自由鍛造車(chē)間工業(yè)爐布置分析

呂增印，劉軍偉

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 國(guó)際工程院，河南 鄭州 450007）

在工業(yè)生產(chǎn)中，利用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量或者將電能轉(zhuǎn)化成熱量對(duì)工件或物料進(jìn)行加熱的設(shè)備，稱(chēng)為工業(yè)爐[1]。工業(yè)爐普遍應(yīng)用于鍛造車(chē)間、熱處理車(chē)間、鑄造車(chē)間等熱工車(chē)間，是工業(yè)工程重要裝備之一。工業(yè)爐布置是工藝平面設(shè)計(jì)及工廠設(shè)計(jì)的重要組成內(nèi)容，與建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通及供配電等專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)相互關(guān)聯(lián)，相互制約，遵守系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理念。當(dāng)前，我國(guó)正處于供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，經(jīng)濟(jì)提質(zhì)升級(jí)的新發(fā)展階段，在工業(yè)爐布置設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮節(jié)能減排措施和舒適性工作環(huán)境不僅是鍛造企業(yè)的需求，也是工廠設(shè)計(jì)企業(yè)響應(yīng)國(guó)家號(hào)召、遵守相關(guān)法律法規(guī)的應(yīng)有之義。

1 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

筆者以工廠設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)整體，以工業(yè)爐布置作為研究對(duì)象，力圖揭示其與各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)相互聯(lián)系及制約的關(guān)系，并運(yùn)用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理念，提出工業(yè)爐與關(guān)聯(lián)對(duì)象的合理化布置方案。

1.1 爐體與吊具的相關(guān)性

根據(jù)裝載量、裝載方式以及爐門(mén)開(kāi)啟方式的不同，臺(tái)車(chē)式工業(yè)爐爐體高度可達(dá)4m 以上，爐門(mén)開(kāi)啟后高度可達(dá)5m 以上。如果工業(yè)爐布置不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致?tīng)t門(mén)提升機(jī)構(gòu)與在車(chē)間內(nèi)往復(fù)穿行的起重機(jī)吊具發(fā)生碰撞，造成爐體破損。如圖1 所示。圖中，C1為主鉤到司機(jī)室對(duì)側(cè)（右側(cè)軌道中心線）的極限距離，mm；C2為副鉤到司機(jī)室對(duì)側(cè)（右側(cè)軌道中心線）的極限距離，mm；C3為工業(yè)爐爐門(mén)到起重機(jī)右側(cè)軌道距離，mm。

工業(yè)爐布置時(shí)，必須同時(shí)滿足C3＜C1，C3＜C2，即：

在滿足式（1）前提下，C3取值還要綜合考慮其他方面因素，見(jiàn)本文1.2 節(jié)。

1.2 爐體與廠房鋼構(gòu)相關(guān)性

1.2.1 爐口與鋼柱的相關(guān)性

工業(yè)爐爐內(nèi)溫度約1300℃，開(kāi)爐時(shí)大量熱量外溢，經(jīng)熱輻射，廠房鋼柱溫度升高，當(dāng)溫度超過(guò)100℃時(shí)，鋼材的強(qiáng)度、彈性模量發(fā)生變化，對(duì)于依靠預(yù)應(yīng)力工作的構(gòu)件或連接帶來(lái)不可靠性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，工業(yè)爐窯布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免爐口正對(duì)且靠近柱子，如圖2 虛線所示。圖中，C4為工業(yè)爐爐口到鋼柱壁距離，mm；Δl 為起重機(jī)軌道中心線到鋼柱壁距離，可為負(fù)值，mm。

結(jié)合圖1、圖2 可推出：

圖1 工業(yè)爐與起重機(jī)吊具位置關(guān)系圖

圖2 工業(yè)爐口與鋼柱的位置關(guān)系圖

合理布置條件下C4=C3-Δl＞0，這樣C3取值范圍確定如下：

理論上，工業(yè)爐爐口所處的垂直平面與鋼柱壁（朝向爐口側(cè)，下同）平行，爐門(mén)提升且臺(tái)車(chē)不出爐情況下，爐口對(duì)鋼柱壁熱輻射為零[2]；大多數(shù)情況下，爐門(mén)提升后臺(tái)車(chē)出爐，臺(tái)車(chē)上熾熱鋼件對(duì)廠房鋼柱壁產(chǎn)生熱輻射，輻射量計(jì)算復(fù)雜，本文不作贅述。為降低工業(yè)爐出爐對(duì)鋼柱熱輻射的影響，經(jīng)驗(yàn)上，爐口到廠房鋼柱外壁的距離不小于1000mm，即：

1.2.2 爐體與柱距的相關(guān)性

廠房柱距一般由工藝物流要求、受力安全性、建造經(jīng)濟(jì)性等因素確定。對(duì)自由鍛造車(chē)間而言，工業(yè)爐爐體寬度、布置方式既對(duì)柱距確定產(chǎn)生影響又受柱距的制約。一般情況下，自由鍛造車(chē)間柱距通常為6m、9m、12m 等，根據(jù)選定的工業(yè)爐規(guī)格，結(jié)合常規(guī)柱距可先行擬定布置方案，最后由結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)綜合各方面因素確定。

1.3 工業(yè)爐與廠房維護(hù)相關(guān)性

工業(yè)爐爐口、裝出爐工作區(qū)域散發(fā)巨大熱量，通過(guò)輻射、對(duì)流等方式對(duì)廠房屋面產(chǎn)生強(qiáng)烈烤蝕現(xiàn)象，因此熱工車(chē)間一般采用耐高溫、耐腐蝕的大型混凝土屋面板或發(fā)泡水泥復(fù)合板作為屋頂維護(hù)材料。

