辊底炉炉门的改进_谢鑫.pdf

近20年来国内经济快速发展，工程机械行业也逐渐发展壮大。制造工程机械所需要的厚度在325.4 mm的高强度低合金薄规格钢板，以前被国外垄断，主要依靠进口，近年来已经基本实现了国产化，并建设了许多新的生产线，以扩大产能。薄板线辊底炉，其炉门沿用中厚板线辊底炉的炉门，随着产线生产要求逐渐提高，已经不太适应新的发展。根据对高强度低合金薄板产线生产工艺的分析，我公司对辊底炉的炉门进行了优化，使其更稳定、易用和节能环保，且故障率更低。1炉门驱动方式的改进钢板从进料炉门快速进入辊底炉，完成热处理工艺后从出料炉门出炉。炉门只在钢板入炉或者出炉时打开，其余时间关闭。目前辊底炉的炉门多采用减速机驱动，通过链条和链轮带动炉门升降。以往的产线生产节奏并没有那么快，尤其是中厚板生产线，两块钢板之间的入炉（出炉）间隔甚至以小时为单位，炉门的减速机驱动方式较为实用。而工程机械用的高强薄板在炉内的工艺周期较短，钢板入炉和出炉的频率较快。在不断追求产能的情况下，辊底炉越来越长，进板节奏不断加快，相邻两块钢板的间隔甚至以秒计。目前生产节奏最快的已经接近每1.5 min入炉/出炉一块钢板，而炉门升降频率需要匹配生产节奏，即意味着每90 s的时间内进料/出料炉门的减速机需启、停各两次。辊底炉炉门的升降高度在500 mm左右，按照正常提升时速度6 m/min，减速机每次启动后的工作时间仅为10 s左右（变频启动）。短时间内频繁启动对电机十分不利，即使采用变频启动，在高频率工作状态下，电机和保护线圈在工作时产生的热量无法及时散去，随着热量逐渐积聚，最终超温报故障。另一方面，减速机依靠抱闸停止：抱闸在周向抱住电机轴，摩擦力使其在很短的时间内从转动状态迅速停止，这个过程抱闸会产生磨损。虽然单次启停抱闸磨损很微小，但是积累到一定程度之后，会使抱闸的动作周期变长，导致减速机的停止时间也变长；收稿日期：2022-04-15作者简介：谢鑫（1977），男，高级工程师，主要从事工业自动化方面工作.辊底炉炉门的改进谢鑫，邱淑建，赵华祺（中国联合工程有限公司，浙江 杭州310052）摘要：辊底炉作为中厚板加热和热处理设备，具有薄板生产节奏快、在炉时间短、工艺温度不高等特点，针对辊底炉炉门使用中的问题，从炉门驱动方式、炉口水冷密封结构以及炉门压紧方式三方面对辊底炉炉门进行了改进。关键词：辊底炉；薄板；炉门中图分类号：TG155.1文献标识码：B文章编号：1001-6988（2023）01-0033-03Improvement of Furnace Door of Roller Hearth FurnaceXIE Xin,QIU Shujian,ZHAO Huaqi（China United Engineering Co.Ltd.,Hangzhou 310052,China）Abstract:As the heating and heat treatment equipment for medium and heavy plates,the roller hearth fur-nace has the characteristics of fast production rhythm of thin plates,short furnace time and low process tempera-ture.Aiming at the problems in the use of the furnace door of the roller hearth furnace,the furnace door of theroller hearth furnace is improved from three aspects:the furnace door driving mode,the furnace mouth water-cooled sealing structure and the furnace door pressing mode.Key words：roller hearth furnace;sheet steel;furnace door工 业 炉Industrial Furnace第45卷第1期2023年1月Vol.45 No.1Jan.202333如果磨损继续累积，抱闸最终将完全失效，只能靠惯性停止，且电机停止后无法挂住炉门。