维普资讯 滋爨潞爨 囊工业妒羹 滋潞 斑 关于辊底式热处理炉炉辊的若干问题 任 恩 溥 辊底式炉的设计和操作I 主要问题之一是确定下列参撒 的合理关系， 炉辊的辊 距、材质、：饥械性能、被加热钢材的几何尺 J．、钒材 炉辊上均移动速度等等。现对奠几 个．璎之点简述如下。 1． 炉 辊 的 辊 距 采用的炉辊辊距越小，由昂贵的耐热钢 j成的炉辊需要置越多，钢材的加热 条 件 越 坏，燃料消耗量也越大。另外，有时炉辊轴承的布置还会发生困难。但无根据地加大辊 距，钢材的前端将由于钢材蠕变变形过大而钻到炉辊下而去，引起事故。 辊距的合理参数主要根据现有没备的操作经验来选定，有的文献曾介绍过H1计算扶确 定， 呵供参考。 2． 炉 辊 的 材 质 炉辊是辊底式炉的关键部件之一，它关系到炉子的造价、维修、能耗的多少以及稀有 金属的合理利用等。据有关资料推荐，炉温75012左右时，炉辊选用Cr20Ni]O材料；炉温 850℃左右时，选用Cr20Ni14；炉温950℃左右时，选用Cr25Ni20Si2；炉温 l100℃ 右 时，选用Cr28Ni48W5。可见，选用哪种材料主要取决于炉温，因炉辊长期处在爵温 F， 且承受一定的负菏 (炉料及 自重 )，故要求材料的抗蠕变强度高，抗氧f{二性好，』=L长时 使用后不产生或少产生脆化现象。其它性能，如耐磨f!-ff~-、机加工切制性能、焊接性能 也都有所要求。 此外，炉内气氛的不同也影响材料的性能，例如炉内气氛 中有硫的化合物，辊子全加 速腐蚀；材料巾随着铬含量的增加抗腐蚀性能也会增加；而在镍基合金中镍含量愈高，则 耐腐蚀性能愈差。为此，在Fe—Ni—Cr合金中应尽可能提高Cl。的0最，降低Ni的含量， 才能提高对含有H S的还原性气氛的耐腐蚀性；化学成分中加铝及硅，可使抗腐蚀 能仔 到显著的提高。炉辊在碳氢化合物和其它渗碳性气氛炉子内工作时，需要考虑渗碳带来 j 影响。在镍基合金中，含铁量低，则在碳氢化合物气氛 中也不渗碳 但是含铁量高，则产 生渗碳。渗碳会使材料融点降低、变脆和生成网状碳化物，而氧化祸蚀戒 它腐蚀 8 维普资讯 容 沿计网状碳化物向 部扩巧。71氰气 譬氰 物∞ 氛巾加热If,r，渗氲的影 H 必须考 j， lc_-Ni—Cr合 j i 下， !∞ 镍 ，0 融，比增JJl!铁 铬 的 量更能仃效地防 渗氮和氮化。含 、硅多的钢 离温下容易形成氮化物，并引起激烈的腐蚀。 我国为了节约贵亚会嚆Ni， 而‘热炉辊的材料 做了很多工作。据有关资料介绍，几 前陡用较多的丽内研制的耐热锕 3Cr24Ni7N在900～1000℃的温度范围内，其抗氧化性 Cr25Ni20Si2相比未见差异，且该钢种有 良好的 合性能，特别是在高温状态下长期使月】 后 其强度及塑仫陀25—2o钢高；但是在炉温高于 】000℃时，典抗氧化 能比25—2o钢 差。据鞠研院试验结果，NiTN铡加入铈 (Ce)后，明显地提高了 ¨OO～】200℃温度下的 抗氧fl=他能，拱虿超过25—2o钢，而且原锕科，强蛮高、塑傩好的特征更为突出。实际使用 证明，加 Ce比不加 Ce的 Ni7N辊子寿命高。经上钢j厂使用， 证明其耐磨性能 较 之 Cr22Ni-~N有一定提高，但寿命较之 Cr25Ni20Si2还有一定差距。