1.4 工業(yè)爐與動(dòng)力管線相關(guān)性

（1）熱工車(chē)間起重機(jī)滑觸線一般采用安全滑觸線，絕緣外套由具備韌性、耐磨、抗老化及阻燃性能的工程塑料組成，正常工作溫度40℃左右。特殊型號(hào)的滑觸線可具有耐腐蝕、耐磨損、耐重壓、耐高溫等特點(diǎn)，即使如此，若條件許可，工程設(shè)計(jì)時(shí)仍要優(yōu)先采用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，把安全滑觸線優(yōu)先布置到工業(yè)爐口的對(duì)面，與起重機(jī)駕駛室同側(cè)。這樣可以避免長(zhǎng)期高溫烤蝕對(duì)滑觸線的破壞。

（2）熱工車(chē)間燃?xì)夤艿婪?wù)于工業(yè)爐窯，根據(jù)工藝要求，燃?xì)廨斔凸艿佬枰O(shè)置在爐體上方的專(zhuān)用吊架上，沿鋼柱敷設(shè)到爐體燃?xì)膺M(jìn)口。為保證安全，燃?xì)夤艿佬枰M(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)。

2 宜人化設(shè)計(jì)

工廠設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵守“以人為本”的原則[3]，考慮工人、設(shè)備和環(huán)境的協(xié)調(diào)，采取必要的技術(shù)措施改善作業(yè)環(huán)境，提高操作者舒適性。工業(yè)爐布置的宜人化主要指工業(yè)爐與起重機(jī)駕駛室以及工業(yè)爐與壓機(jī)操作室的相對(duì)位置合理，便于工人操作，保障生產(chǎn)安全。

2.1 爐口與起重機(jī)駕駛室宜人化布置

工業(yè)爐臺(tái)車(chē)出爐后，起重機(jī)利用四爪吊鉗把1200℃左右的熾熱鋼件抓起并運(yùn)輸?shù)藉懺靿簷C(jī)型砧處，整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程主要由駕駛室內(nèi)的司機(jī)控制。因此，合理確定工業(yè)爐和駕駛室空間位置，保證司機(jī)視野開(kāi)闊，視線不受遮擋非常重要。如圖1 所示，工業(yè)爐與起重機(jī)駕駛室相對(duì)布置，可以充分保證吊鉗抓取、運(yùn)輸鋼件的過(guò)程均在司機(jī)視線所及的范圍內(nèi)，便于司機(jī)隨時(shí)調(diào)整控制動(dòng)作，保證運(yùn)輸安全。

2.2 爐體與壓機(jī)操作室的宜人化布置

與地上式布置不同，液壓站全地下布置的鍛壓機(jī)組，壓機(jī)操作室的設(shè)置更加靈活，這種情況下，優(yōu)先選用工業(yè)爐與壓機(jī)操作室斜對(duì)面布置，保證壓機(jī)操作人員可以隨時(shí)觀察鋼件運(yùn)輸、上砧狀態(tài)，提前做好預(yù)控操作。

3 綠色化設(shè)計(jì)

高效、節(jié)能、環(huán)保是綠色鍛造的具體表現(xiàn)[3]。工業(yè)爐布置的綠色化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在縮短工業(yè)爐與壓機(jī)的相對(duì)距離以及工業(yè)爐的集群化布置方式。

3.1 爐后物流短捷化

大型自由鍛造車(chē)間工業(yè)爐按功能分為加熱爐、熱處理爐，按照爐型分為長(zhǎng)爐、短爐。一般情況下，短爐負(fù)責(zé)鋼錠加熱，容量小，在頻繁開(kāi)爐的情況下熱量損失相對(duì)較少；長(zhǎng)爐負(fù)責(zé)多火鍛件加熱，容量大，頻繁開(kāi)爐熱量損失大。鍛造車(chē)間短爐（鋼錠加熱爐）出爐量（鋼件出爐數(shù)量）大，開(kāi)爐頻次高，工業(yè)爐布置時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先把短爐設(shè)于最靠近壓機(jī)的位置，縮短鋼錠運(yùn)輸時(shí)間，增加砧上鍛造時(shí)間，盡可能在鍛件達(dá)到終鍛溫度前，一火鍛造成形，減少物流成本、燃料消耗和爐體損耗。

3.2 工業(yè)爐集群式布置

鍛造車(chē)間加熱爐、熱處理爐分別集中布置便于集中控制[4]和排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)。另外，工業(yè)爐集中布置為二次余熱利用創(chuàng)造了條件，以筆者承接的陜西某石油機(jī)械公司鍛造單元為例，該公司對(duì)鍛造單元23臺(tái)工業(yè)爐排放的高溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行回收利用生產(chǎn)熱水。回收的熱量用于涂裝設(shè)備生產(chǎn)用熱和全廠洗手及熱工單元淋浴等生活用熱。項(xiàng)目采集熱水溫度:95℃（最高110℃）；采集熱水量:142m3/h；回收熱量:4950kW；生產(chǎn)熱水溫度:90℃；生活熱水溫度:60℃。項(xiàng)目建成后實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，社會(huì)效益良好。

4 結(jié)論

鍛造車(chē)間工業(yè)爐布置是工廠設(shè)計(jì)的重要組成部分，必須貫徹系統(tǒng)化、宜人化、綠色化設(shè)計(jì)理念。通過(guò)分析工業(yè)爐與吊具、廠房結(jié)構(gòu)、動(dòng)力管線、起重機(jī)駕駛室、壓機(jī)及其操作室的相關(guān)性，提出合理化建議及措施；同時(shí)把工業(yè)爐煙氣余熱利用理念前置到工業(yè)爐布置方案中去，采取工業(yè)爐集群式布置模式等，對(duì)鍛造車(chē)間工廠設(shè)計(jì)具有較大參考價(jià)值。