變容式臺車熱處理電阻爐的選型設計

吳家雷 姜賢文 王乃軍 張希剛 黃 旭 張小青

（山東聯友石化工程有限公司，濟南 250101）

山東聯友石化工程有限公司（以下簡稱公司）壓力容器制造主廠房及相應配套設施1994年建成，原有熱處理爐為2006年自制的第二臺燃油爐。置于5 m高處的柴油罐里的柴油利用自壓并通過風機送風實現混合燃燒，混合比由人工調節，在工作過程中經常冒黑煙，多次遭附近居民舉報，且設備嚴重老化，已不能滿足壓力容器熱處理的要求。2019年初，公司決定設計制作一臺新熱處理爐，與公司壓力容器制作配套，同時作為壓力管道工廠化預制焊口，兼用于設備、管道的襯里烘干。

1 熱處理爐選型設計需要考慮的因素

1.1 選型設計需要考慮的主要因素

熱處理爐選型設計主要需要考慮加熱方式、爐膛尺寸及需要的有效長度。

加熱方式主要考慮是選擇燃氣爐還是電加熱。燃氣爐相對制作成本較低，氣候對爐子影響較小，可置于室外。但是，要增加專用燃氣輸送管線，且接入手續和在界區以外的管線維護是一個問題，同時不可能保證在“升溫—恒溫—降溫”全過程近10 h甚至更長時間的操作過程中全部達標排放。此外，燃燒過程中難免存在硫化物和水，使得對處理要求較高的熱處理工件受限。電爐制作成本高，主要設備必須置于室內，但易于維護，而且容易提高溫度控制的自動化程度，最關鍵的是沒有污染物的排放。綜合各方因素，最終決定采用電加熱。

對于爐膛截面尺寸及需要的爐體有效長度而言，如果從滿足產品整體熱處理的角度出發考慮，爐膛截面越大越好，長度越長越好。從節能的角度出發，結構應盡可能緊湊。此外，產品長途運輸也需要考慮。依據公司2015—2018的4年制作容器產品規格的統計數據，95%的產品直徑不大于2.4 m，長度不大于24 m，35%以上的產品長度不大于9 m。為最大限度節約能源，可以部分采用變容結構，以調節能耗。考慮到高速公路橋涵限高在5.5 m左右，除去車輛本身高度，直徑應小于4.5 m。

綜合上述因素，為適應壓力容器產品大型化的發展趨勢，熱處理爐規格初步確定為25 m 3.6 m 3.6 m，變容操作模式，一次最大熱處理容器產品不大于100 t。即使少量超出處理能力的產品，也可以采用局部熱處理或內部加熱法進行焊后熱處理的方式進行。

1.2 熱處理爐安裝的位置

第一種方案是搭建鋼結構廠房，將整個熱處理爐包括臺車軌道置于其中。這種方案需要的廠房凈高高度不小于5.5 m，長度不小于45 m，寬度（含操作室）不小于10 m，總面積近500 m2，需要100 t以上的行車才能充分發揮熱處理爐的能力。該方案除了需要額外的投入外，新建鋼結構廠房的環評也存在不確定性，是否能夠通過和需要等待多長時間通過都需要考慮。

第二種方案是利用現有廠房，只將熱處理爐置于廠房，臺車軌道延伸到廠房外面。這種方案的優點是不必再建廠房，節省了投資，能充分利用公司多輛300 t及以下大型吊車的優勢，但帶來了在熱處理過程中臺車防雨的問題。

最終確定第二種方案，并為臺車另外設計制作一臺可移動式防雨棚。

1.3 電力配套設施

供電企業能夠單獨提供6 kV專線，最大負荷為2 000 kW。需要從約800 m外的外電網通過地下電纜溝用電纜接入新設變電站，通過2臺1 000 kV變壓器，由6 kV轉換成400 V作為熱處理爐電源。

