陈思孟1，杨福恩2，彭熙鹏1，陈健宏1，冯学泽1，谢德惠1，叶家伟1（1.成都攀成钢冶金工程技术有限公司，四川成都610081；2.重庆赛迪工业炉有限公司，重庆400013）
摘要：根据安徽天大（集团）股份有限公司的生产要求，成都攀成钢冶金工程技术有限公司为其无缝钢管厂Φ140mm热轧无缝钢管机组设计了1座管坯环形加热炉。从炉体、燃烧系统、机械设备以及电气与仪表的自动化设计等方面详细介绍了该环形加热炉的设计情况。良好的运行情况表明，该环形加热炉的设计是成功的。
关键词：环形加热炉；工艺参数；炉体；燃烧系统；机械设备；自动控制
中图分类号：TG155.1%%文献标志码：B%文章编号：1001-2311（2011）02-0045-05
Design of Billet Rotary Hearth Heating Furnace
with18m Average Diameter
Chen Simeng1，Yang Fu’en2，Peng Xipeng1，Chen Jianhong1，Feng Xueze1，Xie Dehui1，Ye Jiawei1（1.Chengdu CSST Metallurgical Engineering Co.，Ltd.，Chengdu610081，China；
2.Chongqing CISDI Industrial Furnace Co.，Ltd.，Chongqing400013，China）
Abstract：A billet rotary hearth heating furnace is designed by Chengdu CSST Metallurgical Engineering Co.，Ltd.for theΦ140mm seamless steel tube hot-rolling plant located at Anhui Tianda（Group）Corp.，Ltd. Detailed in the article is the design of the furnace，involving the furnace body，the combustion system，the me-chanical equipment，and the automation related to the electrical and instrumental systems.The operation of the rotary furnace is satisfactory，which proves that the design of it is successful.
Key words：Rotary hearth heating furnace；Technological parameters；Furnace body；Combustion system；
Mechanical equipment；Automatic control
在无缝钢管生产中，环形加热炉是目前世界上用于管坯加热最多的工业炉炉型。与其他的加热炉型相比，它具有更适合加热圆管坯，加热时间短，加热温度均匀、质量好，加热管坯氧化烧损较少，操作灵活、机械化和自动化程度高等特点［1］。成都攀成钢冶金工程技术有限公司根据安徽天大（集团）股份有限公司无缝钢管厂Φ140mm热轧无缝钢管机组的情况，为其设计了平均直径18m的管坯环形加热炉。该炉于2004年12月投产至今，运行状况良好，为用户创造了良好的经济效益。现将该环形
加热炉的设计开发情况介绍如下。1环形加热炉工艺参数
平均直径18m的环形加热炉是为Φ140mm 热轧无缝钢管机组设计的，主要用于高压锅炉管、中低压锅炉管、石油油套管、汽车半轴套管、船舶用管、液压支柱管和结构管等管坯的加热，使用燃料为天然气。 其平面布置如图1所示。
工艺参数如下：
加热炉平均直径18m
炉底宽度4100mm
机械形式双层框架梯形结构
砌体内宽4468mm
装出料机夹角20°
布料方式长坯（L≥1640mm）单排布
陈思孟（1948-），男，高级工程师，勘察设计注册冶
金工程师，主要从事工业炉设计研究工作。
STEEL PIPE Apr．2011，Vol．40，No．2钢管2011年4月第40卷第2期
图1环形加热炉平面布置示意
料，短坯（L∧1640mm）双
