轧钢车间加热炉设计(design of reheating furnace for rolling mill)

对型钢、中厚板、热轧带钢及线材等轧钢厂坯料加热炉的设计。设计内容包括炉型选择、确定装出料方式与炉子设施的平面布置、炉子加热能力与座数选择、炉温制度与炉型结构选择、炉子供热负荷计算及其分配比例、炉子尺寸设计以及炉子的检测与自动化操作。

炉型选择轧钢车间加热炉主要有推钢式加热炉和步进式加热炉两大类型。一般在设计前期根据原料和燃料、生产规模与产品大纲、车间布置、加热与轧制工艺要求以及整个轧制线的装备水平等原始条件综合考虑选择。步进式加热炉始建于20世纪60年代中期，与传统的推钢式加热炉相比，具有加热质量好、热工控制与操作灵活、劳动环境好等优点，特别是炉长不受推钢长度的限制，可以提高炉子的容量和产量，更适应当代轧机向大型化、高速化与现代化发展的需要。步进式加热炉在配合连铸坯热装时有明显的优越性，一般采用炉底分段传动方式，即在连铸开始浇铸时停止向炉内装料，而炉子仍按轧制节奏连续出钢，炉子装料侧一段炉底空出，当热连铸坯送到后即迅速装入炉内，尽量减少热坯的散热损失，同时集中加热热连铸坯可以有效地提高炉子产量和降低燃料消耗。推钢式加热炉和步进式加热炉的主要技术经济指标，如单位炉底面积产量和热耗，基本相同或相近，但步进式加热炉的最高小时产量则可大大超过推钢式加热炉，热耗也较低。步进式加热炉的钢坯在炉时间短，其钢坯氧化烧损率、脱碳率及废品率低于推钢式加热炉。步进梁式加热炉的冷却水消耗量比推钢式加热炉约多一倍，因此水系统投资要高一些，对操作及维护水平的要求也较高。

现在新建的具有经济规模的各类轧钢厂基本上都选用了步进式加热炉；一些老厂如美国底特律钢厂热轧车间、法国索拉克和恩西俄厂的热轧车间、日本和歌山热连轧厂与鹿岛厚板厂以及加拿大汉密尔顿的多发斯科厂等，在改建或扩建中都选用了步进式加热炉替代原有的推钢式加热炉。中国在70年代设计和建设步进式加热炉，但当前轧钢加热炉，特别是中小型轧钢厂推钢式加热炉仍较多，这与中国的原燃料条件等多种因素有关，加热短小钢锭不能采用步进式加热炉。

设计加热炉时还要决定炉子的热工制度、结构型式、主要技术经济指标、燃烧装置的型式与数量、排烟和余热利用方式、出渣方式等。

装出料方式与炉子设施的平面布置按照工艺要求确定加热炉的装出料方式及炉子在车间的位置。炉子的平面布置设计，包括燃烧系统管道设施、排烟系统及热回收设施、冷却水与汽化冷却系统、排渣设施以及炉子区域操作检修平台等的平面布置。炉子仪表室及计算机房的位置、尺寸及炉子设施占用的轧钢跨、原料跨等按设计要求确定。

装出料方式装料方式有端装和侧装两种，出料方式也有端出和侧出之分。(1)端装料。其结构一般用炉后辊道上料，中小型加热炉也有用固定台架、活动台架上料的。(2)侧装料。分辊道装料和推入机装料。辊道装料用于步进式炉，由安装在炉内后端的悬臂辊道将坯料送入炉内，由炉后推钢杆将其推到固定梁上，也有直接由步进梁托到固定梁上的；推入机装料借炉外辊道将坯料送至炉侧装料门前再用侧推入机推到炉内的固定炉床上，由炉后推钢机向前推送，可用于推钢式炉与步进式炉。(3)端出料。有重力滑坡式出料及托出机出料两种。滑坡式结构用得比较普遍，炉内滑道与炉前出料辊道高差约1．2～2m，用斜坡滑道连接，滑坡俯角约32^。～35^。，坯料可借自重克服摩擦阻力滑至炉前辊道上，辊道对面设缓冲器。各部尺寸及斜坡与辊道之间的弧形滑板设计多凭经验确定。这种结构的主要缺点是：出料口低于炉内坯料表面，炉子易吸入大量冷风，热损失大；当坯料较重或结构尺寸角度不合适时，易砸坯辊道与缓冲器；长料在下滑时容易歪斜而卡在滑坡上。坯料断面较小时也不宜采用端出料。现代大型板坯加热炉已采用托出机出料，可避免上述缺点。(4)侧出料。其结构分用侧出钢机推出及悬臂辊出料两种。前者用于推钢式和步进式两种型式的加热炉，后者只用于步进式炉。侧出料结构比较严密，没有吸冷风或冒火的弊病，炉内气氛容易控制并且节能，适用于加热坯料断面较小及合金钢的加热炉。板坯加热炉一般不采用侧出料，因为发生粘钢时很难处理。有些国家用悬臂辊道侧出料的步进式板坯加热炉，坯料宽。500～600mm。用侧推方式装料与出料时占地面积大，当车轧zha间炉子座数多于两座时很难布置。

