现代化步进梁式加热炉水梁的设计和结构 加热设备 工业加热 第34卷2005年第1期 现代化步进梁式加热炉水梁的设计和结构 张文学 (无锡龙山科技有限公司，江苏 无锡 214000) 摘要：着重介绍了现代化步进梁式加热炉的关键部件——步进梁的结构和设计原则，步进梁纵梁，固定梁纵梁，步进梁和固定梁立 柱的计算方法，现代化步进炉水梁的最新发展。 关键词：步进梁式炉；结构；设计 中图分类号：TG307 文献标识码：A 文章编号：1 002—1 639(2005)0 1—0028—03 The Design Principle and ...

　　加热设备 工业加热 第34卷2005年第1期 现代化步进梁式加热炉水梁的

　　和结构 张文学 (无锡龙山科技有限公司，江苏 无锡 214000) 摘要：着重介绍了现代化步进梁式加热炉的关键部件——步进梁的结构和设计原则，步进梁纵梁，固定梁纵梁，步进梁和固定梁立 柱的计算方法，现代化步进炉水梁的最新发展。 关键词：步进梁式炉；结构；设计 中图分类号：TG307 文献标识码：A 文章编号：1 002—1 639(2005)0 1—0028—03 The Design Principle and Structures of Water cooling Beam for Modern Walking Beam Heating Furnace ZHANG Wen—xue (Wuxi Longshan Technology Co．Ltd．，Wuxi 2 14000，China) Abstract：The article introduced the key parts ofmodern walking beam heating ace——一the structures and design ptinc~le about walking beam．Th e calculating me~od of walking longitudinal beam and fixed longitudinal beam，walking uptight beam and fixed uptight beam ． Newly developments ofwater cooling beam ofmodern walking beam heating furnace． Key words：walking beam furnace；structure；design 1 前 言 现代化步进梁式加热炉水梁的设计和结构，对于步 进炉的设计来说，至关重要。它不仅关系着炉子的能耗、 坯料的断面温差、产品的加热质量、炉子的使用寿命等， 更重要的是它关系着步进炉设计成败的大问

　　。 本文就现代化步进梁式加热炉水梁的设计和水梁的 结构作一粗浅探讨。 2 步进炉水梁的布置 2．1 水梁的数量和布置 影响水梁数量和布置的主要因数有： (1)钢坯的长度 (如单、双排料)和钢坯的断面； (2)钢坯加热温度； (3)要求钢坯在炉子高温区水梁上的最长停留时间； (4)水梁的结构和水梁的断面模数； (5)被加热的钢种； (6)炉子下加热烧嘴的能力、烧嘴的数量和布置； (7)装出料设备的结构形式和布置方式⋯； (8)对错位梁的要求 (如固定梁、动梁或动、固梁 同时错位)； (9)一段梁还是二段梁； (10)悬臂长度和跨度因素。 总之，水梁的数目和布置在满足钢坯在炉内顺利运行的 前提下，应尽量减少数量，尤其是减少动梁及其立柱的 数量。 收稻日期：2004—11·12；修回日期：2004—12—14 ● 作者简介：张文学(1943一 )，男，教授级高级工程师，国家级有 突出贡献的专家，长期从事工业炉窑、燃烧器、烧结点 火器和煤气放散塔的设计和研究． 28 2．2 水梁的悬臂长度和跨度 由于炉内钢坯70％~-80％的时间是支撑在固定梁上， 所以坯料在水梁上的悬臂长度和跨度主要按固定梁考虑。 坯料在炉内移送过程中允许的最大下弯量(塔头)≤75 toni， 最大下弯量与坯料的厚度、材质、炉温、炉内停留时间 等因素有关。 当出钢温度为 1 250℃时，钢坯悬臂系数和跨度系数 可按表 1选用： 表 1 钢坯悬臂系数和跨度系数参考表 L1一K1／so· ；L2一K1／sO～；K1为悬臂系数； 为 跨度系数；L1为钢坯悬臂长度，m； 2为钢坯跨度，m； 为钢坯厚度，ITI。 钢坯在水梁上的最小悬臂为200 mnl，一般取 200～ 350 ram。主要考虑了如下因素： (1)钢坯定位误差4-50mm； (2)步进机械横向跑偏误差4-50 rnnl，(步进粱的横 向跑偏量一步进炉有效长度÷l 000)； (3)钢坯在炉内的膨胀量。 钢坯在炉内的膨胀量=钢坯长度(m)×钢坯的膨胀系 数×钢坯的温度÷2，如 12 m的钢坯，在 1 150℃时，其 膨胀量为 82．8 mnl。 对于一个有效长为30m炉子，被加热的坯料长 12m， 出钢温度为1 150℃的步进炉来说，其钢坯最小悬臂长度为： 维普资讯 加热设备 工业加热 第34卷2005年第1期 钢坯定位误差+50ITIITI+横向跑偏误差4-30nlln+钢 坯在炉内的膨胀量82．8 BIlTI~162．8 mm。 考虑坯料端头不会脱轨，还要留有一定的余地，因 此，钢坯在水梁上的最小悬臂为200 mm。 固定梁与活动梁的中心距一般≥600。如果再小就会 阻挡从炉子下部传到坯料下表面的热量，使固定梁和动 梁之间的下表面加热不允分，加剧了坯料与梁接触部分 的黑印。 悬臂坯料的端头到相邻动梁的最小距离也需要限制， 目的是要防止坯料下弯碰坏提升起来的动梁的耐火材料， 此最小距离等于坯料的热膨胀量加上定位误差加上步进 机械的跑偏量加上动梁的一半宽度。 依照上述各项条件，同时考虑错位梁的形式，作出 固定梁、动梁的根数和配置