排布料
布料角度2°和1.25°
加热管坯规格直径90～160mm（预留175
mm），长度1.2～3.6m，最
大单重600kg
管坯加热温度（1250～1280）℃±7.5℃
最快出料节奏150根/h
加热钢种10、20、45、J55、45Mn2、
N80、320、360、410、20G、
40Cr、Q345、09MnV、T91、
27SiMn、12Cr1MoVG、P110最大产量45t/h
年生产规模10万t
年有效作业时间5341h
天然气发热值8650×4.18kJ/m3
接点压力8000Pa
单位热耗1672kJ/kg
最大燃料消耗量2220m3/h（标准大气压下，
下文同）
最大空气消耗量23200m3/h（空气过量系数
α=1.05）
最大烟气量25440m3/h（空气过量系数
α=1.05）
空气预热温度450～500℃2炉体砌筑及燃烧系统的设计
2.1炉体砌筑
为了减少炉衬的热量散失，延长炉体使用寿命，应尽量减少砌筑维修量和耐火材料的消耗量，提高炉子有效作业率，因此对炉衬不同部位采用不同耐火材料砌筑。
（1）炉底。炉底砌筑从炉内向炉外依次为：低水泥浇注料（厚度192mm），粘土质耐火砖N-1（厚度204mm），粘土质隔热耐火砖NG-0.6（厚度136 mm），无石棉硅钙板（厚度60mm），石棉板（厚度10mm）。
吾乐乐
（2）炉顶。炉顶砌筑从炉内向炉外依次为：低水泥浇注料（厚度230mm），轻质浇注料（厚度70 mm），磷酸盐珍珠岩砖（厚度60mm）。
（3）炉墙。炉墙砌筑从炉内向炉外依次为：粘土耐火浇注料（厚度270mm），粘土质隔热耐火砖NG-0.6（厚度114mm），无石棉硅钙板（厚度120 mm），硅酸铝耐火纤维毡LYGX-153（厚度20mm）。
（4）烟道（从烟道内向烟道外）。烟道顶：粘土砖N-2a（厚度232mm），红砖（厚度490mm）。烟道墙：粘土砖N-2a（厚度232mm），硅藻土砖（厚度232mm）。烟道底：粘土砖N-2a（厚度136mm），硅藻土砖（厚度204mm）。
2.2燃烧系统
燃烧系统由天然气平焰烧嘴、助燃空气系统、
STEEL PIPE Apr．2011，Vol．40，No．2
加热一段总量
供热段32.6100
供热百分比/％
用气量/（m 3·h -1）
烧嘴能力/（m 3·h -1）
烧嘴富余能力/％
724900242200
2760
24
加热二段43.6968120024均热段23.852866025加热一段总量
供热段烧嘴数量/个每个烧嘴能力/（m 3·h -1）
烧嘴型式
外、中、内环各4个85（8个），55（4个）TP2型，炉顶布置54
2760
加热二段外、中、内环各8个55（16个），40（8个）TP2型，炉顶布置均热段外、中、内环各6个
40（12个），30（6个）
TP2型，炉顶布置
天然气管道系统（含氮气吹扫和天然气放散系统）和排烟系统组成。
1）天然气平焰烧嘴分配
该环形加热炉的供热由不设烧嘴的预热段，设
烧嘴的加热一段、加热二段和均热段几部分组成。
平均直径18m 的管坯环形加热炉的供热能力和各段热量分配情况见表1，加热炉的平焰烧嘴的设置见表2。
表1环形加热炉供热能力及各段热量分配
表2环形加热炉平焰烧嘴的设置
2）助燃空气系统
北京庙会标王助燃空气系统由助燃风机（带进口百叶窗调节阀）、空气预热器、空气管道系统等组成。
（1）助燃风机一备一用。选用9-19No14D 型
离心通风机，风压11771Pa ，风量25916m 3/h ，
Y315s-4型电机132kW ，在风机出口设置一个手
动蝶阀。
（2）空气预热器采用高效节能型带插入件的管状对流式换热器。其特点是预热温度稳定，换热效率高。
空气预热器设计参数：预热空气量23200m 3/h ，烟气量25440m 3/h ；空气进预热器的温度20℃，出预热器的温度450～500℃；烟气进预热器温度
700～850℃，出预热器温度450℃；空气侧阻力损失2145Pa ，烟气侧阻力损失80Pa 。
（3）空气管道系统包括从助燃风机出口到各烧
嘴前的管道。从助燃风机出口的管道接至预热器冷风口，由预热器将冷风预热至450～500℃后，由热风总管分配到各供热段对烧嘴提供助燃风。