炉内装料可以单排或双排(包括单排装长料和双排装短料)，这要根据坯料长度范围、单炉产量、车间占地以及投资经济合理与节能等因素确定。

炉子设施的平面布置炉子两侧净空尺寸及各种平台、梯子的设置，要满足生产操作与检修的要求并符合有关的安全规定，要考虑“回炉坯”运送设施的位置。

煤气、重油、蒸汽、空气及冷却水系统的设计与布置，要考虑生产控制功能完备，检修方便，符合安全规定，不妨碍交通和吊车操作及设备检修等多种因素。

地下烟道要尽量缩短，换热器前后一般不设旁通烟道，尽可能不采用多座炉子合用一座烟囱。换热器的位置要考虑更换吊装方便及清扫位置，热风放散管应引出厂房，避免在车间内产生热污染与噪音。

炉子加热能力与座数选择炉子加热能力包括单炉小时产量和车间炉子总加热能力。

单座炉子小时产量的计算理论计算法是根据所选定的炉型、炉温制度及钢料受热条件，用钢材加热理论公式计算钢料所需的加热时间。炉内装料量除以加热时间等于炉子小时产量，加热时间乘以所要求的炉子小时产量即为炉内所需的装料量，根据装料量即可求出炉子有效长度。由于炉子加热的坯料规格、钢种较多，可按工艺要求选定代表规格进行计算。加热方坯的步进式炉，炉内坯料之间留有间隙，能改善受热条件，缩短加热时间，但炉内装料量亦随之减少。理论分析表明，在步进底式炉中，当坯料间隙与方坯边长比为0．35～0．5时炉子产量最大，相当于无间隙布料时的105％～108％，在步进梁式炉中，该比值在0．2～0．3时炉子产量最大，相当于无间隙布料时的103％。工程设计常用经验指标即单位有效炉底面积的小时产量(简称炉底强度)计算炉子产量。70年代初期，由于轧钢技术的不断改进，新建和改造轧机的产量大幅度提高，但未能按同样幅度提高加热炉的产量，为了满足轧机产量，常用提高加热炉温和炉尾排烟温度来强化操作，有时炉底强度甚至高达900～1000kg／(m²•h)，使热耗量大为增加。70年代发生世界能源危机之后，加热炉设计采取了许多节能措施，其中之一是尽量延长炉子不供热段的长度，充分利用烟气预热钢料，因此相应降低了炉底强度。80年代以来，设计加热炉通常采用的炉底强度参考指标见表。

在选用上列指标时，要具体分析影响产量的各种有利与不利因素，如加热坯料的钢种、厚度、装料温度、要求的加热温度与均匀性、炉型与温度制度、燃料的热值与空气预热温度等。热装料时不适用上列指标，可用理论公式计算钢坯的加热时间来确定炉子产量或有效

炉长。冷热料混装时，冷料加热时间并不能缩短，所以仍需考虑炉子的小时产量与轧机能力的平衡。

车间炉子总加热能力的确定要按照轧制不同品种的小时产量和年工作小时进行计算。在轧钢生产中当坯料和产品规格品种变化时，轧机小时产量的波动幅度较大，如果加热炉按满足轧机最大小时产量设计，则低产量生产时会浪费燃料并引起操作困难。因此在通过对轧制线产量进行平衡计算后，在轧机的作业率和负荷率能够满足年产量的情况下，可以按满足大多数品种的小时产量设计加热炉，对于少数小时产量大的品种，炉子能力限制轧机产量是可以容许的。至于配有多座加热炉的大产量轧机，在确定炉子总加热能力时，则应更多考虑高产品种的要求，因为在低产量时可以减少开炉座数来适应。

