步進式加熱爐爐底機械常見故障原因分析及對策

于澤通，汪建新，吳啟明, 李 鎖

(1.內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.北京京誠鳳凰工業(yè)爐工程技術有限公司，北京 100176)

我國自20世紀80年代從法國斯太因引進步進式加熱爐后，步進爐就因其高產、適應能力強等優(yōu)點而得到廣泛應用。為滿足近些年日益增長的生產需求，軋鋼技術要向著連續(xù)化、自動化、高精度化等方向發(fā)展，這帶給了步進式加熱爐更大的考驗。但因為步進式加熱爐結構復雜，工作環(huán)境惡劣，使得其維修成本過高，本文通過對近10年國內外步進式加熱爐出現的問題和解決方案進行總結，從步進機構、水封槽、水梁三個方面給出具體故障原因和解決方案，希望可以優(yōu)化加熱爐的運行狀態(tài)，提高經濟效益。

1 水梁漏水

步進式加熱爐沿爐體的長度方向可分為預熱段、加熱段、均熱段三個階段，加熱段主要負責將坯料加熱到軋制的指定溫度，在均熱段保持出鋼時溫度的均勻性，所以在這兩個階段加熱爐中水梁的工作溫度較高，工作條件比較惡劣。由于耐熱墊塊的設計缺陷和與水梁之間焊接方式的影響，造成了一系列問題，致使水梁產生裂紋，進而發(fā)生爆管漏水的故障，給工業(yè)生產造成了許多不必要的損失。因為初始裂紋不易被發(fā)現，所以要盡可能做到完善設計工藝，延長水梁的使用壽命或者預測水梁的使用壽命，以此減少軋鋼生產過程中造成的損失[1]。

1.1 水梁耐熱墊塊

龍靜濤和索勇兩位作者在論文中對墊塊的設計問題中給出了非常全面的分析，但因加熱爐規(guī)格等因素的不同，墊塊的具體設計參數略有不同。

1.1.1 墊塊參數

若墊塊體積過大，尤其是長度過長時，其膨脹量就會越大，由于其焊接在水梁上，不同金屬的膨脹系數不同，所以會產生附加溫度應力，結構在熱應力的不斷作用下產生裂紋。對此問題可采取以下對策：

(1)盡可能減小墊塊與水梁間材料的熱膨脹系數差異，將墊塊材料由Co50改為Cr25Ni20Si2[2]，因為Cr25Ni20Si2允許工作溫度大概在1 200 ℃，不但適用于加熱爐高溫的環(huán)境而且有更好的焊接性能。

(2)龍靜濤的方案是墊塊的上下部均增加應力縫[3]，而索勇僅在上部增加2～3 mm的應力縫[4]。因為墊塊下表面與水梁接觸，溫度相對較低，所以可選擇只在墊塊上部增加應力縫，既可以減小熱應力影響又可以簡化工藝流程。

1.1.2 焊接方式

(1)將耐熱墊塊的焊腳高度適當減小，墊塊兩側各端分別留出一定距離不進行焊接，墊塊的兩端可依情況選擇是否焊接。

(2)焊接時采用小直徑焊條、小電流、多道工序的焊接工藝，在焊接時可以向管內通水來帶走多余的熱量，這種方式可以有效減小焊接過程產生的熱應力，同時焊接完成后，再對水梁進行退火處理，可增加管道材料的韌性。

1.2 水 梁

水梁是加熱爐中主要的承重部件，它是固定梁和活動梁的統稱，其中固定梁的主要作用是承接入爐和出爐的鋼坯以及支撐鋼坯在加熱爐中完成整個加熱過程；而活動梁的主要作用是配合爐底機械中升降框架和平移框架的運動，完成上升、前進、下降、后退四個動作，將需要加熱的鋼坯從入料端一步一步地運輸到加熱爐的出料端，完成步進運動[5-6]。

1.2.1 水梁內壁結垢

循環(huán)水從爐底進水管進入水梁，通過汽化冷卻[7]的方法達到降溫的目的。但現有循環(huán)水的水質并不滿足加熱爐供水要求，工業(yè)循環(huán)水長期以往會含有許多雜質并積聚在水梁內壁，水梁內壁結垢后極大降低了管壁的傳熱性[8]，從而造成水梁因局部溫度過高而彎曲變形發(fā)生漏水現象。對此可以在結垢嚴重的管道安裝美國的Acme Aqua EMK電磁除垢器，其以可變電磁場為核心技術，通過高磁通量密度的磁場將水分子充分極化，使鈣、鎂離子和碳酸根離子結合方式發(fā)生變化，阻垢率可達99%[9]，不但從根本上防止了污垢的產生，而且節(jié)省了排污、更換循環(huán)水和檢修的費用，可以增加經濟效益。