从鞍钢的使用情况看， 炉温不超过100O℃时，效果就好得多。最近国内投产的几座辊底式炉， 炉温均_在950℃ 下，炉辊材料都采用了Cr24Ni7N， 目前嚣亲效果是好的。 我丽生产的耐热钢试验数据较少，致使桨些钢种在某些温度下的抗蠕变强度无资料可 查，给这些钢的使用与正确评价带来困难。网此只有在长期使用积累经验后，才能正确认 识它的合理使用范围。笔者总的看法是，在一般辊底式热处理炉上，炉温存 95o℃以下时 可选用NiTN钢代替25—2O锕，950,1050℃时仍使用25—2O锕为宜。 综上所述，可以看出，选用什么材料必须考虑综合因素，一方i面要考虑炉温、炉内 氛等使用条件；另 方面也要考虑经济 的合理性。同时，还要考虑至ll耐热钢本 身 的特 点，决不可认为合金成分越高越好。 ’ 上谈到的是金属辊材质。圜内外对非会属辊也进行过研究。长城钢厂由日本引进的 复合小型辊底式炉采用的是碳化硅炉辊。我 国也进行了一些研制工作，制造过这种辊子。 另外，国外 曾采用过在耐热合金表面上喷镀陶瓷材料的辊子以及石棉辊等，但它们的共同 点是擦伤钢材表面。 外专利中曾推荐过一种炭质或黑铅质毛毡、毛料制造的炉辊，由于 作成了纤维状，不会产生辊子粘结，从而制品表而不会因被划伤而形成表面缺陷，另外， 即使在高温下也不用将炉辊水冷，但是这种炉辊的抗氧化性差。据介绍，炭质纤维毡或织 物的炉辊在炉温300,,-,900℃范围内和在N。类中性气氛或AX、DX一类还原气氛中具有充 分的耐久性，并允许在300℃以下温度的空气中使用；黑铅质纤维毡或织物的炉辊适 宜 在 90012以上的高温的中性或还原性气氛 中使用。 我院在齐钢、上钢五厂等处设计的一类炉子符合上述炭纤维辊的炉温及气氛的使用条 件。笔者认为，同内如能继续做好非金属辊的工作，坚持下去也会取得成果，使其能适刚 于某些特定条件，从而大大降低某些辊底式炉的造价，要做好这件事需要主管单位切实抓 和横向协作单位的密切配合方有成效。 9 维普资讯 3． 炉辊的许用应力和壁厚 一 般来说，辊底的造价约为炉子费用的20～30％，因此，国外计算炉辊时，有采用较 高许用应力的趋向。据多数资料介绍，如将炉辊作为简支梁计算，采用的许用应力为在使 用温度下10000tin时产生1 变形蠕变应力的75~v80 。另据美国在装甲板生产作业线钢的有关报道，一般应采用蠕变应力的70％作为许用应力；如果使用80~v90％ 的蠕变应力，则辊筒寿命由四年降至一年半，从而大大增加了维修费用。究竟选取偏高的许 用应力还是偏低构许用应力，尚需根据其它条件综合考虑 。无理由地降低许用应力而增加 辊套的壁厚没有好处。因随着辊套壁厚的增加必然带来炉辊 自重的增加，重到一定程度就 难以将炉辊支撑在炉壁上，而需另设轴承座。以往 的生产实践证明，另设轴承座造成的相对 位移会给正常运转带来很烦，也不及支撑在炉壁上的结构紧凑 (负荷大的炉子另 别 论)。另外，随着辊套壁厚的增加 辊身纵向热阻随之减少，传到轴承处的热量就增加了，特 别是对轴头不通冷却水的辊子影响较大。同时，随着辊套壁厚的增加，炉辊自重增加，反例 降低 了增加壁厚的效果。例如某项工程中，内径减zJxl0mm，外径不变，辊重增加 50kg左 右，弯 曲应力只减tb40N／cm 左右；但是，如果负荷与辊子自重的比值较大时，增加壁 厚对降低应力是会有一定好处的，例如，在另一工程 中，内径减dxl0mIll，外径不变， 辊 重增加21kg，应力降低12％。 