由于辊底线的自动化程度较高，钢板的入炉、出炉和炉门的开、关之间通过信号联动，炉门提升和下降到位时，务必停止在限位开关的检测位置。一旦减速机停止时间变长或者抱闸失效，炉门就会冲过限位开关的检测位置，导致限位信号缺失，无法进行下一步动作，系统报故障，生产被打断。若进料炉门减速机发生故障，则钢板不能入炉，导致生产中断；若出料炉门发生故障，不能提升到位，则炉内的钢板将无法正常出炉，若不能及时处理，不仅使生产中断，甚至有可能造成整炉钢板报废，产生较大的经济损失。不仅如此，出料炉门的故障还可能造成较大的生产事故和设备损伤：钢板在炉内无法出炉时会处于摆动状态，若炉门故障无法及时处理，钢板在炉内长时间的摆动会产生偏斜，偏斜足够大则可能使钢板卡在炉墙上，无法出炉。这不仅会导致辊底炉的耐材损坏，而且为了把卡住的钢板纠正，需要人员进入炉膛处理，这就必须要停炉并等待炉膛冷却到人可以进入。故障处理完并恢复重新生产，整个过程可能长达一周，这将是巨大的生产事故。由上述可知，抱闸的可靠性和寿命直接关系到生产的稳定性和设备安全。但是抱闸的工作原理决定了其寿命是可预见的，尤其在辊底炉越来越长，生产线节奏越来越快的情况下，抱闸甚至成了一种易损件，需要定期更换。因此，需要为辊底炉的炉门升降选择一种稳定可靠的驱动方式，可以适应频繁启停的工作制度，而且故障率较低，并免于频繁维护。在内部多次讨论沟通之后，我们决定采用液压驱动，其具有如下优点：（1）液压驱动成熟、可靠，动力足够大且稳定。（2）液压的启停是通过阀门调节流量实现的，由于液压的压力较大，可以通过很小的流量得到足够的动力，由运行到停止的转换迅速且不存在冲击，也没有电机抱闸那样的磨损，适合长期频繁使用。（3）对于辊底炉生产线，在进料和出料炉门处已经布置了液压站，而炉门升降时所需液压流量不大，可以共用炉门附近的液压站，无额外成本。（4）炉门自重较轻，需要的油缸也不大，成本较低。（5）由于油缸的行程限制，即使炉门的限位开关失效，油缸到位后也会自动停止，不会发生炉门撞横梁的事故，设备安全性更优。目前上述液压提升装置已经在辊底炉炉门上投用，运行十分稳定，投用半年至今未出现故障，达到了预期的效果。2炉口水冷密封结构的取消，以及新的炉口密封结构的应用辊底炉的炉口，原来采用的是水冷炉门水冷门框的密封结构，如图1所示。在该结构下，炉门四周用矩形钢焊接成封闭空腔，内通冷却水，而炉门其余区域，用一层较薄的轻质浇注料作隔热。水冷门框也由矩形钢焊接成型，安装于炉体一侧，内通冷却水，有一面裸露在外。水冷门框外有一圈凹槽，内有棉麻盘根用作压紧软密封面；炉门的矩形钢外圈焊接一圈钢板，称之为密封刀，炉门下降到位后，在气缸的压紧动作下，密封刀压入棉麻盘根，形成密封。该炉门密封结构用于回火炉时因炉温较低，密封效果较稳定，但是在淬火炉的使用中存在如下问题：（1）密封刀受热变形，密封效果不佳。淬火炉炉温在900 左右，且淬火炉内的保护气氛会从炉口逸出，导致炉口的温度较高，炉门上的密封刀受热逐渐变形，而水冷门框上的棉麻盘根凹槽的宽度较小，最终密封刀局部会卡在盘根凹槽外，无法形成良好的密封。一旦密封破坏后，密封刀的变形会从局部开始加速扩展，最终整个炉门密封圈失去密封效果。（2）水冷门框焊缝开裂漏水较难处理，且损坏炉口耐材和密封结构。水冷门框有一部分裸露在外，受到高温炉气和红钢板（出料炉门）的辐射，水冷门框会产生膨胀；而辊底炉定期降温检修，水冷门框又会收缩。