1.2.2 水梁母材

水梁母材的質量是后期出現故障最容易被忽略的因素，個別水梁本就存在細小的裂紋和氣泡，水梁在長期高溫和交變載荷的作用下使裂紋經歷穩(wěn)定擴展和失穩(wěn)擴展兩階段，裂紋發(fā)展到內表面時，冷卻水進入縫隙造成爆管。而且爆管多發(fā)生在水梁下降的過程中，當活動梁托起鋼坯時，裂縫被封堵，當其下降到固定梁等高位以下時，脫離坯料，載荷解除，泄漏點暴露，大量蒸汽噴出造成爆管漏水。為防止此故障的發(fā)生，除了提高管道的材質要求，在采購管理方面也要嚴加監(jiān)管，且在驗收時要更全面的探傷，從根本上解決問題。

1.2.3 水梁外部耐材脫落

水梁外部耐熱材料主要對水梁起保護作用，既能隔熱又可以減小震動的影響，但其工作環(huán)境的惡劣使其極易脫落，而裸露的水梁則會受到高溫的影響使局部過熱，減弱管壁強度，從而產生裂紋[10]。但因其重新包扎流程復雜，包含焊錨固鉤、支模、澆筑、烘烤等工序，所以一般為了提高生產效率不會對于小面積脫落進行修補。

而采取莫來石晶體纖維材料的對扣式掛件可以既快捷又方便地解決這個問題，既滿足了隔熱抗震的要求，又能對小面積脫落進行及時補救。

1.2.4 水梁中冷卻水不足

水梁汽化冷卻系統中冷卻水不足或水流速不足導致局部溫度過高，使水梁發(fā)生爆管漏水。針對這種現象應規(guī)范操作流程，嚴格操作步驟，對水梁進行定期監(jiān)控，有水量不足的情況時，及時補水以防止溫度過高帶來更大的損失。

1.3 生產過程中坯料規(guī)格的變化

坯料經進料輥道、水梁、出料輥道完成加熱過程，一般坯料有兩種進出爐方式，如：板材鋼坯一般為端進端出、線材鋼坯一般為側進側出。隨著加熱爐功能越來越全面，工作效率越來越高，工廠加熱的鋼坯規(guī)格逐漸多樣化，規(guī)格不同，除材料的基本物理性質不同外，其需要加熱的溫度和時間也不同，所以會造成爐溫波動較大，同時也會加重軋機的工作負擔，提高軋機出現故障的概率，從而迫使加熱爐停止工作。

坯料規(guī)格的變化不但使加熱爐的爐溫波動變大，而且會使加熱爐的溫度發(fā)生驟降、驟升的情況，使得水梁在較大熱應力的影響下產生疲勞應力裂紋[11]。

由此可知，在實際生產中，應調整軋鋼廠的生產計劃，保證加熱鋼坯的規(guī)格變動維持在較小區(qū)間，以此防止加熱爐的爐溫出現大范圍波動。

2 爐底步進機構發(fā)生故障

2.1 升降缸爬行

液壓缸是加熱爐中的驅動裝置，是爐底機械的一部分，它連接于斜軌座與升降框架之間，驅動活動梁上升到固定梁的等高位托起鋼坯，繼續(xù)升高到最高位，平移一定距離后，帶動活動梁下降到等高位，將鋼坯放到固定梁上繼續(xù)下降到最低處再后退到原位使活動梁完成一個步進周期。但液壓缸的爬行狀態(tài)會造成升降框架和活動梁發(fā)生振動、升降液壓缸活塞桿表面出現劃痕等故障[12-13]，這些異常會大大降低加熱爐的工作壽命。

液壓缸的爬行故障主要指其在工作過程中出現運動、停止相互交錯的運動狀態(tài)。造成此故障的原因主要有以下幾點：

(1)液壓缸有桿腔和無桿腔中的氣體在液壓油的高壓作用下會使其體積發(fā)生不規(guī)律變化，體積的不均勻變化會直接造成活塞運動速度出現波動；對此可使液壓缸反復運動排除腔內多余氣體，避免在正常工作時出現爬行故障。

