于澤通，汪建新，吳啟明, 李 鎖

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.北京京誠(chéng)鳳凰工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

我國(guó)自20世紀(jì)80年代從法國(guó)斯太因引進(jìn)步進(jìn)式加熱爐后，步進(jìn)爐就因其高產(chǎn)、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。為滿足近些年日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求，軋鋼技術(shù)要向著連續(xù)化、自動(dòng)化、高精度化等方向發(fā)展，這帶給了步進(jìn)式加熱爐更大的考驗(yàn)。但因?yàn)椴竭M(jìn)式加熱爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，使得其維修成本過高，本文通過對(duì)近10年國(guó)內(nèi)外步進(jìn)式加熱爐出現(xiàn)的問題和解決方案進(jìn)行總結(jié)，從步進(jìn)機(jī)構(gòu)、水封槽、水梁三個(gè)方面給出具體故障原因和解決方案，希望可以優(yōu)化加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 水梁漏水

步進(jìn)式加熱爐沿爐體的長(zhǎng)度方向可分為預(yù)熱段、加熱段、均熱段三個(gè)階段，加熱段主要負(fù)責(zé)將坯料加熱到軋制的指定溫度，在均熱段保持出鋼時(shí)溫度的均勻性，所以在這兩個(gè)階段加熱爐中水梁的工作溫度較高，工作條件比較惡劣。由于耐熱墊塊的設(shè)計(jì)缺陷和與水梁之間焊接方式的影響，造成了一系列問題，致使水梁產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而發(fā)生爆管漏水的故障，給工業(yè)生產(chǎn)造成了許多不必要的損失。因?yàn)槌跏剂鸭y不易被發(fā)現(xiàn)，所以要盡可能做到完善設(shè)計(jì)工藝，延長(zhǎng)水梁的使用壽命或者預(yù)測(cè)水梁的使用壽命，以此減少軋鋼生產(chǎn)過程中造成的損失[1]。

1.1 水梁耐熱墊塊

龍靜濤和索勇兩位作者在論文中對(duì)墊塊的設(shè)計(jì)問題中給出了非常全面的分析，但因加熱爐規(guī)格等因素的不同，墊塊的具體設(shè)計(jì)參數(shù)略有不同。

1.1.1 墊塊參數(shù)

若墊塊體積過大，尤其是長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，其膨脹量就會(huì)越大，由于其焊接在水梁上，不同金屬的膨脹系數(shù)不同，所以會(huì)產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在熱應(yīng)力的不斷作用下產(chǎn)生裂紋。對(duì)此問題可采取以下對(duì)策：

(1)盡可能減小墊塊與水梁間材料的熱膨脹系數(shù)差異，將墊塊材料由Co50改為Cr25Ni20Si2[2]，因?yàn)镃r25Ni20Si2允許工作溫度大概在1 200 ℃，不但適用于加熱爐高溫的環(huán)境而且有更好的焊接性能。

(2)龍靜濤的方案是墊塊的上下部均增加應(yīng)力縫[3]，而索勇僅在上部增加2～3 mm的應(yīng)力縫[4]。因?yàn)閴|塊下表面與水梁接觸，溫度相對(duì)較低，所以可選擇只在墊塊上部增加應(yīng)力縫，既可以減小熱應(yīng)力影響又可以簡(jiǎn)化工藝流程。

1.1.2 焊接方式

(1)將耐熱墊塊的焊腳高度適當(dāng)減小，墊塊兩側(cè)各端分別留出一定距離不進(jìn)行焊接，墊塊的兩端可依情況選擇是否焊接。

(2)焊接時(shí)采用小直徑焊條、小電流、多道工序的焊接工藝，在焊接時(shí)可以向管內(nèi)通水來帶走多余的熱量，這種方式可以有效減小焊接過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力，同時(shí)焊接完成后，再對(duì)水梁進(jìn)行退火處理，可增加管道材料的韌性。

1.2 水 梁

水梁是加熱爐中主要的承重部件，它是固定梁和活動(dòng)梁的統(tǒng)稱，其中固定梁的主要作用是承接入爐和出爐的鋼坯以及支撐鋼坯在加熱爐中完成整個(gè)加熱過程；而活動(dòng)梁的主要作用是配合爐底機(jī)械中升降框架和平移框架的運(yùn)動(dòng)，完成上升、前進(jìn)、下降、后退四個(gè)動(dòng)作，將需要加熱的鋼坯從入料端一步一步地運(yùn)輸?shù)郊訜釥t的出料端，完成步進(jìn)運(yùn)動(dòng)[5-6]。