2 熱處理爐總體布局、配套及核心部分

熱處理爐總體布局包括熱處理爐-行走軌道及機構-可移動式防雨棚（A）、集中控制室（B）和變電站（C）共3大部分，平面布置詳見圖1?？刂茪飧椎膲嚎s空氣來源于公司現有的空壓站，最大壓強為0.8 MPa，滿足使用要求，并通過管道接入0.8 m3緩沖罐。熱處理爐的核心包括主體部分和控制部分。

圖1 熱處理爐總體布局（單位：mm）

3 主體部分設計

3.1 加熱溫度要求

常用碳鋼和低合金鋼的熱處理類別分為低于下轉變溫度的消除應力熱處理和高于上轉變溫度的正火熱處理[1]，且達到滿足要求溫度區間的最低值分別確定為不小于600 ℃[2-3]和不小于890 ℃（鋼材正火加熱溫度）。此溫度也能夠滿足碳素鋼和合金鋼消除應力熱處理的要求[4]。很少有900～1 000 ℃的不銹鋼固溶、穩定化處理，若有需要，可以通過外委渠道完成。

3.2 升溫降溫控制要求

當焊件升溫至400 ℃后，加熱范圍內升溫速度不超過5 500/δ℃·h-1（這里δ指焊后熱處理厚度[5]）且不應超過220 ℃·h-1，加熱速度不小于55 ℃·h-1。

當焊件溫度在400 ℃以上時，加熱范圍內降溫速度不超過7 000/δ℃·h-1，且不應超過280 ℃·h-1，冷卻速度不小于55 ℃·h-1[5]。

3.3 加熱的均勻性及測量

熱處理爐有效加熱區的爐溫均勻性一般為±10 ℃、±15 ℃、±20 ℃，因此一般的消應力熱處理和正火熱處理±20 ℃即可滿足要求。

焊件升溫過程中，加熱4 600 mm范圍內的任意長度的溫差不得大于140 ℃。保溫期間，加熱范圍內最高溫度與最低溫度之差不得大于80 ℃。爐體外表面溫度不宜高于60 ℃。

最終確定熱處理爐主要控制指標如表1所示。

3.4 變容實現方式

從平面布置出發，熱處理爐的各種工況見圖2，包括處理工件裝填狀態、雨雪天工作狀態以及正常工作狀態等。

3.5 熱處理爐本體關鍵部位設計

可變容式臺車熱處理電阻爐主體由爐體鋼結構、保溫材料、爐門及爐門升降系統、臺車及臺車驅動系統、可移動式后墻機構、密封元件、爐體加熱元件、降溫系統以及可移動式防雨棚9個部分組成。

3.5.1 爐體

爐體為全鋼結構，在爐側墻中間高度位置對應各區開熱電偶孔，用于控制爐溫均勻性。爐門框護板采用耐熱鑄鐵RQTSi5，用于防護爐內襯體，同時與爐門形成有效的軟硬貼合式嚴密密封。爐頂設置有散熱孔，確保滿足工件降溫時的工藝要求。

表1 熱處理爐主要控制指標

圖2 熱處理爐各種工況

3.5.2 保溫材料

前1節9 m爐膛采用250 mm標準型硅酸鋁纖維模塊和50 mm普通型硅酸鋁纖維毯，后2節各8 m爐膛采用200 mm標準型硅酸鋁纖維模塊和100 mm普通型硅酸鋁纖維毯。

3.5.3 爐門及爐門升降機構

爐門及爐門升降機構，見圖3。爐門鋼架采用大型型鋼制作，有足夠的強度和穩定性，且關鍵位置設置有防護裝置，以增加抗碰撞能力。襯體采用耐火纖維折疊塊制作。爐門的驅動采用“電動葫蘆+滾子鏈”傳動的垂直上下移動方式[7]。爐門運行設有雙上下行程開關和極限限位開關，確保爐門動作安全可靠。爐門壓緊方式為斜面導向自重壓緊，在爐門下降到位后，爐門纖維與爐門框及爐門框纖維壓緊，使爐門纖維與爐門框護板及纖維緊密貼合，形成良好的密封效果，操作簡單，維護方便。

