水梁及耐熱合金墊塊在步進梁式加熱爐工程上的應用

孟慶國

中冶東方工程技術有限公司，內蒙古包頭 014010

1 概述

步進梁式加熱爐作為鋼坯軋制前加熱的主要技術手段，已廣泛應用于棒、線材生產線，特鋼生產線，熱處理爐，板坯爐等，具有加熱質量好，加熱速度快，在爐時間短，氧化燒損少，節能降耗等優點。

本文結合中冶東方技術有限公司包頭貝瑞工業爐公司多年的耐熱合金墊塊在步進梁式加熱爐上面的使用經驗，以及參考同行業的一些墊塊的應用情況，總結各自的技術特點及使用效果，對步進梁式加熱爐水梁的設計和墊塊的型式做了一些粗淺的探討。

2 步進爐水梁的布置

水梁布置主要有以下因素決定：

1）料坯的長度和布料要求

步進梁的根數是按照鋼坯長度，步進梁間距以及坯料在粱上懸臂長度確定的。一般步進梁和固定梁的中心距不小于600mm。對坯料而言步進梁或固定梁都可以放在最外側，由于活動梁和固定梁是交替承重，鋼坯在固定梁上的支撐時間大約70%～80%的時間，所以設計中一般固定梁的數量要優于活動梁。

多排布料時，要考慮每排料坯的支撐情況，每排料坯要考慮至少需要兩根活動梁支撐，兩根固定梁支撐，才能實現步進要求。

2）加熱爐的鋼種及加熱質量要求

根據鋼坯的化學成分以及溫度均勻性的要求，綜合考慮步進梁的數量，管底比，爐底孔洞的面積比，合理布置步進梁水梁。

3）是否有交錯步進型式的要求

為了最大限度的消除黑印，保證加熱質量，有時會采用步進梁采用交錯布置技術，即將步進梁在加熱段進入均熱段時沿爐寬方向偏離一段距離，使鋼坯在均熱段來不及形成黑印，而原來的從加熱段帶來的黑印經梁錯位后逐漸消失。

有些資料證明錯位梁帶來的溫差比直線梁溫差少15%～20%。

4）鋼坯的懸臂要求，梁間距要求

（1）最大懸臂長度一般按鋼坯厚度、加熱溫度、高溫下停留的時間等因素確定，也可按照下面公式估算：

其中，K1為懸臂系數，S1為鋼坯厚度；

活動梁和固定梁的最大中心距：

其中，K2為跨度系數，S2為鋼坯厚度；

下表為一些資料介紹參考的系數值

表1 鋼坯懸臂系數和跨度系數參考表

（2）因為最大懸臂長度一般按鋼坯動梁或固定梁的間距應保證鋼坯在高溫下不產生“塌腰”，鋼坯在活動梁上外伸長度，應保證活動梁平移時鋼坯端頭下撓不掛固定梁，所以有些資料按照鋼坯的下撓量來計算懸臂及跨距。

其中s為鋼坯的厚度，表2是求最大懸臂長度L最大懸臂長度和跨度L最大跨度的一個半經驗式中系數k1和k2的值。

表2 K1（分子）和K2（分母）值

5）其它考慮的因素比如管底比，跨度，下加熱燒嘴的能力等。

6）依照上述各項條件，同時考慮錯位梁的形式，在滿足所有鋼坯裝入條件的前提下，梁的根數越少越好。

3 步進水梁的材質要求

步進梁采用壁厚不小于10mm的熱軋鍋爐鋼管制作，材料為20號優質碳素結構鋼。

關于20、20G、20g、20R的區別：

20、20G、20g～20g柱這四個鋼號均為含碳量0.20% 的碳素結構鋼，在設計上容易產生混淆，若不能正確選用往往會造成嚴重的后果。

4 縱水梁的型式及結構

步進梁水冷管的結構有單元管、雙圓管、長圓管、橢圓管和矩形管等。

選用步進梁的結構形式，應根據管材供應情況、爐型、料坯斷面、爐子的載荷等條件來決定。

由于管材供應和成本考慮等原因，現在大部分步進梁采用厚壁單圓管和厚壁雙圓管結構。

但從節能和減少水管來講，應盡量少采用圓形管結構。因為，同樣大小的斷面模數，長圓管、橢圓管和矩形管表面積要比圓形管少15%～20%左右，因為水梁的斷面模數和其高度的平方成正比。水梁面積的減少，就意味著爐子下供熱狀態和坯料上下溫差的改善，同時也意味著爐子能耗的降低。