观察发现，在检修完成后升温时，水冷门框在矩形钢对接焊处，会有焊缝被拉裂，开始漏水，漏点图1炉口水冷密封结构示意图炉门炉门浇注料炉门水冷腔炉门密封刀裸露面水冷门框水冷腔水冷门框密封盘根经验交流：辊底炉炉门的改进34工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月由小变大，最终不得不停炉检修，影响正常生产。水冷门框焊接于炉口的炉体钢构上，其进水和回水接管从炉子侧面穿过炉壳和耐材。一旦漏水，通常需要将水冷门框拆下，在漏点处打磨补焊，若漏点较多，则直接更换新的。水冷门框拆除时，安装棉麻盘根的凹槽以及炉口和部分侧墙的耐材会被破坏，而且难以修复，炉口的密封结构被永久性地破坏。（3）水冷结构不可避免地增加投资成本、运行成本和维修成本。（4）影响正常生产。一旦水冷门框漏水，就需要中断正常生产，停炉检修。为了辊底炉生产线的稳定运行，需要一种更合理、更可靠的炉口密封结构。根据我们在周期性炉窑上的经验，炉温1 000 左右的炉口结构，完全不需要使用水冷结构，炉体侧铸铁板+炉门纤维模块结构，就可以达到良好的密封效果，其结构如图2所示。炉门和炉体之间，由原来的密封刀压入棉麻盘根结构，改为上图的限位模块和铸铁板之间的密封面结构，相比原先的水冷密封结构，具有如下优点：（1）密封效果好。棉麻盘根较硬，压缩余量不大，所以原来的炉门密封需要通过气缸压紧才能实现密封效果；纤维较软，通过炉门的自重就可以实现压紧（炉门的又一个改进之处，此处不赘述），而且从线密封改为面密封，密封效果更好。（2）结构简单，没有复杂的水冷结构，腾出来的空间用耐材填充，炉口隔热效果更佳，简单耐用，不需要定期维护。（3）铁板用螺栓固定，易于安装。（4）投资和运行成本都下降。目前该结构已经在最新的辊底炉生产线上投用，效果很好。3炉门压紧方式改进，本体结构优化原炉门采用气缸作为动力，通过转轴对炉门进行压紧。炉门提升时，动作顺序为：气缸动作炉门压紧松开到位炉门提升；关闭炉门时，动作顺序为：炉门下降到位气缸动作炉门压紧到位。炉门的提升、下降、压紧、放松到位都通过限位开关检测，且存在连锁关系。从控制逻辑上，如果压紧或放松的信号不正常，炉门将无法提升或者下降。由于结构原因，炉门压紧/放松的信号开关设置在炉门侧面，回火炉由于其炉温较低，限位开关的故障率不高。对于淬火炉，一方面炉温较高，且部分炉内的保护气氛（氮气）通过炉门排出，导致炉口四周温度较高；另一方面，淬火炉的出口由于钢板淬火有大量的水汽，对信号开关有较大影响。上述原因导致炉门压紧/放松的信号开关故障率较高，影响了正常的生产。薄板线淬火炉炉温一般不超过1 000，我公司在周期性加热炉和热处理炉上有丰富的经验，在此炉温甚至更高炉温，通过导轨和斜块，炉门靠自重进行压紧，可以保证良好的密封效果。改进后的自重压紧炉门具有如下优点：（1）结构简单，成本降低。气缸压紧时，炉门由本体、炉门框架和压紧轴组成，整个结构和动作比较复杂。改为自重压紧后，炉门框架和压紧轴取消，重量减少了三分之二；气缸取消，与之配套的压缩空气管路、两位五通阀以及相应的电气电缆和点位也都不再需要，大大降低了成本。（2）使用可靠，调整方便。自重压紧的动力来源是炉门重量，此动力不受外界影响，十分可靠。而调整炉门压紧效果只需调整斜块高度就可以实现，十分方便。可在定期停炉检修时检查炉门压紧的密封性效果，并根据需要进行调整。（3）取消限位，控制逻辑上更稳定。自重压紧炉门调整完毕后，下降到位后自动压紧，提升时自动松开，不需要限位开关检测，而炉门的压紧和松开限位正是故障多发点，将此环节取消，大大减少了故障发生。炉门自重压紧已经在最新的辊底炉生产线上投用，效果很好。通过对辊底炉炉门使用中发现的问题进行总结和思考，结合生产工艺和经验对其进行改进，最终获得较好的设备稳定性和良好的经济效益，这也是我们工程技术人员不断进步的重要途径。图2铸铁板+纤维密封结构示意图炉体侧耐材密封面炉门纤维炉体侧耐热铸铁板35