在停开炉时，需要的蓄热量大，造成能源浪费。为降低炉墙散热，通过理论计算改进后设计的通钢磐管公司二期Φ13.5m环形加热炉和江西洪都钢厂二期Φ11m环形加热炉炉墙设计厚度改为500mm。生产实践表明，炉墙温度虽然有所下降，但还是有些偏高。经现场详细观察、分析发现，由于炉墙锚固砖是高铝质的，它将影响复合炉墙的保温效果。综合考虑炉墙保温、蓄热和性价比，在计算中更细分复合炉墙中的耐火材料组分，进一步优化设计的炉墙厚度为
冶
38
金能源
ENERGYFORMETALLURGICALINDUSTRY
Vol.30No.2Mar.2011
图1环形炉平面图
（侧烧嘴可以保证炉内温度场的均匀，进而保证加热钢坯的质量）。因此，炉膛宽度小于4m的炉子应将烧嘴布置在炉子的内外墙上，可保证炉顶整体性好，延长炉顶寿命。对于炉膛宽度大于4m的炉子，均热段布置一部分顶燃烧嘴（炉膛宽，侧烧嘴很难保证温度场的均匀），对炉内温度场的均匀有益处。
由于环形加热炉进出料炉门处于相临位置，均热段与炉尾排气段接近，容易造成气流短路，使部分高温气体直接进入烟道。因此，在一般的设计方案中，解决的方式是除增加隔墙外，在进料炉门与排烟口之间增加火封烧嘴，以避免上述现象的出现。但在实际设计和生产当中，一是该烧嘴的使用不当，有可能使炉子能耗升高，二是该烧嘴的位置不易布置。因此，在以往的设计中采取在均热段烧嘴布置上带有一定的角度（见图1），利用烧嘴的动能，使大部分烟气流向加热段方向，而不是直接进入烟道。具体设计方案是：其中靠近环形加热炉均热段一侧的烧嘴布置带有10°～15°的角度，靠近出料炉门的内外环各一只烧嘴为正常垂直角度布置。这是为防止在出料位置被加热的坯料由于吸入冷风，而氧化或温度降低达不到轧制温度。2.3
进出料设备（机械手）
进出料机由运动小车和夹钳组成。小车的前进与后退用电机驱动，夹钳的夹紧与松开和升降
炉子整体稳定性；由于是水冷方式，增加能源消耗和冷却水消耗，对烟囱抽力要求也高些。现在轧线从加热、穿孔到轧管的设计的设备能力都是匹配的，管坯的规格都在设定的范围内，不需要在很宽的产品结构范围生产，炉子很少进行强化生产操作。除进料炉门、出料炉门、烟道口隔墙外，其余隔墙作用不大，所以在后续环形加热炉设计中均采用三道隔墙。
（2）烧嘴的布置
一般环形加热炉的烧嘴均安装在炉子的内外墙和炉顶上，且都垂直于炉墙表面布置，其目的是保证炉膛各段温度均匀。顶燃烧嘴对炉顶整体性产生一定的影响。尤其当燃气压力波动时，在烧嘴附近产生局部高温，严重影响炉顶寿命。
通过多年从事环形加热炉调试的实践，提出燃烧器布置及供热负荷分配的原则。即烧嘴的单个供热能力不要过大，应采用小烧嘴多点布置，这样可使炉内各段的温度场均匀，钢坯断面温差小，有利于提高钢坯的加热质量；切忌烧嘴能力过大、安装集中，造成预热段过长、温度较低而起不到很好的预热作用；而且钢坯到了加热带集中加热，不但容易造成钢坯内外温度不均匀，还容易使钢坯表面产生过热或过烧，产生较多的烧损。在设置烧嘴的数量上，既要考虑到炉内温度场均匀性，又要考虑清理和检修方便。对于炉膛宽度小于4m的炉子，顶燃烧嘴的作用就比较小
Vol.30No.2Mar.2011
冶金能源
39
ENERGYFORMETALLURGICALINDUSTRY
用压缩空气或液压驱动。早年环形加热炉炉底的传动方式靠液压缸驱动，炉底不能反转。管坯在炉内出现错位或处理事故时，只能用机械手拨动。机械手除了前进与后退外，还要具有横移功能。
随着科技的进步，大扭矩、大数比减速机的出现，使炉底正反转非常方便。机械手的横移功能就不再需要。所以，在设计中不必增加横移功能。
夹钳的动作由压缩空气（液压）驱动，由PLC控制，必须具有自锁功能，尤其是装出料机械手在夹料期间，当其接触到工作平台（或炉底）时机械手才有可能动作。设置此功能的主要目的是为了防止机械手在运动过程中松开，避免下落的钢坯将工作平台或炉底损坏。
机械手的前进和后退靠电机驱动，采用PLC变频控制。由于考虑机械手夹持管坯时的运动惯性，一般设定机械手小车运行速度0.5m/s。这样，要想使进出料时间满足生产节奏，必须缩短机械手夹钳夹紧和张开时间、提升和下降时间（如图2机械手运行时间所示）。对于管坯小的炉子，设计机械手的动作采用压缩空气驱动。因为管坯单重小，生产节奏快，压缩空气仅需0.4～0.6MPa。而液压驱动慢，满足不了要求。要想保证同样时间，就必须增大液压站流量和压力，投资和运行费用均较大。大管坯的生产，坯料单重大，生产节奏相对较慢，需要夹持力大，压缩空气驱动满足不了要求，而液压驱动的夹持力大，这时应选用液压驱动
。
图2
2.4
测量、控制系统机械手的运行时间
压力控制，并将炉压控制在合理范围，使环形加
热炉工作于良好的工艺状况下。
（3）逻辑顺序控制：为实现环形加热炉的装料、炉底转动和出料操作的自动化运行，控制和协调这些机械的运行，采取逻辑顺序控制方式。以上基础级控制系统主要完成逻辑和顺序控制、速度和位置闭环控制、计算、通讯及I/O处理等。3
结语
测量系统测量精度的高低直接影响自动化系统的控制水平，环形炉的测量系统主要包括：（1）温度测量系统：各段炉温测量；换热器前后烟气温度测量；热空气温度测量。（2）压力测量系统：炉压测量。
（3）流量测量系统：加热段和均热段空气流量测量。
根据上述测量系统测量的结果进行以下控制：（1）炉温及空、燃比控制：采用先进的双交叉限幅控制系统，设置合理的空燃比。当炉子升温时系统以空气为引导流体，即先增加空气流量，再增加燃料流量，降温时以燃料为引导流体，该系统的设置就是从节能降耗角度考虑的。
（2）炉膛压力控制：通过烟道闸板进行炉膛
经过多年的实践，改进及优化设计建造的环形加热炉能耗低、运行可靠、自动化程度高、投资少，体现了目前环形加热炉设计的先进水平。
万
雪
编辑