1.2.1 水梁內(nèi)壁結(jié)垢

循環(huán)水從爐底進(jìn)水管進(jìn)入水梁，通過汽化冷卻[7]的方法達(dá)到降溫的目的。但現(xiàn)有循環(huán)水的水質(zhì)并不滿足加熱爐供水要求，工業(yè)循環(huán)水長(zhǎng)期以往會(huì)含有許多雜質(zhì)并積聚在水梁內(nèi)壁，水梁內(nèi)壁結(jié)垢后極大降低了管壁的傳熱性[8]，從而造成水梁因局部溫度過高而彎曲變形發(fā)生漏水現(xiàn)象。對(duì)此可以在結(jié)垢嚴(yán)重的管道安裝美國(guó)的Acme Aqua EMK電磁除垢器，其以可變電磁場(chǎng)為核心技術(shù)，通過高磁通量密度的磁場(chǎng)將水分子充分極化，使鈣、鎂離子和碳酸根離子結(jié)合方式發(fā)生變化，阻垢率可達(dá)99%[9]，不但從根本上防止了污垢的產(chǎn)生，而且節(jié)省了排污、更換循環(huán)水和檢修的費(fèi)用，可以增加經(jīng)濟(jì)效益。

1.2.2 水梁母材

水梁母材的質(zhì)量是后期出現(xiàn)故障最容易被忽略的因素，個(gè)別水梁本就存在細(xì)小的裂紋和氣泡，水梁在長(zhǎng)期高溫和交變載荷的作用下使裂紋經(jīng)歷穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展兩階段，裂紋發(fā)展到內(nèi)表面時(shí)，冷卻水進(jìn)入縫隙造成爆管。而且爆管多發(fā)生在水梁下降的過程中，當(dāng)活動(dòng)梁托起鋼坯時(shí)，裂縫被封堵，當(dāng)其下降到固定梁等高位以下時(shí)，脫離坯料，載荷解除，泄漏點(diǎn)暴露，大量蒸汽噴出造成爆管漏水。為防止此故障的發(fā)生，除了提高管道的材質(zhì)要求，在采購(gòu)管理方面也要嚴(yán)加監(jiān)管，且在驗(yàn)收時(shí)要更全面的探傷，從根本上解決問題。

1.2.3 水梁外部耐材脫落

水梁外部耐熱材料主要對(duì)水梁起保護(hù)作用，既能隔熱又可以減小震動(dòng)的影響，但其工作環(huán)境的惡劣使其極易脫落，而裸露的水梁則會(huì)受到高溫的影響使局部過熱，減弱管壁強(qiáng)度，從而產(chǎn)生裂紋[10]。但因其重新包扎流程復(fù)雜，包含焊錨固鉤、支模、澆筑、烘烤等工序，所以一般為了提高生產(chǎn)效率不會(huì)對(duì)于小面積脫落進(jìn)行修補(bǔ)。

而采取莫來石晶體纖維材料的對(duì)扣式掛件可以既快捷又方便地解決這個(gè)問題，既滿足了隔熱抗震的要求，又能對(duì)小面積脫落進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)救。

1.2.4 水梁中冷卻水不足

水梁汽化冷卻系統(tǒng)中冷卻水不足或水流速不足導(dǎo)致局部溫度過高，使水梁發(fā)生爆管漏水。針對(duì)這種現(xiàn)象應(yīng)規(guī)范操作流程，嚴(yán)格操作步驟，對(duì)水梁進(jìn)行定期監(jiān)控，有水量不足的情況時(shí)，及時(shí)補(bǔ)水以防止溫度過高帶來更大的損失。

1.3 生產(chǎn)過程中坯料規(guī)格的變化

坯料經(jīng)進(jìn)料輥道、水梁、出料輥道完成加熱過程，一般坯料有兩種進(jìn)出爐方式，如：板材鋼坯一般為端進(jìn)端出、線材鋼坯一般為側(cè)進(jìn)側(cè)出。隨著加熱爐功能越來越全面，工作效率越來越高，工廠加熱的鋼坯規(guī)格逐漸多樣化，規(guī)格不同，除材料的基本物理性質(zhì)不同外，其需要加熱的溫度和時(shí)間也不同，所以會(huì)造成爐溫波動(dòng)較大，同時(shí)也會(huì)加重軋機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，提高軋機(jī)出現(xiàn)故障的概率，從而迫使加熱爐停止工作。