热风总管上设有测压点、测温点、热风放散系统、防爆阀和膨胀节；各段热风管上设有流量孔板、流量自动调节阀、膨胀节和防爆装置；烧嘴前热风支管设置有手动高温碟阀和膨胀节。所有热风管路均采取隔热措施，使管道外表面温度符合安全
和环保要求。
3）天然气管道系统
天然气管道系统包括从环形加热炉炉前接点到烧嘴前的所有天然气管道。
主天然气管路上设置有自动切断阀、压力调节阀各1套，用于天然气的紧急切断和调压；各段天然气支管上设置有流量孔板和天然气自动调节阀（带切断）各1套，用于各段天然气流量的测量和调节；烧嘴前天然气支管上设置球阀1个，用于烧嘴前天然气切断。环形加热炉天然气管路系统设置有安全吹扫和放散系统，在事故状态、停炉和开炉前对天然气管路进行吹扫和放散，确保系统安全。整个吹扫和放散系统设置有手动阀门、排水装置和取样装置。
4）排烟系统
排烟系统由空气预热器、烟道调节阀、掺冷风装置、烟道和钢筋混凝土烟囱组成，烟囱开口直径为1.8m ，高70m 。
3炉体设计
3.1炉体结构
炉体主要由型钢和钢板焊接而成，由30号组合槽钢（内、外环立柱）、6mm 钢板（炉壳）、14号组合槽钢（内、外环圈梁）和32号组合槽钢横梁（架
陈思孟等：平均直径18m 的管坯环形加热炉设计
上网电价钢管2011年4月第40卷第2期
设于内、外环圈梁上）组成，横梁下翼缘设有吊挂锚固梁。
3.2平台
炉体设内外环状走台，走台标高0.95m，借助它观察炉内坯料与炉内火焰；借助标高3.39m 平台手动操作炉顶烧嘴；借助内环标高3.74m的平台对各加热、均热段的自动碟阀和流量孔板进行维护。环形
加热炉还设有地下内外通道，通道在外环18～19柱和外环2～3柱间设有出入口。所有平台采用钢格板，以满足散热、通风和便于观察的要求，平台间均有梯子连接。设计内环标高为3.74m 的钢平台时，采用了给混凝土厂房立柱加抱箍的做法。
3.3炉门
赫冀成该环形加热炉设有装出料炉门各1座，扒渣炉门5座（内环2座，外环3座），检修门1座，窥视孔22个（外环18个，内环4个）。装出料炉门为上下升降式，由耐热铸铁铸造而成，炉门规格为696mm×700mm，内侧有锚固件，并用低水泥浇注料浇注成内衬；检修门用于环形加热炉检修时的人员出入和物料运送，在烘炉时架设烘炉烧嘴。炉门规格为750mm×1011mm，为减少热损失，该炉门在加热炉正常运行时用耐火砖干砌封住。
3.4炉墙及给排水
在转动炉底与固定的炉墙间设置内、外环缝（内环缝为66mm，外环缝为130mm），并采用水封槽密封。水封槽安装在内、外环立柱上，水封刀安装在活动炉底上，并随炉底一起转动。在水封刀底部装有刮渣板，可将水封槽内的沉渣刮到水封漏斗处，以便于定时清渣。
给排水分为内、外环水封槽密封给排水，隔墙水梁冷却给排水和炉门（含铁砖）冷却给排水。其中，内、外环水封槽密封给排水为浊环水，其余均为净环水，水压0.4Pa，出水温度≤47℃。
4机械设备设计
4.1炉底机械
环形加热炉的炉底机械主要由上、下部钢结构装配，定心装置，托辊装置和驱动装置组成。上、下部钢结构装配连接后的纵向截面为一梯形结构，其下部内、外环腿分别安在内圈托辊和外圈托辊上，外圈腿的侧面按要求围绕圆周固定有一排等距离的销齿轴，用于炉底机械的驱动；内圈腿的向心一侧为定心辊的滚动面，借助于定心辊的调整，可保证整个环形加热炉底相对于中心的位置不变。上部钢结构砌有耐火材料，需加热的管坯放在耐火材料表面，随炉底机械作圆周运动并进行加热。上部钢结构内外环侧面与炉底可组成水冷密封槽，防止热量向下辐射，以保护下面的炉底驱动装置和托辊。
整个炉底设置了3套主传动，主传动电机通过三环减速机带动销齿轮转动，再拨动炉底外侧的销齿轴使炉底回转一定的角度。炉底由54个用锻钢制成的带锥度的支承辊支承，炉底下层钢架内侧环分布着18个定心辊装置，完成炉底定心。驱动支座结构为铰接式，通过气缸调整销齿轮与销齿轴的间隙。
炉底主要参数：转速6.49r/h，名义直径回转线速度0.102m/s，托辊直径420mm，定心辊直径300mm。
4.2装出料机及炉门提升装置
装出料机为电动小车配置液压夹钳结构，用于运送待加热和已加热好的管坯进出炉。炉门提升装置为电动卷扬传动环型链结构。
4.3润滑系统
采用1套电动集中润滑站，对装出料炉门提升装置、炉底转动机械和装出料机等设备的各润滑点进行自动集中脂润滑。
5电气与仪表自动化设计
5.1电气自动化