要求在设计中预留增加加热能力时，可以考虑预留增加加热炉座数的位置，或者有意加长炉子的预热段。

炉温制度与炉型结构选择这是加热炉设计首先要确定的重要问题，它直接影响炉子的主要技术性能。选定时要考虑炉温制度、单面加热或双面加热、炉型曲线与供热段(点)布置。

炉温制度对于加热坯料厚度较小或对坯料加热内外温差要求不严的中小型加热炉，多采用两段式炉温制度，即只有加热段和不供热的预热段。对于坯料厚度较大或温差要求比较严格的加热炉则采用三段式炉温制度，即在出料段再设一个均热段，其温度低于加热段而略高于坯料表面温度，供热强度很小，以使坯料表面与中心温差缩小到允许范围。按三段式炉温制度设计的加热炉也可以按两段式炉温操作。大产量的板坯、型钢及高速线材加热炉均采用三段式加热炉。单面加热或双面加热加热厚度小于90～100mm的坯料时，可选用单面加热工艺，即选用没有下加热的推钢式炉或步进底式炉，其单位炉底面积小时产量适中而热耗较低；加热厚度大于100mm的坯料时，可以选用双面加热工艺，即选用上下加热的推钢式炉或步进梁式炉。由于步进梁式炉坯料有间隙，120～130mm的方坯或圆坯也可采用单面加热。由于炉内滑道间距(纵水管或步进梁与固定梁)等结构上的限制，短坯料不能采用双面加热，推钢式炉坯料长度应大于1000mm，步进梁式炉坯料长度宜大于2500mm，否则其下表面遮蔽大、受热差且运行不可靠，容易发生“掉道”事故。中国加热50～60mm方坯的小型推钢式加热炉也多采用上下加热方式，主要是考虑炉底清渣方便，避免炉底结渣带来的一系列问题。为了避免水管“黑印”对小坯料的不利影响及节约燃料，还有采用无水冷滑道(如用棕刚玉滑轨)两面加热的推钢式炉，其坯料断面尺寸不大于75mm×75mm，滑轨寿命为6～12个月。高速线材轧机加热炉的坯料长度为12～22m，冷料进炉时单面受热易变形弯曲，要求两面受热，常采用进料端为步进梁的梁底组合式步进炉。

炉型曲线与供热段(点)布置它与上述两个内容相对应且与燃料种类有关。两段式加热炉主要靠端部轴向烧嘴供热，下加热采用轴向烧嘴或侧烧嘴，产量较大的炉子还需要增加上部侧烧嘴。加热段炉膛较高，以保证燃料燃烧空间和增加辐射传热的需要；预热段炉膛较低，以增强对流传热。直接烧煤的中小型推钢式加热炉只能采用两段式炉温制度，单面加热的由端部(头炉)供热，两面加热的还有一个下部供热点(腰炉)。三段式加热炉均热段供热能力较小。均热段与上下加热段之间的炉顶有一个“压下”区(即炉顶略有下降)，且炉底有一个凸台以减少两段之间的温度干扰。产量较大、炉体较长的三段式炉，供热负荷很大，往往要增设第二个上下供热段。大型板坯加热炉多采用上下六点供热，有些烧煤气的加热炉均热段采用炉顶平焰烧嘴供热或上加热全部采用炉顶烧嘴的平顶式加热炉。这种炉型供热点多，操作灵活，但结构及控制复杂，投资较高。

炉子供热负荷计算及其分配比例炉子供热负荷计算有热耗指标法与热平衡法。(1)热耗指标法。参照类似炉子的高产热耗指标示或热平衡测定数据分析选定，热耗指标常用的计量单位为kJ／kg或MJ／t或标煤kg／t，其中分母为加热炉料的重量。高产热耗指标乘以炉子最大小时产量即为炉子的最大供热负荷(kJ／h或MJ／h)。高产热耗指标是按加热炉满负荷生产下的加热量与燃料消耗量统计计算的，它低于包括炉子待料、待轧、保温及修炉后升温等消耗在内的月或年平均热耗指标。两者的差异随轧制工艺与生产制度不同而异，它反映着生产管理与炉子操作水平的高低以及炉子设备自身热性能的优劣。生产管理较好的车间，两者的比值约为0．73～0．85。90年代初世界较好的平均热耗指标是：中小型加热炉为1590～2000kJ／kg，线材与开坯加热炉为1380～1800kJ／kg，热连轧板加热炉为1460～1885kJ／kg，中厚板加热炉为1800～2300kJ／kg。世界一些先进的型钢、厚板热连轧机步进式炉的平均热耗可降到1170～1320kJ／kg，高速线材轧机加热炉为1050～1170kJ／kg。中国80年代设计中通常采用的年平均热耗指标为小型及线材加热炉为1500～2000kJ／kg，中型加热炉为1700～2100kJ／kg，大型及厚板加热炉为1800～2540kJ／kg。中小型燃煤加热炉的热耗指标比上述指标约高30％～50％。(2)热平衡法。按炉子最大产量计算炉子的热平衡，可求出该生产条件下的炉子最大燃料消耗量即最大供热负荷。

