智能型鋼管整體退火爐的設計與應用

田文恒

(中國水利水電第十工程局有限公司機電安裝分局，四川都江堰 611830)

智能型鋼管整體退火爐的設計與應用

田文恒

(中國水利水電第十工程局有限公司機電安裝分局，四川都江堰 611830)

接合云南清水河電站壓力鋼管整體去應力退火過程，介紹了鋼管整體退火爐的設計及應用。該退火爐結構緊湊，科技含量高，屬節(jié)能環(huán)保型，經(jīng)濟實用，適用性強，可推廣到不同管徑及岔管的整體退火，從而解決現(xiàn)場制造中整體退火難以實現(xiàn)的現(xiàn)狀。

鋼管；退火爐；設計；程序控制；應用；清水河電站

1 概述

隨著水電建設的不斷發(fā)展，高水頭壓力鋼管的使用越來越多，對于鋼管壁厚較厚，特別是管徑小的壓力鋼管，鋼管壁厚與鋼管直徑的比值已超出規(guī)范冷卷制的要求。根據(jù)《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》(DL/T5015－2007)的規(guī)定，當鋼管內(nèi)徑和壁厚關系符合表1規(guī)定時，瓦片允許冷卷，否則應熱卷或冷卷后進行熱處理。

表1 瓦片允許冷卷的最小徑厚比表

在云南清水河電站壓力鋼管制造安裝工程中，壓力鋼管的水頭為880 m，岔管要求按1 500 m水頭做水壓試驗，鋼管內(nèi)徑為800 mm，鋼板材料為Q345C及Q370R兩種，板厚從10 mm開始以2 mm遞增至36 mm。而按規(guī)范要求計算后允許冷卷的鋼管的最大壁厚為24．24 mm。業(yè)主明確要求對于板厚≥26 mm的鋼管進行整體去應力退火。因此，為滿足規(guī)范及業(yè)主要求，對于采用熱卷工藝實現(xiàn)不了的鋼板，只能采用冷卷后退火。根據(jù)其產(chǎn)品特點，通過技術及經(jīng)濟分析得知可以采用常規(guī)的履帶式加熱器覆蓋加熱的方式進行退火或采用大型退火爐進行退火。前者操作繁瑣且不易控制；后者經(jīng)濟投入大且能耗損失大，退火爐再利用率低。為此，項目部通過技術優(yōu)化，設計并自制了一臺智能型鋼管整體退火爐，操作人員根據(jù)退火工藝要求，在完成了升溫速度、保溫時間、降溫速度等參數(shù)設定后，對升溫、保溫、降溫全過程實施自動控制并自動完成退火全過程記錄及曲線打印。

2 設計方案

2．1 總體結構(圖1)

圖1 總體結構圖

主要包括:爐體結構、保溫層、加熱器、智能程序控制系統(tǒng)。

2．2 爐體結構

爐體結構為圓柱狀桁架結構，由型鋼組焊而成。為便于產(chǎn)品入爐、出爐吊裝及就位，將爐體設計為平臥。爐體結構沿縱向按圓周角120°分為左、下、右三等分弧形結構，弧形結構兩端均有扇形封板，退火爐關閉時形成全封閉腔。在下弧形結構外弧上組焊有底座，以便于爐體平穩(wěn)放置，內(nèi)弧上布置有弧形支撐隔板，用于擺放鋼管；左、右兩弧形結構與下弧形結構通過鉸鏈連接，左、右兩弧形結構可沿鉸鏈旋轉完成退火爐的打開或關閉。為便于保溫層、加熱器的固定，在爐體結構內(nèi)弧上組焊了2～3 mm厚的鋼板。

2．3 保溫層的布置

保溫層的保溫效果十分重要，保溫層的厚度、保溫材料的耐火溫度、保溫材料的致密度是影響保溫效果的關鍵因素。保溫層保溫效果的好壞直接影響到退火過程中的升溫速度及熱量損失。該退火爐的保溫材料為硅酸鋁針刺纖維毯，其耐火溫度≥850℃，保溫層厚度為150 mm。保溫層布置在爐體結構內(nèi)弧及兩端封板內(nèi)側，在內(nèi)弧上的保溫層安裝加熱器時一并壓緊后緊固在內(nèi)弧鋼板上，端部保溫層采用壓條緊固在封板上。保溫層應固定可靠，避免開爐、關爐時掉落。