(2)液壓缸平穩(wěn)運行主要是依靠其內的密封件與內部接觸面維持穩(wěn)定的接觸壓力。但在油壓不穩(wěn)的情況下會造成摩擦力發(fā)生變化而使液壓缸運行速度發(fā)生波動，造成這一故障的原因主要是其硬度和跟隨性不滿足要求。對此可在工況允許的條件下采用聚四氟乙烯作為組合密封圈，如常用的格萊圈、斯特封等。

2.2 墊塊脫落

由上文可知，為保護水梁和防止板坯出現“黑印”，在沿水梁長度方向安裝有墊塊，但其在加熱段和均熱段經常出現墊塊脫落的情況，對出鋼速度造成影響，影響步進的周期。

墊塊的脫落會造成水梁上部形成凹凸區(qū)域，在此范圍內的板坯易出現頭尾下彎的狀況，這種變形的鋼坯在前進的過程中容易造成四周墊塊大范圍刮落，這不僅造成坯料的跑偏問題，而且極易在出鋼端造成擁擠，導致大量坯料無法順利出鋼。這種坯料堆積的故障除了會刮傷出料輥道外，而且會擾亂軋機的軋鋼節(jié)奏，造成坯料被軋機軋廢的故障，直接導致被迫停爐檢修，大大降低了生產效率。而且脫落的墊塊可能掉入水封槽中，造成水封槽漏水或者裙罩損壞，導致爐內吸入冷氣，無法保證板坯的加熱質量[14-16]。

面對這種情況并結合前文墊塊導致水梁漏水的情況，需謹慎考慮給出一個比較均衡的解決方案，為避免再次因焊接應力造成水梁疲勞破壞，可以選擇在距離水梁出鋼端2 m處將墊塊材質改為Cr25Ni20Si2，加大與水梁的焊接面積，并嚴格制定焊接流程，采用直流、短弧焊接并使用A407焊條，將電流控制在130A左右，在焊接工藝上采取分層多次焊接的方式，并且在焊接完成后，盡可能對焊縫進行射線探傷，嚴格驗收流程，以保證焊縫無質量缺陷。

2.3 坯料底面有劃痕

在步進式加熱爐的生產過程中，有時可階段性地檢查到成品鋼材有軋疤和線紋缺陷，而且其位置比較統一，為避免坯料浪費，需要對此現象進行分析，進而對此缺陷進行改善。

朱軍等研究人員為找到其原因所在，將軋制前的坯料進行了翻轉，發(fā)現軋后仍然在對應的表面上存在疤痕，所以可以肯定是加熱爐內部造成了這種現象的發(fā)生，通過停爐檢修可以發(fā)現在水梁耐熱墊塊的上部零星分布著堅硬的凸起物，形似瘤子。通過取樣觀察可以發(fā)現其物質主要是鐵的氧化物如：Fe2O3、Fe3O4、FexO和硅酸鹽，而鐵在氧化物的作用下會經歷Fe-FexO-Fe3O4-Fe2O3的過程，氧化物的積累使其體積逐漸增大，體積膨脹后在其表面產生微裂紋，氧化氣體沿裂紋進入結瘤與鐵進一步反應直至瘤狀物因體積過大而破碎，但個別鋼種含Si、Ca等物質，這些金屬單質在加熱過程中會形成硅酸鹽等雜質，由于它熔點低，所以它也會以熔融態(tài)沿著裂紋進入，附著在氧化鐵表面，從而阻止氧化鐵的氧化，這些氧化物不能繼續(xù)氧化使體積膨脹破壞，最后就會留在墊塊表面形成堅硬的瘤狀物體，在墊塊接觸到坯料的時候，對坯料的下表面或者棱角位置造成啃傷傷害，損壞鋼坯的質量，從而被迫停爐檢查，影響生產進度[19-20]。

針對這種情況，可以采取多種方式去除結瘤：

(1)調節(jié)加熱爐內部氧化氣體的濃度。增加加熱段、均熱段的氧化氣體濃度，加強高溫段的氣場擾動，使氧化氣體更容易進入裂紋中，讓氧化鐵可以得到充分的反應，加快其氧化膨脹破損的速度，進而減少結瘤情況的發(fā)生。這種富氧反應不但會因氮氧化物產量增加污染環(huán)境而且會加重坯料表面氧化鐵皮的生成，使弊大于利。

(2)降低出鋼溫度。目前軋機開扎溫度一般在1 150～1 200 ℃，對于軋制工藝簡單的鋼坯，可以將其出爐溫度降低50 ℃左右，溫度的降低可以通過減少硅酸鹽等物質的熔融從而使結瘤情況減少。