3.5.4 臺車及臺車牽引機構

臺車由車架、車面鋼板、車輪、耐火砌體以及臺車行走機構等組成。臺車鋼結構采用大型型鋼和厚鋼板焊接而成。它由型鋼焊接成具有橫梁、縱梁交錯的框架結構，上鋪鋼板，需確保鋼性和耐熱強度在滿負荷承載情況下滿足要求，承載能力大于滿負荷的30%，且確保長期使用不變形。臺車襯體耐火材料采用復合砌筑結構，底部為高強輕質保溫層，中部為輕質耐火磚和高鋁耐火磚，周邊為高強度邊框磚結構。中部砌有承重帶，便于工件、墊鐵的安裝、擺放。承重帶間砌筑有安裝加熱元件的溝形槽。臺車襯體安裝加熱元件的溝形槽上部覆有耐高溫爐底板，材質為ZG3Cr18Mn12Si2N，總厚度不小于25 mm，在950 ℃的高溫下長期使用不變形、不燒損、不開裂?？紤]到爐膛變容時臺車的具體位置及爐門與臺車前端面的密封情況，在變容分段對應臺車的部位，臺車襯體砌筑有預成型高強度耐火磚擋墻，確保爐膛分段的使用效果和爐門的密封效果。臺車采用自行走結構形式，安裝在臺車底部的減速機通過鏈輪、鏈條驅動臺車上的走輪帶動臺車的進爐與出爐。走輪成對布置，運行平穩、可靠。傳動裝置由具有制動功能的減速機、鏈輪對和走輪組成。臺車行走通過減速機、鏈輪以及套筒滾子鏈驅動走輪行駛，保證臺車運行安全、可靠與平穩。臺車行走的兩端極限處設有行程開關限位和機械限位，杜絕出現超行程行走的現象。臺車驅動采用變頻控制，在臺車進到位前設置減速位，可有效防止由于臺車的運行慣性而撞擊爐體后部。該機構滿足臺車行走速度6～8 m·min-1的要求。

3.5.5 可移動式后墻機構

可移動式后墻機構安裝在臺車后部，由全纖維襯體、鋼結構外殼及支撐框架組成。后墻鋼結構采用鋼板、型鋼焊制，既保證了爐門的剛度和強度，又使得爐門實現了輕型化。后墻鋼架制作時采用大型型鋼制作，具有足夠的鋼強度和穩定性，且關鍵位置設置有防護裝置，可增加抗碰撞能力。考慮到后墻隨臺車前后運行動作，其必須具有足夠的強度和剛性，因此在鋼架一側設置有型鋼支撐框架?？蚣苡纱笮托弯摵附佣?，具有足夠的強度，保證了可移動后墻的整體強度和剛性?？梢苿雍髩χ苓叞惭b有耐高溫鑄件防護板，材質RQTSi5，厚度均不小于20 mm，以確保爐門在受熱烘烤情況下不變形，具有充足的使用壽命。

圖3 爐門結構圖（單位：mm）

3.5.6 密封

這里的密封主要指爐體與臺車的側密封、爐體與可移動式后墻的密封以及爐門與爐體的密封。爐體與臺車的側密封，如圖4所示。采用氣缸頂升推動杠桿帶動纖維密封盒壓緊在爐體和臺車兩側的密封刀上，使密封刀插入密封盒中的纖維內形成嚴密的密封。爐體與可移動式后墻的密封，如圖5所示。該密封為周邊式密封結構，需保證后墻移動時不會損壞側墻上的電熱元件。為保證可移動后墻與側墻及爐頂內襯具有足夠的安全距離，采用外壁式周邊密封棉盒擠壓密封結構?？梢苿雍髩ν鈧戎苓呍O置有密封盒，通過氣缸進行伸縮來控制密封盒的密封與松開。密封盒均設置有導向機構，保證密封盒在密封壓緊時形成雙向擠壓密封，從而達到最佳的密封效果。爐門與爐體的密封，主要通過結構和自重實現。

