轧钢热变形热处理机加工

　　1前言车轮是铁道车辆的关键部件。1997年太原某重型机械厂引进加拿大钢轮厂的主要设备，建成了太原钢轮厂（TSW），所采用的制造工艺是世界上比较通用的一种典型工艺，即轧钢热变形热处理机加工。整个工艺中需要工业炉完成的有四个工序：轮坯加热、车轮的等温处理、淬火加热和回火。这四个工序不仅影响到整个生产线的节奏和能力以及生产中的各项经济指标，更影响到产品的质量。

　　TSW共有5台工业炉，一台环形加热炉，一台再加热炉，三台热处理炉。其中，三台热处理炉的功能和工艺要求分别为：1号热处理炉为等温处理，炉温要求为640；2号热处理炉为淬火加热和缓冷处理，淬火加热温度为880；3号热处理炉为回火处理，其工艺为淬火后的车轮在460温度下进行等温回火。

　　热处理是影响车轮质量的关键工序之一，为了获得稳定的热处理质量，TSW采用了具有工艺适应性强，炉膛区段温度恒定的隧道式热处理炉。三座隧道式热处理炉并列布置，装有待热处理车轮的台车可连续通过1、2、3号炉，炉体各长27米，其中每条隧道内可容纳冶金能源9辆台车，这样可以将三个炉子首尾相接。但是，TSW的三台热处理炉自建成以来一直不能满足工艺的要求，其主要问题是炉内温差太大。

　　2高速调温烧嘴在热处理炉的应用分析认为，依据现场热处理炉的结构形式以及车轮在炉内的摆放位置，只有在炉内形成强大的热气流循环，才能更好的解决炉内温差的问题。因此，在没有外加热源的情况下，必须依靠煤气燃烧动力，产生循环热流来达到搅拌炉膛、消除上下温差的目的。

　　但是由于原来所采用的烧嘴燃气喷出速度太低，因而远远不能达到炉温稳定的要求。例如，原来1号热处理炉采用低压涡流烧嘴，喷出速度只有30m/s，导致炉温严重不稳定，炉膛截面温差高达130，使低温扩氢工艺无法进行；2号热处理炉虽然采用了高速调温烧嘴，但喷出速度也只有5060m/s，所以炉膛截面温差也高达70，加之炉墙周围保温不好，炉外壁温度达100，局部温度甚至高达针对上述问题，在三台热处理炉上分别采用了速度为150200m/s的高速调温烧嘴，从而使炉温误差保持在10左右。以2号热处理炉为例，2号热处理炉总共分4段，1段为预热段，炉温为640，有4个烧嘴，交错分布，燃烧能力为100m/h；2段为加热段，炉温为880，有10个烧嘴，燃烧能力为/h；3段和4段为保温段，炉温为880，各有6个烧嘴，烧嘴的燃烧能力都为/h.同时，2号热处理炉还采用炉外燃烧室燃烧，将热气流鼓入炉内循环，使3号回火处理炉炉内温差保持在5范围内。

　　3炉内传热数学模型的建立为了使炉子的能耗*小、氧化烧损*少，并且使炉子能够达到*优生产，根本的办法还是建立数学模型，实现计算机优化控制。

　　31模型的简化条件根据钢坯的具体情况以及现场的条件，并且为了使模型准确并简单化，依据经验和实际情况提出以下的假设条件：（1）将炉子沿长度方向分区，所在区域内的炉温根据炉内热电偶测得的温度来确定；（2）炉墙内表面、炉顶、炉底、钢坯表面视为灰面，其黑度视为常数；（3）钢坯内部导热仅在轴向和径向导热；（4）忽略氧化铁皮对传热的影响。

　　32钢坯内部导热模型假设钢坯为圆柱体，认为沿径向和轴向导热，则其导热微分方程式为：上述方程经离散化后，得到如下差分方程式。

　　33炉膛传热数学模型在传统的火焰炉中，传热计算是以辐射为主，这是因为炉内气流的速度很小，对流传热的比例自然也很小，辐射占了传热量的95%左右。但对于使用150200m/s的高速烧嘴的热处理炉，由于高速气流带动了炉内烟气的强烈循环，大大强化了炉内的对流传热，所以在计算炉子的传热过程中，对流传热和辐射传热同等重要。

　　实验表明：由于气流在炉内的强烈循环，在传热计算中，钢坯上表面和侧表面主要受炉气的对流和辐射作用；下表面则只考虑炉底对钢坯的导热问题，其中当炉底温度低于下表面温度时，作绝热处理（导热量为零）。

　　如果以金属上表面的温度作为加热温度的代表值，断面温差则以料坯上下表面温度差来表示。热处理炉内金属加热过程数学模型的求解，比较了模拟计算与现场测得的加热过程升温和断面温差随时间的变化，从而可以看出模拟计算的结果与现场的的情况有着基本一致的变化规律。用VB算法语言编制了计算机程序，并将程序打包，用于实际的生产过程。

　　冶金能源箱以下，断面净空尺寸与水冷壁炉膛断面相同。燃烧室的四周是耐火材料与保温材料砌筑而成的复合炉墙，高炉煤气在此燃烧室中的燃烧近似于绝热燃烧，能够确保高炉煤气燃烧的稳定。

　　43采用沸腾式省煤器锅炉的燃料由煤粉改为高炉煤气后，炉膛水冷壁吸热减少，直接影响到锅炉的出力。为了保证改造后锅炉的出力能够达到100t/h，采用沸腾式省煤器。出于安全性和工质流动阻力的考虑，省煤器的沸腾率一般以15%为宜，*大不超过20%.水的汽化潜热较大，液态的水在省煤器中汽化为饱和蒸汽，需要吸收大量的热量。锅炉燃烧高炉煤气可强化烟气侧的传热，但增加的传热能力远远不能满足要求。

　　原锅炉采用的是非沸腾式省煤器，传热面积少，所占空间不大。如果仅靠增加传热面积来满足传热需求，将导致庞大的省煤器无法布置在锅炉的空间内。省煤器的工质侧为水，水与省煤器管壁间的传热系数很大；烟气侧的传热是气体与钢管间的热交换，传热系数很低，是制约省煤器综合传热系数提高的关键因素。在管子的烟气侧焊接肋片，可以显著改善烟气侧的传热，使省煤器获得较高综合传热系数。螺旋翅片管省煤器的翅片管以普通钢管作为基管，厚度为lmm的钢带以一定的节距螺旋状地焊接在基管上。采用具有很高的焊着率与焊透率的高频焊，翅片与基管间有良好的热传导性能。

　　44过热器和空气预热器的改造设计锅炉的燃料由煤粉改为高炉煤气后，如过热器的传热面积保持不变，出口蒸汽必定超温。通过理论计算，缩减部分过热器的换热面积，过热器系统不作大的改动。经过理论计算，保持原有的空气预热器不变，热风温度为350，排烟阻力略有增加，由于整个系统不需要除尘器，系统中的除尘器阻力不存在，可以使用原有的锅炉引风机。

　　5结束语改造后的锅炉于2001年底投入使用，运行结果表明：在高炉煤气量保证的情况下，锅炉出力超过100t/h，蒸汽各参数完全正常。

　　锅炉运行的数据与设计值基本吻合，省煤器的沸腾率比设计值小，省煤器沸腾率的设计值为18%，实际运行值仅为10%.由于此次设计为改造设计，可能炉膛水冷壁的灰污系数选取偏大，将炉膛水冷壁的结渣状况想象得过于严重，实际上水冷壁可能比较干净，水冷壁的实际吸热量大于理论计算，省煤器无需过高的沸腾率。