冷軋立式退火爐穩(wěn)定密封裝置的設(shè)計與應(yīng)用

劉赟赟，胡廣魁，劉益民

（1.寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 201900；2.寶山鋼鐵股份有限公司冷軋廠/研究院，上海 201900）

1 概述

冷軋連續(xù)退火機組的爐子分為臥式爐和立式爐兩種，爐子各段之間的密封裝置有多種型式。臥式爐的爐段密封裝置常見的有上密封簾加下密封輥形式、上密封氣簾加下密封輥型式、雙密封輥型式；立式爐的爐段密封裝置常見的有雙密封輥型式、雙翻板型式和氣墊加穩(wěn)定輥型式。

冷軋薄帶鋼在充滿保護氣氛的連續(xù)退火爐中進行連續(xù)退火處理時，爐體及相連接設(shè)備和風(fēng)道的密閉性水平，直接關(guān)系到產(chǎn)品的表面質(zhì)量[1]。正常生產(chǎn)時，爐內(nèi)充滿著由N2和H2混合且含氧低于5×10-4%的保護氣體，然而實際生產(chǎn)運行中，實測爐中HN混合保護氣體的含氧量一般要比爐內(nèi)之前靜態(tài)檢測時高出許多。這主要是由于兩方面原因：一方面是爐體的泄漏，如果泄漏點正好是爐體的局部負壓區(qū)，特別是在冷卻風(fēng)機循環(huán)風(fēng)道的吸風(fēng)口處和風(fēng)機主軸與蝸殼機械密封處容易產(chǎn)生負壓；另一方面，爐內(nèi)爐外存在著極大的氧氣濃度差，爐內(nèi)保護氣體氣氛的氧氣分壓幾乎等于零，而爐外一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的情況下，空氣中的氧氣含量為21%，也是氧氣滲入爐內(nèi)的主要動力[1]。滲入爐內(nèi)的主要途徑就是爐子的入出口密封裝置,因此密封裝置的設(shè)計尤為重要。穩(wěn)定密封輥使用后，與常規(guī)的密封輥相比，結(jié)構(gòu)緊湊，在有限空間內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定帶鋼和隔斷爐區(qū)氣氛的作用，一套設(shè)備起到穩(wěn)定輥和密封輥的雙重作用，節(jié)約了設(shè)備投資。

2 立式退火爐穩(wěn)定密封輥設(shè)計理念

（1）密封輥和穩(wěn)定輥結(jié)構(gòu)分析。密封輥用于隔斷大氣與爐內(nèi)氣氛以及溫度、氣氛濃度有較大差異的爐段，與帶鋼軋制線對稱布置，合攏后與帶鋼保持輥縫，輥子線速度與帶鋼運行速度同步，帶鋼運行中抖動會與帶鋼線性接觸。

穩(wěn)定輥用于爐子緩冷段、快冷段和感應(yīng)加熱器前，抑制帶鋼振動，避免表面與爐內(nèi)設(shè)備發(fā)生擦劃傷等表面缺陷，輥子中心線平行于帶鋼，沿著軋制線交錯布置；輥子與帶鋼有一定的包角，實際生產(chǎn)中穩(wěn)定輥的負載波動一般在馬達功率的10%。

（2）穩(wěn)定密封輥的計算分析。穩(wěn)定密封輥的設(shè)計理念是：實際生產(chǎn)中穩(wěn)定輥的負載波動一般在10%，穩(wěn)定輥的馬達功率一般是2.2kW，所以10%是0.22kW；密封輥的直徑為290mm，包角至少大于15°的前提下，兩輥的軸向高度差盡可能小，因為高差越小，選用的氣缸行程可以更短，軸承座和密封三角套管體積更小，密封越容易實現(xiàn)，設(shè)備體積就越緊湊，制造成本越低。

在保證穩(wěn)定密封輥包角至少大于15°的前提下，輥子中心線錯位90mm，合攏后輥子中心距水平方向278mm，輥縫間隙為2mm，是一個在合理范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖2 密封裝置實驗?zāi)Ｐ?/p>

（3）張力放大效果。

圖3 15°包角張力放大

帶鋼經(jīng)過主動輥后，張力值T1可以得到放大到T2：T2=T1*λ放大系數(shù)λ：

抵抗張力波動功率△P：

計算數(shù)據(jù)表如下：

表1 15°包角的穩(wěn)定輥的張力放大能力

結(jié)論：實際生產(chǎn)中穩(wěn)定輥的負載波動一般在10%，穩(wěn)定輥的馬達功率是2.2kW，所以10%是0.22kW；15度包角及張力制造的0.29kW放大功率，足以抵抗穩(wěn)定輥負載波動所帶來的張力波動量，避免可能產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，不會在帶鋼的表面形成細小劃傷。