　　、布料图，在满足所有 坯料装入条件的前提下，梁的根数越少越好。 对于线棒材加热炉，可采用坯料一侧对齐或炉子中 心线对称布料方式。对板坯加热炉来说，可采用中心对 称布料或二侧交错对齐布料为宜。 2．3 错位梁 步进式加热炉采用加热段与均热段纵梁水管滑道位 置错开布置，可大大减少坯料加热段带来的黑印。也就 是说，水梁错开后，在均热段还来不及形成的黑印，坯 料已出炉了。而原来从加热段带来的水管黑印经梁错位 后便逐渐消失。 据 DANIELI专家介绍，采用错位梁后给坯料带来的 温差比直线℃。 日本中外炉专家对此也作过研究，采用错位梁后坯 料黑印所造成的温差是23℃，而直线梁、坯料黑印所造 成的温差是 42℃ (对坯料厚度为 250 mm，对应于水冷 管中心线 mm处点的温度与下表面处点的 温度之差)。可见错位梁技术对减轻水管黑印效果十分 明显。 2．4 二段梁 为了适应冷、热混装及高碳钢、合金钢的加热要求， 二段式步进炉便应运而生。二段步进梁就是在炉子长度 方向上步进梁 (底)分成二段。并各由单独的托辊支撑， 以便单独升降或联动升降。从理论上讲，二段梁式步进 炉在实现炉子各段不同温度

　　方面的灵活性特别大，它 可满足不同规格江南体育、冷热混装、不同轧制节奏、待轧等多 方面的工艺要求，可以减少坯料的脱碳和氧化烧损，从 而提高产品的加热质量。 3 纵水梁的结构设计 步进梁水冷管的结构有单圆管、双圆管、长圆管、椭 圆管和矩形管等。 选用何种结构，应结合管材供应情况、炉型、坯料 断面、炉子的荷载等条件来决定。国内包钢轨梁厂用的 是矩形管 (160ITIITI×119IlllTI×18 mm)，武钢 1 700热连 轧步进炉用的是长圆管 (170 nllTl×120 mnl×20 mnl，其 中圆管半径R60 mm)，宝钢 2050热连轧步进炉用的是单 圆管 ( 159mm×20mm)，马钢高线 mm)，梅山热轧和马钢大H型钢用的是单圆管 和双圆管混合结构。 由于管材的供应情况等问题，国内大部分的纵水步 进梁式加热炉都采用厚壁单圆管和厚壁双圆管结构。但 从节能和从减少水管面积来讲，应尽量少采用圆形管结 构。因为，同样大小的断面模数，长圆管、椭圆管和矩 形水管表面积要比圆形管少 15％4 20％左右，因为水梁 的断面模数和其高度的平方成正比。水梁面积的减小，就 意味着炉子下加热供热状态和坯料上下温差的改善，同 时也意味着炉子能耗的降低。 水梁的设计还应考虑下列因素： (1)当水梁单体超过 12 In时，水梁设计和安装时要 考虑预倾钭； (2)水梁过长时要分段； (3)水梁长度要考虑出厂后的运输准许长度； (4)纵水梁可按连续梁进行强度计算，但其许用应 力不同于推钢式炉纵水梁。 4 水梁立柱的结构设计 (1)步进炉的纵水梁是由水梁立柱支撑的，立柱间 距越大，立柱的表面积越小，纵梁表面积越大，也就是 说，纵水梁的表面积和立柱表面积有一个最佳配置问题。 同时，对于步进梁式加热炉来说，水梁立柱是穿过炉底 的，炉底开洞要散失炉子的辐射热。因此，原则上讲，应 尽量减少水梁的根数和立柱的根数。 (2)坯料的重量是通过水梁和水梁立柱把其传递到 步进梁式炉的移动框架上的，步进炉和推钢式炉不同，立 柱在纵向上是一个桁架结构，但在横向上是各自独立的。 因此，立柱的设计，应考虑如下受力： (1)运动框架移动产生的水平冲击力； (2)水梁受热产生的膨胀力； (3)垂直弯曲力； (4)地震力。立柱受热膨胀力和地震力是一种瞬时 作用力，而水平冲击力和垂直弯曲力是一种长期力； (3)定梁立柱和动梁立柱 “间距”不同； (4)为便于下部纵烧嘴安装，定梁立柱可采用门型 柱或T形横管支撑梁； (5)立柱的水梁冷却系统可采用汽化冷却和水冷，在 冷却系统中，立柱可单独串联亦可和纵水梁连通，立柱 和纵水梁一般采用单独串联。在汽化冷却系统中，立柱 本身采用 “自然”对流冷却，选用何种方式要结合水梁 整体设计考虑，但要以分系统的热负荷和流体阻力大致 相等为原则。 维普资讯 加热设备 工业加热》第34~2oos年第l期 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 一 水梁采用水冷却，其内壁温度约为60℃， 约为 130℃，管壁平均温度约为95℃： 外壁温度 6．2 垫块的尺寸 (6)动梁立柱下部固定宜采用双结点固定结构； (7)立柱的预倾钭。梁与立柱是焊在一起的，对于 一 定长度的梁来说，如果安装时立柱是垂直的，梁受热 膨胀后立柱就会变形或倾钭，同时，立柱两端会产生很 大的弯曲应力。因此，作者认为，对于一定长度的梁来 说，立柱应预先倾钭安装。立柱的倾钭度由梁的膨胀量 来决定。 5 立柱上的井式孔洞帽 动梁立柱是穿过炉底固定在炉底平移框架上的，这 样炉底洞口就会散失辐射热。为此，国外在动梁立柱上 作了很多研究，如美国 Rouge[ ]钢厂在每列活动梁的 5 根立柱上均设计了 2．5英寸无缝钢管制作的井式孔洞帽 (图 1)，经该厂热平衡测试，在立柱上采用井式孔洞帽装 置后该炉平均节能 4％---5％。日本钢管公司，新日铁津 君钢铁厂都作了类似结构的研究 采用这些装置，不仅 取得了明显的节能效果。而且改善了炉压状况。 图1 立柱井式帽结构图 6 耐热垫块的形状和结构 6．1 形状和结构 垫块的形状和结构是根据炉型、钢坯断面尺寸、钢 种、轧机的产品、钢坯的加热温度加热黑印和断面温差 的要求以及垫块的材质及价格等因素综合考虑决定的。一 般来说，板坯步进梁式加热炉采用蘑菇形垫块或骑卡式 条形垫块、棒线材和型钢加热炉采用骑卡式或焊接式条 形垫块。图2、图3、图4示出了几种常用的耐热垫块的 形状和结构。 垫块上表面承钢面积和承受钢坯的应力是有一定要 求的，承钢应力过大所造成的压痕是无法消除的。一般 来说，合金钢或硅钢的承钢应力要比普碳钢小得多 蘑菇形垫块上表面直径一般选用 100mm～ 120mm， 高度60～125 mm。 图2 骑卡式条形垫块图 图3 蘑菇形垫块图 图4骑卡式垫块图 条形焊接垫块长度在 200～300 nlrn，宽度在 25～ 50 mm，高度在40～80 mm，垫块中部应设置膨胀缝。 骑卡式条形垫块，一般长 100～ 200 IIIITI，宽 40～ 100 IIIITI，高60～ 125 nlrn。 6-3 垫块的材质 表 2列出了一些常用的高温垫块的牌号和材质的主 要成分，表 3列出了垫块的主要技术性能。 表 2 高温垫块的牌号和主要成分 ％ 牌号 C Si Mn Cr Ni W M0 C0 Nb S P C050 0．1 5~0．25 0．5～1．0 0．5～1．0 27～29 48～52 0．5