国外设计的大产量的辊底式炉 辊子采用普通钢水冷，这种类型的辊子如果辊壁厚度 太大，热应力会很大；如果断面系数不够，可采用高强度钢管(as：50kg／mill以上)。 因此，设计炉辊时，对壁厚的选用应作全面分析，盲 目增加壁厚是不妥的。 4． 炉辊的受力和结构 被炉子处理过的钢材，由于其有一定的弯曲度，在炉内还会产生变形，因此，每个辊 子承受的负荷不可能是一样的。必须根据钢材的变形情况确定辊子可能承受的最大负荷， 作为计算辊子强度的依据。某些辊底式炉炉辊负荷甚至较平均负荷大若干倍．为了负荷均 衡 有的炉子在炉辊两端支点装设弹簧，当负荷比平均负荷大到一定程度时，弹 簧 被 压 缩，以取得与其他辊子负荷的相对均衡。 根据不 同的使用条件 ，炉辊的结构也各异，但大体可分为金属辊和非金属辊 两 利t型 式，金属辊又可分为空腹辊 (图lA、B、C)、带水冷通轴金属辊 (图2)以及全水 冷 辊 (图3)。为了节能及简化炉子结构 且近年来国内投产的几座辊底式炉炉温均 在 1000℃ 以下-故辊子结构都采用了空腹辊，这里仅就空腹辊的问题谈一些看法。 10 维普资讯 A l一辊身 2一接头 3一轴头 B l一辊身 2一锥头 3一轴头 L1一填料 C l一辊身 2一接头 3一轴头 4一填料 图 1 空 腹 辊 图2 带水冷通轴的炉辊 J一辊套 2一耐热混凝土 3一空气层 卜一石棉挡 5一寨头 6一合金钢层 7一水冷轴 维普资讯 九 一 I 一 一卜… 一 一：士rJ一 水流方向 … 一 【f ·} f一 ． 一 、、 、、 ＼ ＼ ＼ 、·l ＼ ＼ ·、、 ’． —_÷—，——一 图3 芏／水冷炉辊 图l是三利t典型的空腹辊， 1人是采用普通轴承结构，辅端通冷却水，迎水 目的是降 低轴承的工作温度。但是，这种结构的辊子带走一部分热量，增加炉子的热消耗，据太钢 七轧经验，每个轴头要消耗大量的冷却水，近百根炉辊的轴头耗水 lOOm。／h； 另外，通 冷却水还有如下问题：(1)增加了生产操作、维护检修工作量，通水时需经常检查、调节 各轴头水量，还要经常维修供排水系统，尽管如此，漏水还是难免，影响操作，轴头与水 管的摩擦噪音也很大 。(2)难免有水流至滑键处，引起该处生锈，导致卡死，影响炉辊胀 缩，甚至因此造成断辊。(3)逦水后轴温降低，炉气中的水分在辊轴面上凝结，同样引起 生锈卡死。 图lB、C的结构是轴头无水冷结构，这种结构除去可以避免上述缺点外，由于取消了 冷却水设施，减少了炉体周围的管线，便于其它管线及设施 的布置，但这种结构使轴承的 温度提高；而如果炉内不需通保护气体，轴承不固定在炉皮上，则轴承温度此时就不会太 高，如天津无缝钢管厂和天津金属制晶厂的那种结构就比较好处理，但如果轴承及壳体回 定在炉皮上，轴承的温度就较高了。我们 曾对从国外引进的几座轴头不通水的辊子轴承外 壳进行测温，大约部在 100℃左右，轴承本体的温度在设计前难以实测，即使通过计算l卫‘ 难以推知。根据某厂润滑油的使用温度 以及 日本中外炉公司设计的一座辊底式炉辊子轴承 耐温度 (200℃)推测，估计轴承温度可能高达150~200℃。轴承温度的提高主要是通过 辊子的热传导造成的。