坯料規(guī)格的變化不但使加熱爐的爐溫波動(dòng)變大，而且會(huì)使加熱爐的溫度發(fā)生驟降、驟升的情況，使得水梁在較大熱應(yīng)力的影響下產(chǎn)生疲勞應(yīng)力裂紋[11]。

由此可知，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)調(diào)整軋鋼廠的生產(chǎn)計(jì)劃，保證加熱鋼坯的規(guī)格變動(dòng)維持在較小區(qū)間，以此防止加熱爐的爐溫出現(xiàn)大范圍波動(dòng)。

2 爐底步進(jìn)機(jī)構(gòu)發(fā)生故障

2.1 升降缸爬行

液壓缸是加熱爐中的驅(qū)動(dòng)裝置，是爐底機(jī)械的一部分，它連接于斜軌座與升降框架之間，驅(qū)動(dòng)活動(dòng)梁上升到固定梁的等高位托起鋼坯，繼續(xù)升高到最高位，平移一定距離后，帶動(dòng)活動(dòng)梁下降到等高位，將鋼坯放到固定梁上繼續(xù)下降到最低處再后退到原位使活動(dòng)梁完成一個(gè)步進(jìn)周期。但液壓缸的爬行狀態(tài)會(huì)造成升降框架和活動(dòng)梁發(fā)生振動(dòng)、升降液壓缸活塞桿表面出現(xiàn)劃痕等故障[12-13]，這些異常會(huì)大大降低加熱爐的工作壽命。

液壓缸的爬行故障主要指其在工作過程中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、停止相互交錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。造成此故障的原因主要有以下幾點(diǎn)：

(1)液壓缸有桿腔和無桿腔中的氣體在液壓油的高壓作用下會(huì)使其體積發(fā)生不規(guī)律變化，體積的不均勻變化會(huì)直接造成活塞運(yùn)動(dòng)速度出現(xiàn)波動(dòng)；對(duì)此可使液壓缸反復(fù)運(yùn)動(dòng)排除腔內(nèi)多余氣體，避免在正常工作時(shí)出現(xiàn)爬行故障。

(2)液壓缸平穩(wěn)運(yùn)行主要是依靠其內(nèi)的密封件與內(nèi)部接觸面維持穩(wěn)定的接觸壓力。但在油壓不穩(wěn)的情況下會(huì)造成摩擦力發(fā)生變化而使液壓缸運(yùn)行速度發(fā)生波動(dòng)，造成這一故障的原因主要是其硬度和跟隨性不滿足要求。對(duì)此可在工況允許的條件下采用聚四氟乙烯作為組合密封圈，如常用的格萊圈、斯特封等。

2.2 墊塊脫落

由上文可知，為保護(hù)水梁和防止板坯出現(xiàn)“黑印”，在沿水梁長(zhǎng)度方向安裝有墊塊，但其在加熱段和均熱段經(jīng)常出現(xiàn)墊塊脫落的情況，對(duì)出鋼速度造成影響，影響步進(jìn)的周期。

墊塊的脫落會(huì)造成水梁上部形成凹凸區(qū)域，在此范圍內(nèi)的板坯易出現(xiàn)頭尾下彎的狀況，這種變形的鋼坯在前進(jìn)的過程中容易造成四周墊塊大范圍刮落，這不僅造成坯料的跑偏問題，而且極易在出鋼端造成擁擠，導(dǎo)致大量坯料無法順利出鋼。這種坯料堆積的故障除了會(huì)刮傷出料輥道外，而且會(huì)擾亂軋機(jī)的軋鋼節(jié)奏，造成坯料被軋機(jī)軋廢的故障，直接導(dǎo)致被迫停爐檢修，大大降低了生產(chǎn)效率。而且脫落的墊塊可能掉入水封槽中，造成水封槽漏水或者裙罩損壞，導(dǎo)致爐內(nèi)吸入冷氣，無法保證板坯的加熱質(zhì)量[14-16]。

面對(duì)這種情況并結(jié)合前文墊塊導(dǎo)致水梁漏水的情況，需謹(jǐn)慎考慮給出一個(gè)比較均衡的解決方案，為避免再次因焊接應(yīng)力造成水梁疲勞破壞，可以選擇在距離水梁出鋼端2 m處將墊塊材質(zhì)改為Cr25Ni20Si2，加大與水梁的焊接面積，并嚴(yán)格制定焊接流程，采用直流、短弧焊接并使用A407焊條，將電流控制在130A左右，在焊接工藝上采取分層多次焊接的方式，并且在焊接完成后，盡可能對(duì)焊縫進(jìn)行射線探傷，嚴(yán)格驗(yàn)收流程，以保證焊縫無質(zhì)量缺陷。

