冷軋立式退火爐穩定密封裝置的設計與應用

劉赟赟，胡廣魁，劉益民

（1.寶鋼工程技術集團有限公司，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定輥型式。

冷軋薄帶鋼在充滿保護氣氛的連續退火爐中進行連續退火處理時，爐體及相連接設備和風道的密閉性水平，直接關系到產品的表面質量[1]。正常生產時，爐內充滿著由N2和H2混合且含氧低于5×10-4%的保護氣體，然而實際生產運行中，實測爐中HN混合保護氣體的含氧量一般要比爐內之前靜態檢測時高出許多。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，特別是在冷卻風機循環風道的吸風口處和風機主軸與蝸殼機械密封處容易產生負壓；另一方面，爐內爐外存在著極大的氧氣濃度差，爐內保護氣體氣氛的氧氣分壓幾乎等于零，而爐外一個標準大氣壓的情況下，空氣中的氧氣含量為21%，也是氧氣滲入爐內的主要動力[1]。滲入爐內的主要途徑就是爐子的入出口密封裝置,因此密封裝置的設計尤為重要。穩定密封輥使用后，與常規的密封輥相比，結構緊湊，在有限空間內實現穩定帶鋼和隔斷爐區氣氛的作用，一套設備起到穩定輥和密封輥的雙重作用，節約了設備投資。

2 立式退火爐穩定密封輥設計理念

（1）密封輥和穩定輥結構分析。密封輥用于隔斷大氣與爐內氣氛以及溫度、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。

穩定輥用于爐子緩冷段、快冷段和感應加熱器前，抑制帶鋼振動，避免表面與爐內設備發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，實際生產中穩定輥的負載波動一般在馬達功率的10%。

（2）穩定密封輥的計算分析。穩定密封輥的設計理念是：實際生產中穩定輥的負載波動一般在10%，穩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，設備體積就越緊湊，制造成本越低。

在保證穩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的數據。

圖2 密封裝置實驗模型

（3）張力放大效果。

圖3 15°包角張力放大

帶鋼經過主動輥后，張力值T1可以得到放大到T2：T2=T1*λ放大系數λ：

抵抗張力波動功率△P：

計算數據表如下：

表1 15°包角的穩定輥的張力放大能力

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

3 穩定密封輥的設計

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

圖4 輥室結構型式

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板焊接的框型結構件，靠近輥面處安裝紫銅耐磨板，與密封輥保持穩定的間隙以保證良好的密封效果，設定水套與爐輥面之間的間隙7mm。

圖6 三角套管零件圖

（3）輥子的結構型式。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，新設計的密封輥選定雙層輥，中間層為空氣層。這種結構可以消除輥身處熱變形應力，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，操作側保護環和傳動側保護環與保護套焊接成一體，傳動側保護環與輥身再焊接成一體，操作側保護環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向操作側的自由變形。密封輥的材料選擇也是本項目的關鍵。由于爐內環境溫度為800℃，為了防止材料在高溫下發生蠕變，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、保護環和球形塊都裸露在爐內，所以選用耐1150℃高溫的材料：Cr33Ni50W16；遠遠大于其使用溫度800℃。

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

圖 7 軸承座結構型式

（5）爐殼及底座整體結構型式。一體式底座設計，穩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整（輥子與三角密封板間隙和軸頭與膨脹節間隙）以及試運轉（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場安裝的工作量。

4 穩定密封輥的應用

該穩定密封輥裝置，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。按照設計要求，冷卻水流經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 結語

穩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℃高溫工況下穩定運行6個月，軸承無高溫和振動等異常，輥子運轉、開閉動作無故障，事實證明這套穩定密封輥的設計是成功的。