为了减少辊子向轴承传热，在辊子结构上采取了如下措施：(1)在 保证辊子强度的条件下，尽可能减小炉辊壁厚。(2)在辊套两端填充隔热材料，齐钢的炉 辊系采用硅酸蹦耐火纤维。下面将图1B、C两种无水冷辊的结构形式怍一粗略比较： 带锥头的辊子 (图1B) 工 不带锥头的辊子 (图1C) (D向轴承方向传热量较少，时轴承较 (1)向轴承方向的传热量较多，对轴承较 有利 ‘ 不利 ， (2)近似等强度设计 (2)非等强度设讣 (3)砂型铸造锥头，由于耐热钠水流动 。。(3’无锥关，全为离心铸造辊套，质量好 性差，易形成缺陷 (4)制造工艺较复杂，辊套与锥体搭接 (4)制造工艺简单，辊套与轴头焊接处靠 处因：焊缝，。·j·’能形成薄弱环： 近炉外墙处受温眨影响小，没有薄弱 环节 维普资讯 (3)炉子砌体较复杂 (5)炉子砌体较简单 我们为齐铂及上钢直f一没计的炉辊均采用了图lB的形式，为克服图lB的缺点，齐钢 汁中考虑了两项措施；(1)锥头采用精密铸造法制造；(2)锥头与辊套采用同一材质， I，’限 二者焊接处的应力状态；(3)锥头进行IOMPa的水压检验。 5． 炉 辊 轴 承 5．1轴承的工作条件 转速一般较低，负载 不相同。齐钢的炉子属中等负荷条件 ，辊子一般细长比较大， 受f：姣后在轴承处产生的偏角较大，且炉辊和炉壁在加热过程 中必然产生变形，轴承的工 f温寞较高；带有缳护气氛的炉子还要求轴承具有良好的密封性能。 5。2轴承选墅 日：前国内使硐ll匀；!{j承仃两类，一是有凋心怍用的滑动轴承，结构比饺简单，但效率较 弧， 封不好，如天泽无缝钢管厂即属此类，在一般没有保护气氛的炉子上使用 是 可 以 ∞；另一类是滚功轴承，这种轴承效率高，如设计和使用得合理，寿命也较高，润滑周期 长 可供使用的滚动轴承的结构形式大致有以下几种 ： 5．2．1双歹l向心球 (滚予 )轴承 一 这l；rl；轴 不带南 装置；使用中滚子的调心轨道易变更，受力不好，因而寿命短，公 含较紧，安装不方便。据现场反映，这种轴承在使用中带来很多麻烦 。 5．2．2弹簧滚予轴承 长城钢厂由西德引进的炉子采用了这种轴承。这种轴承本身无密封装置，轴承的调心 作用主要靠弹簧圈的变形，受力是不均的。轴承的润滑为稀油集中滴油润滑，如改用润滑 脂润滑 。则渊滑脂的保持是个问题。这种轴承过去在轧钢设备中受强烈冲击的地方曾使用 过，如炉前辊道。笔者认为，长钢辊底炉采用这种轴承不是从耐冲击的观点出发的，主要 是剃用其凋心性能f“游隙大便于辊轴伸缩等特点。长钢使用的这类轴承是非标准的(考虑 热胀 )，制造赢烦 。此外，据洛阳轴承研究所专家讲，这类轴承在国内已属淘汰产品，因 此，笔者认为，不论从现实角度还是从发展上看，选用这种轴承并不理想。 ． 2．3外球丽向心球轴承 ‘ i982年在武钢考察时从 日本引进的设备一!发现 r这种轴力之，并对轴承进行了解休，认 识刊这种轴承 的主要特点很符合辊底式炉的 本工作条件，但 由于炉辊轴承工作温度等特 殊条件，不能单纯地套用，对轴承壳体及其中的密封装置都需要特殊考虑，唯一的出路是 与 内的轴承制造厂密切协作，攻克难关。 ． (j)外球而向心球轴z的结构及特点 ． _，轴乐。I{，体_．