雙排布料步進式加熱爐平移框架的研究與實踐

李爭喜

（山西太鋼工程技術有限公司， 山西 太原 030009）

步進式加熱爐內鋼坯在步進過程中的橫向跑偏現象普遍存在。橫向跑偏過大會造成爐內鋼坯的掉落、爐墻損壞等事故，影響正常生產，所以控制鋼坯的橫向跑偏量顯得尤為重要。相關工程技術人員從步進梁的制造精度和施工工法等方面做了大量改進，起到了很好的使用效果。但對步進梁設備本體尤其是平移框架的剛度對步進梁跑偏影響研究較少。由于平移框架的懸挑結構、支撐水梁立柱高度等因素決定了其對鋼坯橫向跑偏的影響不容忽視，特別是在雙排布料式加熱爐中。

山西太鋼工程技術有限公司承攬國內某鋼廠雙排布料式板坯加熱爐改造項目，現場測量步進梁制造及施工精度均滿足國家及行業相關標準要求，但加熱爐滿載時橫向跑偏量達到300 mm。而且雙排滑道鋼坯均需向外側（爐墻方向）偏移，現場調整困難，嚴重影響正常生產。后經多次分析確定造成橫向跑偏量過大的主要原因是步進梁平移框架支撐位置不合理和剛度較弱。本文就雙排布料加熱爐平移框架進行受力分析。

圖1 步進梁平移框架裝配圖

圖2 步進梁平移框架受力簡圖

1 平移框架引起橫向跑偏原因分析

圖1為步進梁平移框架裝配圖，圖2為其平移框架受力簡圖，圖2中載荷P為單個承載立柱處所受載荷，點X為平移框架外伸懸臂受力點。

步進梁在爐內一直在空載和滿載兩種工況下循環往復運動。當步進梁從待命原點提升至等高位接近鋼坯前，此時平移框架X點轉角為0，立柱頂端位移量為0。當步進梁托舉鋼坯后，步進梁承受滿載鋼坯的質量載荷不可避免發生彎曲（如圖3）。X點截面轉角為θ，立柱頂端位移量為Δ。此后平移完成下降至等高位放下鋼坯前，由于載荷不變，X點截面轉角和鋼坯橫向跑偏量均不再發生變化。所以一個步距循環結束后，Δ即為鋼坯該步距橫向跑偏量。

圖3 步進梁承受滿載鋼坯的質量載荷彎曲圖

2 理論計算全爐長橫向跑偏量

根據材料力學中受靜載荷梁的變位計算公式以及疊加原理，可得橫向偏移量Δ:

式中：θ為平移框架在X點橫截面轉角，rad；H為支撐立柱上固定點距鋼坯下表面距離，m；E為平移框架材料彈性模量，Pa；I為平移框架受力點截面慣性矩，m4；n為裝料端至出料端鋼坯步距總數；Δ為每個步距鋼坯橫向跑偏量，m；Δ總為鋼坯全爐長橫向跑偏量，m。

需要說明如下：

1）雖然X點的轉角θ數據很小，但是支撐立柱長度很大（一般約4.5 m左右），且步進總步數很大，所以實際計算Δ總值不容忽視。

2）鋼坯的橫向跑偏量受與其接觸的X點和Y點共同作用形成，以上計算僅以懸臂部分受力X點計算鋼坯的橫向跑偏量以求安全。

3）由于計算中θ數據很小，支撐立柱彎曲變形力也很小，所以由于支撐立柱彎曲變形產生的橫向跑偏可以忽略不計，即默認支撐立柱為剛體。

4）式（3）中P取值按最不利情況下取值，即滿爐最大規格鋼坯載荷時單個支撐立柱的平均載荷值。實際生產中由于鋼坯規格的多變，絕大多數情況下爐內鋼坯載荷小于計算載荷值。

5）由于2）、4）原因計算橫向跑偏量略大于實際跑偏值，偏于安全。但安全的橫向跑偏值對相關工程技術人員仍具有很好的參考和借鑒意義。山西太鋼工程技術有限公司承攬項目中，理論計算橫向跑偏量378 mm，具體數據見表1。

3 平移框架引起的橫向跑偏改進措施

3.1 平移框架支撐點位置應布置合理

由公式（1）可知，當a=b時，轉角θ值最小，即平移框架支撐點位于單側滑道中心位置時，對控制鋼坯的橫向跑偏量最有利。滾輪中心與滑道中心重合對雙排布料步進式加熱爐尤其重要。另外a、b的取值越小，對減小鋼坯橫向跑偏量有利。

3.2 增大平移框架橫梁的截面慣性矩

由公式（1）可知，I值與轉角θ值成反比，提高平移框架橫梁剛度可以有效減小鋼坯的橫向跑偏量。在工藝尺寸允許的條件下，應盡可能增加距截面中性軸較遠處的材料量，具體措施有選用大截面型材、增大型材梁的高度、翼緣上焊接鋼板增加翼緣厚度、下表面增加立筋板等。

3.3 縮短支撐立柱高度

由公式（2）可知，H值與轉角θ值成正比。在滿足工藝尺寸情況下，減小支撐立柱長度可以減小鋼坯的橫向跑偏量。

4 現場實踐

在上述山西太鋼工程技術有限公司承攬項目中，經分析造成跑偏量過大的主要原因主要有兩點。

1）支撐點位置布置不合理。a=1.15 m；b=0.65 m；鋼坯中心與支撐點中心偏差250 mm。

2）平移框架橫梁剛度較小，外伸懸臂段彎曲下撓明顯，空載時測量下撓量達7 mm。

由于該項目為改造項目，支撐滾輪位置不易調整。結合現場實際，主要改造內容如下。

4.1 改造平移框架橫梁

在滿足工藝尺寸條件下原平移框架橫梁上焊接H型鋼，同時原橫梁下部增加立筋板，截面尺寸見圖4。此方案不僅縮短了支撐立柱高度，而且增加了橫梁的剛性，理論截面慣性矩由47 000 cm4增大至302 100 cm4，增大近6倍。

圖4 改造前橫梁截面示意圖/mm

圖5 改造后橫梁截面示意圖/mm

4.2 調整工藝尺寸

工藝尺寸調整，單側滑道活動梁間距由1800mm調整至1 450 mm，立柱支撐點距橫梁支撐點距離a和b均減小，由公式（1）可知，調整后可有效減小鋼坯橫向跑偏量。

項目改造完成后效果明顯，鋼坯橫向跑偏量由原先300 mm減小到40 mm。詳細改造對比數據見表1。

表1 項目改造完成后效果

5 結語

導致加熱爐橫向跑偏量大的原因很多，除步進梁制造和安裝精度等因素外，設備本身尤其是承載鋼坯的重要部件平移框架的合理設計也很重要。合理的載荷布置和剛度選擇可減小鋼坯橫向跑偏，提高生產效率。