單根縱梁長度不宜超過25m，超過時應該分段設計。

5 水梁立柱的結構及型式

1）步進梁的縱水梁由水梁立柱支撐。立柱間距一般取2m～4m；

2）爐底框架是固定梁的承重載體，爐底平移框架是活動梁的承重載體。立柱在縱向上是一個桁架結構，但在橫向上相互獨立；

3）立柱的水冷系統有汽化冷卻和水冷卻兩種形式。由于汽化冷卻具有很好的回收效果，現代化的加熱爐一般采用汽化冷卻方式。

6 耐熱合金墊塊的形狀和結構

1）墊塊的應用部位

為了減小鋼坯與水冷梁接觸處的“黑印”溫差，縮小接觸處與兩根支撐梁中間鋼坯的表面溫差，避免熱鋼坯與低溫水冷梁之間直接接觸，在爐子縱向支撐梁上安裝了耐熱合金墊塊。

墊塊的形狀及其與縱梁的連接方式應根據爐型、坯料的形狀和尺寸、對鋼坯加熱“黑印”的要求，以及墊塊材質及其價格等因素確定。

2）墊塊的材質

耐熱合金墊塊的材質一般為ZGCr25Ni20Si2，ZGCr28Ni48W5，Co20，Co40，Co50等。

根據加熱爐的不同溫度段可采用不同高度和不同材質的耐熱合金墊塊。在低溫段，由于墊塊承受的溫度較低，為經濟實用，墊塊的材質一般采用Cr25Ni20Si2，Co20，高度大約50mm～70mm；在高溫段為了有效地消除水冷梁“黑印”，墊塊的高度要稍高一些，高度大約在70mm～90mm，同時由于墊塊承受的溫度高，耐熱合金墊塊一般選用ZGCr28Ni48W5或Co40。

值得一提的是，由包頭貝瑞工業爐公司和包鋼稀土研究院聯合開發的耐熱墊塊ZGCr25Ni31WNbRe，具有抗高溫蠕變強度、氧化性能高具有較高的耐磨性、抗腐蝕性和抗熱沖擊性，而且投資低，已經廣泛應用于各種步進梁式加熱爐上，作為高溫段耐熱墊塊的首選。

表3 高溫墊塊的牌號和主要成分 %

表4 墊塊的主要技術性能

3）墊塊的安裝方式

在一些有對齊推鋼機的步進梁式加熱爐上，由于裝料端料坯和墊塊之間會滑動較長距離，非常頻繁，較長時間后，可能會造成卡塊與水梁之間的焊接松動，從而導致墊塊掉落，所以在卡塊與水梁焊接的基礎上，墊塊與水梁也焊接，保證其安全性。由于裝料端溫度較低，正常情況下≤900℃（蓄熱式加熱爐≤1000℃），熱膨脹系數較小，所以對梁的剛度基本沒有影響。這種安裝方式，已應用于多座加熱爐，使用效果良好。由包頭貝瑞工業爐公司為包鋼特鋼廠設計的步進梁式加熱爐，結合現場的實際情況以及嚴格計算，步進梁上墊塊以及卡塊全部通常焊接，現場使用情況良好，具有一定的參考價值。

4）耐熱墊塊尺寸

墊塊上表面承受鋼坯壓力，在加熱普碳鋼時平均承受壓力可按1.0MPa～2.0MPa選取，但合金鋼和硅鋼的承鋼應力比普碳鋼小得多，承鋼應力過大所造成的壓痕是無法消除的。

條形焊接墊塊長度可為150mm～250mm，寬度可為25mm～50mm，高度可為60mm～120mm；

條形騎卡塊墊塊長度可為100mm～200mm，寬度可為40mm～100mm，高度可為60mm～150mm。

7 水梁的絕熱包扎

步進爐的水梁一般采用雙層絕熱包扎的方式，里面一層包20mm的耐火纖維，外層澆注50mm的自流澆注料。

在水梁上焊接有耐熱鋼材質的錨固鉤，用來固定耐火纖維和澆注料。

8 結論

現代化的步進梁式加熱爐的水梁是步進爐的關鍵部位，關系到爐子的加熱質量、能耗、料坯的溫差、使用壽命等。因此合理布置水梁，合理設計水梁及立柱的結構形式，采用合理的耐熱墊塊型式，是步進梁式加熱爐成功的關鍵因素。

[1]王秉銓.工業爐設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1996，8.

[2]曹強，梁春魁，等.鋼鐵廠工業爐設計規范[M].北京：中國計劃出版社，2009，2.

[3]《鋼鐵廠工業爐設計參考資料》編寫組.鋼鐵廠工業爐設計參考資料.冶金工業出版社，1979，11.