3.5.7 降溫系統

降溫系統由安裝在爐頂的多套散熱裝置實施。該裝置由散熱筒、密封蓋及氣缸等組成。在設備運行熱處理工藝時，該裝置密封蓋為閉合狀態。當需要運行降溫工藝時，密封蓋通過氣缸驅動打開，使爐內的熱氣通過散熱孔溢出，同時打開爐體與臺車的側密封機構，使爐膛內形成有效的冷熱空氣對流狀態，從而實現熱處理工藝的降溫工藝要求。該套機構可手動控制按鈕，根據變容和各區段的溫控需要，實施降溫區間對應的單獨控制。

圖4 爐體與臺車側密封（單位：mm）

圖5 爐體與可移動式后墻密封（單位：mm）

3.5.8 爐體加熱元件

加熱元件采用高溫電阻合金材料的電阻帶加工成波紋狀結構，分別安裝在爐體兩側、爐門、可移動后墻及臺車底面5個面上，共分12/8/4個控溫區進行布置。電阻帶采用專用模具加工制作，確保在加工時不受損傷。

電阻帶安裝采用專用高溫陶瓷螺釘固定的結構形式，安裝方便，維護、更換快捷，與爐外殼絕對不會形成熱短路而引起爐外殼局部過熱現象。安裝時，在纖維墻面與電阻帶之間隔有陶瓷墊圈，以保證纖維面不與電阻帶直接接觸，從而增加電阻帶的發熱效果。陶瓷螺釘和墊圈均采用高鋁質材料在高溫下燒結成型，保證其有足夠的強度和使用壽命。

加熱元件共分12、8、4等多個控溫區進行布置。為了更好地保證爐溫均勻性，充分考慮了電熱元件的合理分區和布置。

3.5.9 可移動式防雨棚

防雨棚長為18 m，能夠將17 m長的臺車置于其中，見圖6。在防雨棚側面對稱配置4臺減速機組，用0.4 kW 8級電機作為動力驅動，運行速度不大于10 m·min-1。電纜通過滑線與電機保持連接。此外，通過遙控器同步控制4臺電機的啟動和速度調節。

4 控制系統

4.1 系統簡介

控制系統由供電系統、溫度控制系統、溫度記錄系統、上位機和連鎖保護系統組成。上位機系統（包括工控機、打印機等）設置在集中控制房。大功率加熱控制柜（PLC、智能溫度控制儀、變頻器、大功率調節器及動作控制系統）及操作箱（包括遙控器），設置在爐體現場。爐前設置操作箱，進行爐門升降、臺車進出操作，也可以由遙控器控制。每節爐子單獨配置電度表，電度表具有自控系統，方便記錄每爐電耗。上位機和PLC、智能溫度控制儀（包括智能溫度控制儀和智能溫度檢測儀）實現RS-485通信，并預留接口，可以連接以后需要擴展的爐子。上位機（工控機）采用西門子Wincc7.3中文板組態軟件，串口通信協議為RS-485。

4.2 控制系統組成單元技術

控制系統組成單元包括系統供電控制、溫度控制、動作控制、上位機控制及安全聯鎖保護5個部分。

4.2.1 系統供電控制組成單元

系統供電控制組成單元，如表2所示。經核算，熱處理爐工作時最大用電負荷為1 800 kW，外網動力電通過3 120銅電纜到達2臺1 000 kV變壓器，將6 kV變到400 V，接入2臺電源柜，給整個系統供電和斷電[8]。電源柜同時連接12面配電盤，每面配電盤配置DW15型大功率斷路器，具有過流、過壓及短路等保護功能。每4面配電盤給1節臺車加熱元件提供電源，根據需要可選擇4、8、12面盤操作的模式。供電系統邏輯關系如圖7所示。