；，{、，轴7外壳 l，支衔封设施 是轴乃之装置的不可缺少的组成部分，主要作 川 J_-j、散热 定 lj炉J U题，特别是机俄裔上于、环形 密封、旺圈衔 13 维普资讯 封的设置对加强炉内保护气体的稳定起着重要的作用 (参见图4)，毒出承壳上的散热片是 为了加强散热效果，降低轴承温度。从国外引进的设备的轴承壳上有的设冷却水套，借以 冷却轴承，在炉温低：J：：950~1000℃的情况下不设冷却水套是有把握的。 一 ： 图4 外球面向心球轴承试验装置示意图 l一手柄 2一外球面向心球轴承90509 3一炉辊 、 4一电加热器 5一绝热材料 6一拱抬装置 7一千分表 下面谈一下外球面向心球轴承本体的有关问题。 外球面向心球轴承的结构如图5，其特点如下： ①外球面向心球轴承具有良好的密封结构。轴承两侧均带有密封圈和防尘盖，呈双层 密封的 “迷宫式”结构，不但能使油脂长期储存在轴承 内，不致泄漏，还能防止其它异物 进入轴承内部。对通保护气体的辊底式炉来说，不仅提高了轴承的使用寿命，延长了润滑 周期，同时对稳定炉 内气氛有着特殊的意义。此外，对减少对流传热，从而降低轴承温度 也很有好处。所 以说，滚动轴承本身带有这样完善的密封装置是罕见的。 ②外球面向心球轴承具有良好的调心性能。它的外圈外径呈球面，装在特制的轴承座 内，能使轴承 自动调心，轴承内圈较宽，与轴呈动配合 (靠顶丝与轴固定 )，因而，它能 适应炉辊的伸缩及弯曲变形。由于轴承可 自动调心，故又能适应炉壁受热变形祀安装不平 行等特殊条件。 ③外球面向心球轴承具有装拆方便的特点。由于轴承的内圈与轴呈动配合，轴承可 以 很容易地从轴上取下；轴承外径 (球面 )与座呈动配合，只需用手将轴承翻转 9O。， 即可 将轴承取出，大大方便 了安装和维修，且省工省时。 14 维普资讯 图5 外球词向心球轴承的结构 ’ 一 l一外圈 2一钢球 3一内圈 4一保持絮 5一密封晤 弩 · ．‘ 6一防尘盖 7一油室 8～顶丝 9一油孔 这种密封性好的轴承除了可 以成功地应用在辊底 炉上 外，对某些其它冶金机被， 特别是炉用机械江南·体育(JN SPORTS)官方网站，在工作环境比较脏或不便经常加润滑脂 地方也是很理想的· 由于这种轴承的调心幅度较大，可 以直接将其装设在焊接机架上，而不需加 机架的 接触面，对于安装着众多轴承的较大型的机架来说，由此而节省的加 l费用是棚 当可 观 的。 ‘ 此外 这种轴 的标准轴承座形式很多，便于 各种场合受用，也是其优点之一 。 外球 向心球轴承在辊底式炉上的应j{j是这种轴蘼在我国冶金行业浚计中的首 次应 用，随瞢这种轴承由轻系列向中系列方向的发展，可 扩大在冶余机槭j：的应用范围。这 种轴承是我 国发展的新 品种，据洛阳轴承研究所专家讲，它有取代普通球轴艰的趋向。 (2)外球丽向心球轴承的试验 此琐试验已列入了国家科技横向攻关项目，试验 目的是确定在辊底式炉的特定温度条 件下的最佳游隙参数；观察润滑脂的使用情况、轴承材质适刚情况等。 ． · ， ．，详 ： 试验结果总结如下 ： ①通过对轴承偏转角度的试验与测定，汪 外球而向心球轴承有 良好的调心性能，最 大偏转角度不小予2。。 ’ 。 ’ ⑦对轴承硬度的试验与测定，轴承采用GCr15轴承褂时，试验前 原 始 硬 度， 外 豳 HRC58～60。，内圈及钢球HRC60~62。，轴承经加温恢复正常后，硬度没有变化，、仍为 原硬度值。