　　MPa (％) 温度／℃ MP a M Pa C050 8．I 20～1 0o0 I6．7 500 8 II5 35 C040 8．1 2O～l 0o0 l6．9 430 6 l2l 30 Co20 7．9 2O～l 0o0 l5．7 450 4 l25 l5 ZGCr28Ni 7．9 400 3 100 48Si2W2 ZG40Cr 7 7 440 8 25Ni20 6．4 垫块的布置 对于大管径的纵梁，多采用错开布置。相邻两垫块 各偏离20 lnln。对于板坯炉采用两垫块各偏离 20 mln的 布置，水梁黑印为 23℃，比采用直线℃，采用非焊接性结构比采用骑卡式结构，垫块表面 温度可提高40～60℃。 7 水梁的绝热包扎 步进炉的水梁采用绝热包扎和不采用绝热包扎其热 损失相差 2～3倍。步进炉的水梁一般采用双层绝热包 扎，内层包20lnln的耐火纤维，外层浇注 50mtn自流重 质浇注料。包扎前在水梁上要焊不锈钢锚固钩。 步进式加热炉在炉内运送坯料时具有轻抬轻放的功 能，不像推钢式加热炉在推钢时产生剧烈的振动，因此， 其绝热包扎的使用寿命是推钢式加热炉的4～6倍。 8 结 语 现代化步进梁式加热炉的水梁是步进炉的关键部件， 它不仅关系着炉子的加热质量、能耗、坯料的温差、使 用寿命等，更重要的是它关系和决定着现代步进梁式加 热炉设计的成败。因此水梁的布置、步进梁和固定梁的 数量、水梁和水梁立柱的结构、耐热垫块的形状和结构、 是步进梁式加热炉设计质量的重要因素。 参考文献： [1】张文学．现代化步进式加热炉的发展 [J】．工业炉，1995， (1)：30—38． [2】Anon．Rouge钢铁厂步进梁式炉井式孔洞帽的开发与应用 [J】．张文学

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