圖6 防雨棚

表2 系統供電控制組成單元

4.2.2 溫度控制系統

溫度控制由大功率斷路器、大功率接觸器、調功器和加熱電流指示等組成。每個控制溫區的功率控制回路由斷路器、接觸器和調功器組成。它主要實現以下功能：每溫區加熱功率有一體化的三相調功器進行加熱功率的自動控制，且接收智能溫控儀表信號，以實現每區溫度的PID自動控制，用于過壓、過流和過熱保護；每溫區設置一臺斷路器實現供電和斷電，并有過流、過壓和過熱保護功能；每區設置一只超溫保護接觸器，避免調功器發生短路時溫度已不受儀表控制，此時可通過超溫保護監控儀表使接觸器斷開，實現超溫保護功能，且可以在應急的情況下實現控溫；配備自動空氣開關和快熔器作二級保護，保證調功器的正常運行，減少對電網的污染；各組電熱元件設置電流表、電壓表及電熱元件的通斷指示；具有通電聯鎖保護和安全接地措施，保證使用安全；采用“雙獨立”原則，即溫度控制與報警分別獨立，超溫故障發生時能自動切斷加熱器電源，并具有聲光色報警功能；溫度控制采用智能溫度控制儀表PID控制方式，PID則由智能溫度控制儀來實現；每溫區溫度控制儀表可以編制熱處理工藝（可以編制40條程序曲線，每條曲線最多可以分20程序段，加熱過程全程可編程控制）；每溫區除智能控溫度儀表外，還設置一只監視儀表（采用日本島電SR3型號的控制儀表），并具有超溫保護作用；每區設置一只大功率接觸器，當產生超溫問題時，接觸器切斷加熱功率供電回路，確保處理工件及設備的安全；溫度記錄采用一臺無紙溫度記錄儀記錄爐膛溫度。

4.2.3 動作控制系統

動作控制系統由PLC自動完成，實現其相應的動作控制和聯鎖保護控制，包括爐膛的分段、臺車進出、爐門升降、加熱啟動停止、超溫保護以及各種聯鎖保護控制。爐門的升降、爐車的進出等動作時，將與電加熱系統通電聯鎖保護。臺車通過變頻器控制，以緩解對啟動系統的沖擊，并使工件平穩運行。臺車進出、爐門升降行程均有限位開關保護。

4.2.4 上位機控制系統

上位工控機作為系統操作界面，能直觀顯示當前設備的運行情況，包括各區的溫度、功率輸出及報警信息等。輸出方式有文字、數據、棒圖以及曲線圖等。上位工控機可以以曲線圖形方式設定工藝參數，一次下發后系統自動按照工藝要求完成整個工藝過程，并可實時采集記錄溫度和功率數據。編制界面包括系統全貌界面、熱處理工藝編制界面、過程溫度棒圖界面、參數設置界面、故障報警管理界面以及安全管理界面等。

圖7 供電系統邏輯關系

4.2.5 安全聯鎖保護系統

安全聯鎖保護系統實現以下功能：在加熱進行過程中無法進行臺車的動作；爐門的升降與電加熱系統通電聯鎖保護，只有全部到位，爐體、爐底電熱元件才能通電，確保操作安全；臺車移動的極限位置設有保險限位機構；只有當爐門升起到最高位、臺車密封放松到位時，才能進行臺車的進出；儀表柜、爐體都有安全接地措施，保證使用安全；電熱元件供電接頭處裝有安全防護罩板；過流、過壓和短路保護；調功器設置過壓、過流、過熱保護；超溫保護；斷偶保護；操作密碼保護；安全接地保護；安全措施。安全措施主要包括3部分。首先，系統設計配置現場故障聲光報警和上位機聲光報警，保證出現故障后能第一時間發現。各組發熱元件設置電流表、電壓表及電熱元件通斷指示和切斷裝置，具有電器與各機械動作的連鎖保護功能并可靠安全接地，保證設備的使用安全。其次，爐門與爐車聯鎖，爐門未升到頂時限制爐車啟動，防止發生工件及爐車沖撞爐門。最后，超溫報警。

5 應用效果

2019年一季度考察到2020年初投用，至今2年。系統運行平穩可靠，控制精度高，達到了節能的目的。運行2年的部分能耗數據統計如表3所示。

表3 部分能耗數據統計結果

6 結語

熱處理爐的制作并不復雜，但制作過程中由于構件比較大，不能在密閉環境中實施噴丸除銹，為此自制并應用了一種噴砂除銹的除塵裝置，即采用沙子與水混合除銹，避免大量揚塵，已獲得國家實用新型專利授權。此外，設計制作的臺車防雨棚獲得國家實用新型專利授權。