2.3 坯料底面有劃痕

在步進(jìn)式加熱爐的生產(chǎn)過程中，有時(shí)可階段性地檢查到成品鋼材有軋疤和線紋缺陷，而且其位置比較統(tǒng)一，為避免坯料浪費(fèi)，需要對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)此缺陷進(jìn)行改善。

朱軍等研究人員為找到其原因所在，將軋制前的坯料進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)軋后仍然在對(duì)應(yīng)的表面上存在疤痕，所以可以肯定是加熱爐內(nèi)部造成了這種現(xiàn)象的發(fā)生，通過停爐檢修可以發(fā)現(xiàn)在水梁耐熱墊塊的上部零星分布著堅(jiān)硬的凸起物，形似瘤子。通過取樣觀察可以發(fā)現(xiàn)其物質(zhì)主要是鐵的氧化物如：Fe2O3、Fe3O4、FexO和硅酸鹽，而鐵在氧化物的作用下會(huì)經(jīng)歷Fe-FexO-Fe3O4-Fe2O3的過程，氧化物的積累使其體積逐漸增大，體積膨脹后在其表面產(chǎn)生微裂紋，氧化氣體沿裂紋進(jìn)入結(jié)瘤與鐵進(jìn)一步反應(yīng)直至瘤狀物因體積過大而破碎，但個(gè)別鋼種含Si、Ca等物質(zhì)，這些金屬單質(zhì)在加熱過程中會(huì)形成硅酸鹽等雜質(zhì)，由于它熔點(diǎn)低，所以它也會(huì)以熔融態(tài)沿著裂紋進(jìn)入，附著在氧化鐵表面，從而阻止氧化鐵的氧化，這些氧化物不能繼續(xù)氧化使體積膨脹破壞，最后就會(huì)留在墊塊表面形成堅(jiān)硬的瘤狀物體，在墊塊接觸到坯料的時(shí)候，對(duì)坯料的下表面或者棱角位置造成啃傷傷害，損壞鋼坯的質(zhì)量，從而被迫停爐檢查，影響生產(chǎn)進(jìn)度[19-20]。

針對(duì)這種情況，可以采取多種方式去除結(jié)瘤：

(1)調(diào)節(jié)加熱爐內(nèi)部氧化氣體的濃度。增加加熱段、均熱段的氧化氣體濃度，加強(qiáng)高溫段的氣場(chǎng)擾動(dòng)，使氧化氣體更容易進(jìn)入裂紋中，讓氧化鐵可以得到充分的反應(yīng)，加快其氧化膨脹破損的速度，進(jìn)而減少結(jié)瘤情況的發(fā)生。這種富氧反應(yīng)不但會(huì)因氮氧化物產(chǎn)量增加污染環(huán)境而且會(huì)加重坯料表面氧化鐵皮的生成，使弊大于利。

(2)降低出鋼溫度。目前軋機(jī)開扎溫度一般在1 150～1 200 ℃，對(duì)于軋制工藝簡(jiǎn)單的鋼坯，可以將其出爐溫度降低50 ℃左右，溫度的降低可以通過減少硅酸鹽等物質(zhì)的熔融從而使結(jié)瘤情況減少。

(3)定期調(diào)節(jié)裝鋼的行程和步距，使坯料在爐內(nèi)的位置發(fā)生變化，減少墊塊與坯料的接觸時(shí)間，從而減少結(jié)瘤的發(fā)生。

(4)定期修理。利用檢修的空閑時(shí)間將加熱爐的加熱段空出，使耐熱墊塊上的氧化結(jié)瘤物與氧化氣體充分反應(yīng)形成Fe2O3產(chǎn)物，進(jìn)而使氧化物體積變大，使表面氧化物破裂脫落。

(5)定期對(duì)結(jié)瘤的氧化鐵進(jìn)行人工鏟除。

考慮到生產(chǎn)成本、生產(chǎn)時(shí)間和其他故障因素，對(duì)于這些措施，比較推薦(2)和(3)兩種方法。

3 水封槽

步進(jìn)式加熱爐的密封部件主要依靠水封槽，水封槽能否以正常狀態(tài)運(yùn)行決定了工廠整條生產(chǎn)線的穩(wěn)定與連續(xù)性。由于它的安裝與裙罩、刮渣板均有聯(lián)系，而且它的空間狹窄，工作環(huán)境惡劣，所以其維修成本非常高。由此可見水封槽的穩(wěn)定運(yùn)行和日常維護(hù)是非常重要的。