炉底传动及装出料炉门升降均不调速，采用电动机控制中心（MCC）供电。助燃风机也由MCC供电，一台运行，另一台备用。烟道换热器前烟气掺冷风风机由MCC供电。MCC主回路为交流380V，控制回路为交流220V。采用国产GGD型低压配电柜。
根据工艺要求，环形加热炉控制为基础自动化控制加HMI工作站，单机PLC自动控制。基础自动化控制系统的主要功能是控制炉底传动（可正反转）和装出料炉门的升降。
工业电视系统的主要功能是监视环形加热炉装出料口的装出料情况。
5.2仪表自动化
1）基础自动化
（1）炉膛温度的控制。采用双交叉限幅控制。
STEEL PIPE Apr．2011，Vol．40，No．2
由空气孔板检测，经过空气差压变送器的空气流量值乘以一个比例值，作为空气流量的实际值（PV 1）；由天然气孔板检测，经过天然气差压变送器的天然气流量值乘以一个比例值，作为天然气流量的实际值（PV 2）。PV 2和阀位信号（MV ）相比较，选大值作为空气流量的设定值（SP 1），SP 1与PV 1的偏差（Δp 1）的绝对值经过PID 运算，输出一个阀位信号（MV 1），来调节空气调节阀的开度大小；PV 1和
MV 比较选小值作为天然气流量的设定值（SP 2），SP 2与PV 2的偏差（Δp 2）的绝对值经过PID 运算，输出一个阀位信号（MV 2），来调节天然气调节阀的开
度大小，从而控制炉膛温度。
（2）炉压自动控制。其一次仪表测压仪为炉压计，安装在环形加热炉的均热段。经压力变送器给出电信号到烟闸电动执行机构，推动烟闸转动，调节烟气，从而实现炉压控制。
（3）热风压力和流量的自动控制。采用风机进口百页窗调节阀对鼓风机进行压力和流量调节，从而实现对热风压力和流量的自动调节。
（4）安全连锁。该环形加热炉设计了热风和天然气压力低，燃气压力高，热风温度超高，进换热器前烟气温度超高，供水压力低以及停电等自动切断天然气阀的连锁功能，确保安全运行。
2）HMI 工作站
该环形加热炉的仪表自动化控制系统是一个集监视、操作、管理为一体的综合性数字化系统。操作人员通过鼠标和键盘设定温度控制曲线或调用电脑内的控制模块即可实现自动操作和监控，以满足热处理工艺要求。运行过程中的参数通过内部存储或打印机打印，保存数据。所有检测信号都可在
CRT 显示器上显示，有的信号还可报警、记录和累计等。上位机还采用了UPS 不间断电源。
人机操作界面主要包括：系统总貌、报警总貌、分段显示、控制回路和实时趋势界面。
6主要设计特点与节能措施
6.1设计特点
（1）按传统的做法，当环形加热炉建好后，会
在转动炉底的上表面洒一层薄薄的镁砂，以防止红坯与炉底粘连。该设计则在环形加热炉转动炉底的上表面（相对于边沿砖上沿低若干厘米）平铺一层较厚的镁砂，使圆管坯放下时压出固定凹槽，解决了圆管坯在移动加热中的窜位问题。
（2）在环形加热炉偏中心位置设计独特的空、煤气集气罐。炉用气体的主管道从集气罐引出，在炉顶平面形成简洁美观的放射状管网，减少了炉前管路的沿程阻力与局部阻力。
（3）全炉炉衬设计成用耐火锚固件锚固的整体浇注复合保温结构，大大加强了该炉的抗热震与抗机械振动的能力，其使用寿命由一般环形加热炉的
3～5年提高到10年。6.2节能措施
（1）采用独特设计的高效空气预热器。当环形加热炉正常工作时，可将助燃空气预热至450～500℃，可回收余热20％～25％，大大降低了燃料消耗。
（2）采用全平吊顶炉顶结构，全炉顶设置平焰
烧嘴辐射加热，具有燃烧效率高，加热速度快，温度均匀等特点，而且火焰不直接冲刷管坯，减少了烧损，可节约天然气10％～15％。
（3）采用了基础自动化加上位机系统的先进自动化控制，精确控制炉温，严格控制炉内气氛，使加热的管坯获得优良的质量，并可降低热能损耗
析氢腐蚀3％～5％。
7结语
设计的平均直径18m 的环形加热炉经过6年多的正常运行，各项技术指标均达到了设计要求，为用户创造了良好的经济效益。这表明该环形加热炉的设计是成功的。
8参考文献
［1］殷国茂.中国钢管飞速发展的10年［C ］.成都：四川科
学技术出版社，2009.
（收稿日期：2010-10-25）
东周刊事件陈思孟等：平均直径18m 的管坯环形加热炉设计
钢管2011
年4月第40卷第2期
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