(3)定期調節(jié)裝鋼的行程和步距，使坯料在爐內的位置發(fā)生變化，減少墊塊與坯料的接觸時間，從而減少結瘤的發(fā)生。

(4)定期修理。利用檢修的空閑時間將加熱爐的加熱段空出，使耐熱墊塊上的氧化結瘤物與氧化氣體充分反應形成Fe2O3產物，進而使氧化物體積變大，使表面氧化物破裂脫落。

(5)定期對結瘤的氧化鐵進行人工鏟除。

考慮到生產成本、生產時間和其他故障因素，對于這些措施，比較推薦(2)和(3)兩種方法。

3 水封槽

步進式加熱爐的密封部件主要依靠水封槽，水封槽能否以正常狀態(tài)運行決定了工廠整條生產線的穩(wěn)定與連續(xù)性。由于它的安裝與裙罩、刮渣板均有聯系，而且它的空間狹窄，工作環(huán)境惡劣，所以其維修成本非常高。由此可見水封槽的穩(wěn)定運行和日常維護是非常重要的。

3.1 水封槽漏水

水封槽隨水梁一起運動，完成上升、前進、下降、后退的周期運動，長時間周期性的步進運動會使水封槽發(fā)生破裂漏水的情況，嚴重時甚至要導致停爐檢修，這將對生產造成巨大的損失。

3.1.1 水封槽本體焊接處開焊開裂

水封槽一般采用分塊分段的方式焊接[21]，在長時間周期運動、液體腐蝕和爐溫急劇變化的條件下經常在焊口處出現開裂的狀況，所以要改善焊接工藝，在不影響正常使用的前提下，盡量減小殘余焊接應力以增加使用壽命。

3.1.2 刮渣板脫落

刮渣板不但可以連接、固定裙罩，還可以清理水封槽內形成的氧化鐵皮以保證水封槽的使用壽命。其連接處采用普碳鋼材料，在長期的運動和液體的腐蝕下會造成脫落，部分刮渣板與裙罩用螺栓的方式連接，在遇到其他剛性作用力時會加劇掉落的風險，而水封槽與墜物發(fā)生碰撞會使水封槽破壞漏水[21]，為避免水封槽破損可將刮渣板與裙罩在螺栓連接的基礎上用焊接的方式加固,或者選擇改變刮渣板的安裝位置，將其安裝在爐底槽鋼上，這種安裝方式相較來說更加牢固穩(wěn)定。

3.1.3 冷熱溫度變化影響

水封槽和裙罩的作用是封堵活動梁孔洞從而防止火焰外溢維持較低的溫度。若裙罩的間隙擴大或水封槽液面下降,加熱段和均熱段的高溫會使水封槽產生裂紋而破裂漏水。針對這種情況，可以更改裙罩構造由兩塊改為八塊，既可以減少裙罩損壞時的受損量，同時可以大大降低更換裙罩的工作強度,極大降低了對裙罩的維護難度[22]。

3.2 水封槽加水緩慢

有一部分加熱爐主要通過中部供水的方式為水封槽加水，這種方式由于垂直落差較小所以導致低水壓不能完全達到沖刷氧化鐵皮的目的而使水封槽漏水。為解決此故障可使管道在其頂部繼續(xù)向上延伸并加彎，以此增加水流沖刷氧化鐵皮的壓力，從而延長水封槽使用時間。

4 展望未來

雖然通過結構優(yōu)化可以提高加熱爐的工作壽命，但是現階段的主要問題仍然是對加熱爐出現故障的時機不夠敏感，不能在第一時間發(fā)現問題?？梢詫⒓訜釥t生產同數字孿生技術結合起來，通過數字化的模式在虛擬空間完成與實際生產的聯動，通過閉環(huán)信息交互完整地模擬實際的物理模型、行為模型并將加熱爐的工況實時反映到計算機中，通過對加熱爐運行過程中產生的數據進行整合計算完成對加熱爐的運行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷及預測，達到及時發(fā)現故障，減少維護成本的需求。

5 結 語

作為軋鋼廠最為重要的大型生產設備，步進式加熱爐的應用對整個行業(yè)的發(fā)展有不可或缺的影響，而爐底機械又是步進式加熱爐的核心部分，所以其使用壽命決定著加熱爐整體的生產效率。本文以故障的種類為切入點，總結了步進式加熱爐爐底機械常見故障的原因及對策，為工廠提供了有力參考，方便其有針對性地判斷加熱爐的故障并改進，對提高軋鋼廠的生產效率有極大的幫助。