2．4 加熱器的設計

(1)退火工藝曲線及參數(shù)見圖2。

圖2 退火工藝曲線及參數(shù)圖

(2)加熱器功率的計算。

采用電加熱器，加熱器的功率與退火工件的重量及退火工藝參數(shù)有關，因此，要根據(jù)工件的重量及加熱速度、溫度進行計算，根據(jù)計算結果適當增加富裕功率以補償未被工件吸收而損失的能量。該退火爐加熱器功率估算如下:

式中 P為加熱器功率(kW)；C為退火工件材料比熱容(J/kg·℃)；V為升溫速度(℃/h)；G為工件質(zhì)量(kg)。

以最大工件質(zhì)量4 451 kg，Q345材料比熱容427J/kg·℃，取最大升溫速度(自然升溫階段) 200℃/h，帶入上式計算得出退火爐功率P=106 kW。考慮到熱量轉化效率有一定損失，實際取120 kW。

(3)加熱器結構及布置。

為了使工件均勻加熱，減少爐內(nèi)溫差，加熱器分21套均勻布置在爐體內(nèi)。每套加熱器由13根耐高溫陶瓷加熱管組成，固定在加熱器支架上以便于弧度的調(diào)整及安裝。加熱器結構見圖3。

圖3 加熱器結構圖

加熱器安裝時，采用螺桿與爐體連接固定，其安裝簡捷、方便且利于維修及加熱管的更換，退火爐開爐、關爐時加熱器應穩(wěn)定可靠，不宜損壞。

加熱器按圓周上3套為一組，共分7組，由智能程序控制系統(tǒng)完成對各組加熱器的控制。退火過程中，各組加熱器的工作狀態(tài)不完全相同，從而減小爐內(nèi)各部位的溫差。

2．5 智能程序電爐的控制系統(tǒng)

智能程序電爐的控制系統(tǒng)是退火爐的核心，智能程序電爐的控制系統(tǒng)是通過智能型FUSIPXR系列溫度控制儀表對被加熱的物體所需要的溫度進行設定，以達到溫度控制的目的。輸出電壓可通過面板上的調(diào)壓旋鈕調(diào)節(jié)，調(diào)壓元件為模塊設計，穩(wěn)定性高。

智能程序電爐的控制系統(tǒng)由主回路和控制回路組成。主回路包含熔斷器、空氣開關及可控硅。控制回路主要由溫度控制儀表、可控硅調(diào)壓模塊等組成。

熱電偶安裝在爐體上并伸入爐內(nèi)，爐內(nèi)溫度信號經(jīng)熱電偶信號線反饋回智能程序電爐的控制系統(tǒng)，智能程序電爐控制系統(tǒng)根據(jù)已設定的參數(shù)分別進行各組加熱器的工作控制。為了準確控制爐內(nèi)各部位的溫度，降低爐內(nèi)各部位溫差，共均勻布置了7個熱電偶，即7個溫控點。

智能程序電爐控制系統(tǒng)控制箱結構緊湊、直觀。面板上安裝有電流表、電壓表、PXR溫控表、電壓輸出調(diào)節(jié)旋鈕并配置有自動記錄儀。PXR溫控表為便于操作，根據(jù)實際使用情況，其內(nèi)部參數(shù)已調(diào)試好并加以屏蔽。退火時操作人員只需掌握幾個簡單的操作要領即可按退火要求完成程序設定。

智能程序電爐控制系統(tǒng)的主要技術參數(shù):輸入電壓380(V)，50 Hz；輸出電壓380(V)；溫度控制范圍0～1 000℃；7個溫控點；12個記錄點；輸出總額定功率120 kW。

3 退火爐的應用

該退火爐經(jīng)安裝、調(diào)試后，已成功應用于清水河電站壓力鋼管退火，其操作簡單，取得的效果良好。退火過程如下:

(1)爐膛清理。

工件入爐前，關閉退火爐所有電源，將爐體左、右兩半沿鉸鏈旋轉打開，檢查、清理爐內(nèi)加熱器上的氧化雜質(zhì)等物體。清除所有氧化物和其它雜物，同時檢查加熱器是否有凸起、保溫層是否有脫落等。