3.1 水封槽漏水

水封槽隨水梁一起運(yùn)動(dòng)，完成上升、前進(jìn)、下降、后退的周期運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間周期性的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)會(huì)使水封槽發(fā)生破裂漏水的情況，嚴(yán)重時(shí)甚至要導(dǎo)致停爐檢修，這將對(duì)生產(chǎn)造成巨大的損失。

3.1.1 水封槽本體焊接處開焊開裂

水封槽一般采用分塊分段的方式焊接[21]，在長(zhǎng)時(shí)間周期運(yùn)動(dòng)、液體腐蝕和爐溫急劇變化的條件下經(jīng)常在焊口處出現(xiàn)開裂的狀況，所以要改善焊接工藝，在不影響正常使用的前提下，盡量減小殘余焊接應(yīng)力以增加使用壽命。

3.1.2 刮渣板脫落

刮渣板不但可以連接、固定裙罩，還可以清理水封槽內(nèi)形成的氧化鐵皮以保證水封槽的使用壽命。其連接處采用普碳鋼材料，在長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)和液體的腐蝕下會(huì)造成脫落，部分刮渣板與裙罩用螺栓的方式連接，在遇到其他剛性作用力時(shí)會(huì)加劇掉落的風(fēng)險(xiǎn)，而水封槽與墜物發(fā)生碰撞會(huì)使水封槽破壞漏水[21]，為避免水封槽破損可將刮渣板與裙罩在螺栓連接的基礎(chǔ)上用焊接的方式加固,或者選擇改變刮渣板的安裝位置，將其安裝在爐底槽鋼上，這種安裝方式相較來說更加牢固穩(wěn)定。

3.1.3 冷熱溫度變化影響

水封槽和裙罩的作用是封堵活動(dòng)梁孔洞從而防止火焰外溢維持較低的溫度。若裙罩的間隙擴(kuò)大或水封槽液面下降,加熱段和均熱段的高溫會(huì)使水封槽產(chǎn)生裂紋而破裂漏水。針對(duì)這種情況，可以更改裙罩構(gòu)造由兩塊改為八塊，既可以減少裙罩損壞時(shí)的受損量，同時(shí)可以大大降低更換裙罩的工作強(qiáng)度,極大降低了對(duì)裙罩的維護(hù)難度[22]。

3.2 水封槽加水緩慢

有一部分加熱爐主要通過中部供水的方式為水封槽加水，這種方式由于垂直落差較小所以導(dǎo)致低水壓不能完全達(dá)到?jīng)_刷氧化鐵皮的目的而使水封槽漏水。為解決此故障可使管道在其頂部繼續(xù)向上延伸并加彎，以此增加水流沖刷氧化鐵皮的壓力，從而延長(zhǎng)水封槽使用時(shí)間。

4 展望未來

雖然通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以提高加熱爐的工作壽命，但是現(xiàn)階段的主要問題仍然是對(duì)加熱爐出現(xiàn)故障的時(shí)機(jī)不夠敏感，不能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題?？梢詫⒓訜釥t生產(chǎn)同數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合起來，通過數(shù)字化的模式在虛擬空間完成與實(shí)際生產(chǎn)的聯(lián)動(dòng)，通過閉環(huán)信息交互完整地模擬實(shí)際的物理模型、行為模型并將加熱爐的工況實(shí)時(shí)反映到計(jì)算機(jī)中，通過對(duì)加熱爐運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合計(jì)算完成對(duì)加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷及預(yù)測(cè)，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，減少維護(hù)成本的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

作為軋鋼廠最為重要的大型生產(chǎn)設(shè)備，步進(jìn)式加熱爐的應(yīng)用對(duì)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展有不可或缺的影響，而爐底機(jī)械又是步進(jìn)式加熱爐的核心部分，所以其使用壽命決定著加熱爐整體的生產(chǎn)效率。本文以故障的種類為切入點(diǎn)，總結(jié)了步進(jìn)式加熱爐爐底機(jī)械常見故障的原因及對(duì)策，為工廠提供了有力參考，方便其有針對(duì)性地判斷加熱爐的故障并改進(jìn)，對(duì)提高軋鋼廠的生產(chǎn)效率有極大的幫助。