3 穩(wěn)定密封輥的設(shè)計

（1）輥室結(jié)構(gòu)型式。密封裝置爐殼是帶耐火纖維內(nèi)襯的焊接箱型結(jié)構(gòu)件，外型尺寸長×寬×高為3700mm×1286mm×2092mm，共有4個檢修人孔，位于穩(wěn)定密封輥輥室的側(cè)面，用于輥子的安裝時，輥縫間隙的調(diào)整和輥子與密封三角套管之間間隙的調(diào)整。

圖4 輥室結(jié)構(gòu)型式

圖5 密封裝置三角套管

（2）密封裝置三角套管。

密封裝置三角套管是一個20mm厚SUS304板焊接的框型結(jié)構(gòu)件，靠近輥面處安裝紫銅耐磨板，與密封輥保持穩(wěn)定的間隙以保證良好的密封效果，設(shè)定水套與爐輥面之間的間隙7mm。

圖6 三角套管零件圖

（3）輥子的結(jié)構(gòu)型式。輥身材料保證高溫下不變形，才能確保輥面與密封板之間設(shè)定好的間隙。在保證原密封輥功能尺寸和安裝尺寸一定的前提下，為了消除非線性熱變形下輥身的斷裂，新設(shè)計的密封輥選定雙層輥，中間層為空氣層。這種結(jié)構(gòu)可以消除輥身處熱變形應(yīng)力，從而有效提高水冷密封輥的使用壽命。水冷密封輥保護套與輥身之間留有8mm的空氣層，從而起到有效保護輥身的作用。裝配好后，操作側(cè)保護環(huán)和傳動側(cè)保護環(huán)與保護套焊接成一體，傳動側(cè)保護環(huán)與輥身再焊接成一體，操作側(cè)保護環(huán)沒有焊接并留有放氣孔，從而保證高溫下外層保護套及保護環(huán)向操作側(cè)的自由變形。密封輥的材料選擇也是本項目的關(guān)鍵。由于爐內(nèi)環(huán)境溫度為800℃，為了防止材料在高溫下發(fā)生蠕變，需要選用耐高溫的不銹鋼材料，為了增加其表面耐磨程度還需要對表面噴涂耐高溫材料JS-2402：耐熱溫度為1250℃，厚度為80μm～100μm，硬度≥HV750。為了減少換熱量，保證噴涂后表面黑度值小于0.4。由于密封輥的保護套、保護環(huán)和球形塊都裸露在爐內(nèi)，所以選用耐1150℃高溫的材料：Cr33Ni50W16；遠遠大于其使用溫度800℃。

（4）軸承座結(jié)構(gòu)型式。軸承座采用水冷結(jié)構(gòu)，靠近爐膛一側(cè)的軸承座端蓋也采用水冷和雙骨架油封結(jié)構(gòu)，確保了軸承的正常工作。

圖 7 軸承座結(jié)構(gòu)型式

（5）爐殼及底座整體結(jié)構(gòu)型式。一體式底座設(shè)計，穩(wěn)定密封輥及其馬達萬向軸等傳動部分、軸承座和爐殼都安裝在一個工字鋼焊接的公共底座上，因此輥子的安裝，軸承座的定位、氣密性檢查和間隙調(diào)整（輥子與三角密封板間隙和軸頭與膨脹節(jié)間隙）以及試運轉(zhuǎn)（氣缸開閉動作和馬達傳動動作）都可以在制造廠完成，大大降低了輥子在現(xiàn)場安裝的工作量。

4 穩(wěn)定密封輥的應(yīng)用

該穩(wěn)定密封輥裝置，用于一座高30m的退火爐中，用于隔斷加熱段N2氣氛和冷卻段水霧氣氛。按照設(shè)計要求，冷卻水流經(jīng)密封輥的軸承座及水冷端蓋，對密封輥的軸承進行冷卻后，循環(huán)水的溫升不高于5℃，密封輥軸承座入口水溫不高于35℃，出口水溫不高于40℃，整個密封裝置，氣密性要求為500Pa保壓30m后，余壓大于100Pa。

5 結(jié)語

穩(wěn)定密封輥裝置在制造完成后在某退火機組成功投入了熱負荷試車，在800℃高溫工況下穩(wěn)定運行6個月，軸承無高溫和振動等異常，輥子運轉(zhuǎn)、開閉動作無故障，事實證明這套穩(wěn)定密封輥的設(shè)計是成功的。