(2)鋼管入爐。

退火爐打開后，將鋼管水平吊入爐內(nèi)，平穩(wěn)放置在爐內(nèi)支撐架上。由于爐內(nèi)空間有限，吊裝時應小心作業(yè)，避免碰到加熱器而造成損壞，放置時應將鋼管對稱放置，以免影響退火爐的關閉。

(3)關閉退火爐。

鋼管吊入爐內(nèi)放置平穩(wěn)后，關閉退火爐。為了提高退火爐的密封效果，減少熱量損失，關閉退火爐時應注意合縫處的保溫層不被掛落，同時要壓緊合縫位置，減少熱量從合縫處溢出。

(4)退火啟動。

退火爐關閉后，接通退火爐電源，根據(jù)退火工藝要求，按智能程序電爐控制系統(tǒng)的操作說明書完成溫度、升溫(或降溫)速度、保溫時間等參數(shù)設定后啟動退火爐后進入退火狀態(tài)。退火結束后，自動完成曲線打印。

(5)過程監(jiān)控。

退火過程雖然是由程序控制自動完成，但必須有專人進行監(jiān)控，監(jiān)控加熱器、儀器儀表等各部位工作是否正常，如有異常，應及時通知相關專業(yè)人員進行故障排除并做好記錄及打印紙標識，以便過程控制及可追溯。

(6)退火成果的收集。

退火成果是重要的見證資料，能清晰反映出退火的全過程變化，也是竣工資料的重要組成部分。因此，要及時做好每次退火記錄及打印曲線的整理及收集工作，并對應工件做好標識及歸檔保存。

退火結束后，打開退火爐，吊出鋼管。進入下一爐退火時，按上述過程進行，依次逐節(jié)完成鋼管整體退火作業(yè)。

4 退火爐具有的特點及優(yōu)勢

該退火爐已成功應用于清水河電站壓力鋼管整體退火，效果良好，具有操作簡單、能耗低、環(huán)保、經(jīng)濟實用、科技含量高等特點:

(1)該退火爐采用智能溫控儀表、調(diào)壓模塊元件、可控硅及自動記錄儀等新技術，組成了智能程序控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電壓實現(xiàn)所需功率的變化，替代了過去采用的全開、全關控制模式。因此，其科技含量高，性能穩(wěn)定可靠，能耗低。

(2)該退火爐結構緊湊，加熱器、保溫層均勻布置，工件受熱均勻，保溫效果好，熱量損失小，爐內(nèi)最大溫差小于15℃，滿足《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》(DL/T5015－2007)規(guī)定的爐內(nèi)溫差不大于50℃的要求。

(3)控制系統(tǒng)操作簡單，操作人員只需掌握幾個簡單的操作要領即可按退火工藝要求完成工藝參數(shù)設定，退火過程由程序自動完成，不受人為因素影響，控制精確度高并能自動完成曲線打印，具有較好的可追溯性。

(4)工件入爐、出爐吊裝方便，效率高，節(jié)約了大量的輔助時間。

(5)該退火爐實用性強，可完成其它工件的熱處理，對大型鋼管的整體熱處理只需對爐體弧度作相應調(diào)整即可滿足要求，且爐體結構制造簡單，便于施工現(xiàn)場制造，從而解決了施工現(xiàn)場不同規(guī)格的鋼管及其它產(chǎn)品的整體熱處理。

5 結 語該退火爐充分利用了可控硅技術及程序模塊元件，實現(xiàn)了智能程序控制，科技含量高。在節(jié)能降耗、環(huán)保及經(jīng)濟適用性方面優(yōu)勢突出，并很好地解決了現(xiàn)場施工中新建常規(guī)整體退火設備經(jīng)濟投入高、技術實現(xiàn)難度大的現(xiàn)狀，同時，在其它熱處理技術提升方面也具有較好的參考價值。

TV52;TV547;TV547．2;TV547．6

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1001-2184(2015)05-0044-03

田文恒(1971-)，男，云南昭通人，結構廠總工程師，工程師，從事金屬結構制作安裝技術及管理工作．

(責任編輯:李燕輝)

2015-09-28