证明在炉温8O0～9O0℃的工作条件一FGCrl5轴承钢可满足工作要求。一’ ⑨通过对油脂泄漏的试验和观测，在高于轴承实际工作温度30℃的情况下，运转lOdx 时无油脂泄漏，证明这种轴承的密封结构合理。 ’ 、 !④装拆时间的测定 安装用4分钟，拆卸用3分钟，让明带座 (此处为非标准座 )l夕卜球 面向心球轴承确能大大缩短维修和安装时问。 ’ 一 ’ ⑤通过温升过程对轴承游隙的试验和捡测，证 明 炉温＆00～90O℃，炉肇隔热较好的 条件 第五组游 隙是合适的，也 明采用标准组游 隙的轴承不能满足工作要求。 ⑩逦过埘轴承 ≮啊}温度的i啦相I 测， ：丫轴艰1／{黼讣过稃巾备种温良的 f{-关 l5 维普资讯 系，为今后设计炉温1000℃以上的炉子所使用的轴承装置打下了基础。 以上是外球面向心球轴承及其附属装置的没计及试验情况，从齐钢及上钢五厂的使片j 情况及现场的反映，汪明该轴承在辊底式炉上 (炉 温800～850℃ )的应用是成功的。从齐 钢各部位轴承测温数据及轴承试验情况分析来看，笔者认为，炉温 950~1000℃ 的辊底式 炉只要对游隙适 当调整 (轴承材质及澜_}i_}脂不需改变 )，可以实现轴头无水冷。 炉 温 在 1000℃以上的辊底式：，轴承材质等还需再作进一步的探讨，当然实现无水冷应当说也是 有可能的。 燃煤气高速烧嘴简要介绍及操作要点 宋 贤 1． 简 介 高速烧嘴是70年代以后 际上发展起来的新型燃烧器，嘲内是70年代末80年代初才开 始试验并用f生产中， 目前仍处在初级使用阶段。 1．1高速烧嘴与 ·般烧嘴的区别 (1)一般烧嘴是燃料与．空气混合后住炉内或燃烧室内燃烧，而高速烧嘴是燃料与助燃 空气混合后 (或边混合边燃烧 )在烧嘴内燃烧。 (2)一般烧嘴喷入炉 内气流速度较低，约3O~ Ona／s，而高速烧嘴由于在烧嘴 内燃 烧后产生大量高温烟气 (一般压力为200~3OOmmH。0)，然后从一个收缩型的烧嘴砖喷 口以大于lOOm／S高速喷出 (国外在特殊场合高速烧嘴喷速高达200m／s)。 1．2高速烧嘴的优点及特殊用途 ．； (1)由于嚷口喷出速度高，基于引射作用，在喷口流股周围有较大的负压区，这样就 能将周 围低温炉气大量吸入流股，一方面高温流股温度迅速降低到梢高于炉温，避兔烧坏 被加热工件；另一方面使炉内气流造成强烈搅拌而导致炉内温度均匀。 ；·，：． ’(2)过去在一些要求加热及热处理温度均匀的加热炉和热处理炉上 需要加装很多个 小容量烧嘴，并进行频繁的操作调节才能使炉温均匀；现只需要用少数几个高速烧嘴就能 达到炉温均匀的目的。 (3)一般烧嘴由于火焰在炉内燃烧，炉内存在较大局部奇温区，为防lL钢械局．部 过． 烧 需要加设花隔墙、炉外燃烧室或将炉子尺寸增大，而用高速烧嘴则不需要这些措施。 (4)由于高速气流的冲击，增强了炉 内气流与钢材问的对流传热而提高了加热速度 。 (5)高速烧嘴具有很高的空燃比及燃烧调节比，因而可使喷出气流温度~200A-1700℃ 范围变化而有广泛的用途。 ． 无论从提高加热质蹙、缩 均温_}{：}】 提 热述 求 j}， 速烧嘴 魁…种·特殊的 l 16
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