炉子供热负荷的分配比例是：炉子供热的设备能力按炉子最大供热负荷的115％～130％选用，主要是考虑各供热段比例调整的灵活性以及个别烧嘴损坏的减量因素，实际供热量仍不大于所计算的最大供热量。两段式加热炉上下供热比例一般为40：60。典型的三段式加热炉供热比例为：均热段15％～25％，上加热20％～35％，下加热40％～60％。

炉子尺寸设计主要指炉子的长、宽及各段炉膛的长度与高(深)度尺寸。

加热炉的名义炉底面积等于炉膛宽度乘以有效炉底长度。

(1)炉膛宽度。根据坯料长度与装料排数确定，料排间和料排与炉墙间的空隙取0．15～0．3m。轧zha(2)炉长。有效炉底长度系指钢料在炉内有效加热所占的长度，根据炉子产量计算确定。端装侧出料的炉子为炉尾砌体外缘至出料门中心线的距离；端装端出料的炉子为炉尾砌体外缘至出料滑坡折点的距离，用托出机出料的炉子则算至钢坯在炉内最后位置的前端线；侧装料的炉子，其炉尾从侧装料门或辊道中心线算起。炉子全长指前后端墙砌体外缘间的距离。

推钢式加热炉推钢时会产生拱钢现象，其炉长受允许推钢长度的限制，因此须校核。推钢长度等于有效炉长加上炉尾至推钢机推头工作位置间的距离。炉子允许推钢长度与钢料的厚度、外形、圆角、平直度、推力、推钢速度及炉底状况等因素有关，目前尚无理论计算方法，一般采用最大推钢长度与最小坯料厚度之比，即允许用推钢比的经验值来判断与校核。一般方坯可取200～250，板坯取250～300，原料条件较好时可超过上述比值。推钢机推力等于料排坯料重量乘其与炉底间的摩擦系数p。当为单面加热实炉底时u=0．8～1．0，当为双面加热水冷滑道有均热实炉底时u=0．55～0．6，当为全架空炉底时u=0．5，当为棕刚玉无水冷滑轨时，u=0．55。

步进式炉炉长无上述限制，但炉子过长时跑偏量也将增大。

(3)炉膛高度与炉子内型。它们直接影响炉子的加热能力和热量利用，目前设计尚无可靠的计算公式或指标，主要是根据类似炉子的经验来确定。炉子各段长度一般可根据钢材加热计算中各段加热时间的比例及类似炉子的实际情况决定，两段式加热炉的加热段和预热段长度各约占有效炉长的一半，产量较小的炉子加热段长度比例也要小一些，三段式加热炉均热段长度约占有效炉长的15％～25％，加热段占25％～40％，预热段占35％～50％；多点供热加热炉均热段和加热段总长可占70％以上。炉膛高度(或深度)，指炉底滑道或固定梁顶面到炉顶或炉底表面之间的距离，在炉宽已定，各段长度比例相对稳定的条件下，它是决定炉膛空间大小、炉型曲线是否合适的关键尺寸。影响炉膛高度与炉型曲线的因素较多，根据理论分析与实践验证，炉膛空间大小应保证燃料的充分燃烧和被炉气充满，它随燃料种类、燃烧方式及热负荷的不同而异。在带入炉内同样热量条件下，低热值煤气的废气量要大于高热值煤气的，因此需要较大空间；燃重油和天然气的炉子炉膛一般较小；有焰燃烧时，火焰对钢料传热比例较无焰燃烧时大，此时炉膛高度要尽量保证火焰接近钢料而不应追求加大炉壁面积的作用。炉膛空间大小还应保证在既定的热负荷范围内炉膛压力分布合理，炉头与炉尾的压差要小。

炉子的检测与自动化操作加热炉要装设热工检测仪表。各段炉温指示或记录、换热器前烟温指示或记录、预热空气(煤气)温度指示、重油温度指示、燃料总流量记录、空气总流量指示、出料段炉膛压力指示、燃料与空气总管压力指示，煤气与空气低压信号等，均为必要的检测项目。有条件时应采用自动化仪表或微机实现自动控制。步进式炉的步进机械，采用可编程序控制器(PLC)实现手动、半自动和自动操作，装出料炉门与推钢机等应采用电气连锁。80年代以来，由于计算机的发展与普及，加热炉开始采用数学模型以优化炉子的操作。