在线板坯加热炉设备设计.doc

在线板坯加热炉设备设计一、设计依据在线板坯加热炉，即为热轧提供足够轧制温度的板坯，实现 “在线”与“离线”两个工位的横移功能（即一机两位）。在线板坯加热炉的加热方式，为穿管式螺旋电阻丝加热，炉膛内的等阻值电阻丝横向平行地均布于炉顶和炉底。在线板坯加热炉的炉子形式，为炉内辊传动的游动加热的辊底炉。在线板坯加热炉设计依据参数：板坯规格，宽度10601560mm厚度10100mm， 150250mm长度300010000mm， 18003000mm钛合金TC4材料的密度4510kg/mP3PTC4单件最大重量0.251.5634510=5277kg加热温度，最高1200炉膛内温度控制，分6区控温炉膛内加热升温，速度300/h（空炉状态）炉膛内温度，均匀性5（保温2小时之后测温）炉外壳钢板温度，温升40（即温升=实测温度值-环境温度）炉门封面板温度，温升50（即温升=实测温度值-环境温度）炉内辊辊面标高，+0.900m二、设备基础2.1 炉体横移机构基础2.1.1 横移轨道尺寸轨道型号与规格：轨道P43尺寸A140 B114 C70 D14.5米重44.653kg/m轨道面安装标高：-0.784m(此标高为以车间地坪平面0.000m基准的相对标高)轨道单根安装：长度6660mm，数量8根，总长度53280mm轨道重量：单根重约295kg，总重约2360kg轨道成品件：4根12m+1根6m裁分组合46.66m和45.34m+41.32m (余量720mm)2.1.2 基础坑尺寸坑内纵向尺寸：在线工位侧壁跨距13450mm，离线工位侧壁跨距14950mm坑内横向尺寸：空间宽度8650mm基础坑内地面标高：-1.330m最大深度：-1.530m(面积800mm1400mm)2.1.3 基础预埋件U轨道安装预埋件U：预埋螺栓M22(每根螺栓带3个螺母)，螺栓根数176，螺母个数528轨道钢垫板1290310(带2个23孔)，钢垫板块数88轨道(P43)压板件数176，8mm厚防震胶垫件数88(1块钢垫板+1片防震胶垫+2件压板+6个螺母，与2根M22螺栓合为一组件)轨道安装调整后，基础进行二次灌浆，灌浆层为100mmU焊接件安装预埋件U：预埋钢板12100800，数量12件（用于电缆桥架的焊接）预埋钢板12500940，数量1件（用于拖链连板的焊接）预埋钢板1260500，数量2件（用于光电限位块的焊接）U电缆穿管预埋件U：预埋镀锌管76.13.5单根长约14m，数量12根（用于动力/控制电缆的穿管）2.2 现场操作台基础现场操作台置于车间地坪平面（标高0.000m）上，用膨胀螺钉紧固定位。U电缆穿管预埋件U：预埋镀锌管76.13.5单根长约17m，数量3根（用于操作台控制电缆的穿管）三、横移车架炉体横移车架，由驱动车轮系、被动车轮系、车体焊接架、电缆拖链、接近开关，及其电控系统等组成。技术参数：横移车架速度(max)15m/min车轮直径400mm炉体、车架、轨道及坯料总重约600kN3.1 驱动车轮系驱动车轮共有四件组，安装于车架，每组由一台380V4kW50Hz1500rpm4极三相异步的变频调速减速电机驱动，四台减速电机由一套18.5kW变频器同时控制传动。驱动车轮为双凸缘边导向的内键轴轮，材料ZG45。轴承为双列圆锥滚子轴承352214E d70 D125 B74 C61.5，每车轮由二个352214E轴承及其轴、轴承座、支座等组成。轴承的润滑为油脂，由轴承座油杯注入（油枪加油）。车轮驱动数据的计算：一个车轮驱动所需克服的摩擦力 6000000.074=10500N一个车轮传动所需输出的扭矩 10500(0.42)0.97=2165Nm车轮转速 15(3.140.4)=11.94rpm传动速比 1500(1-3.3%)11.94=121.48，则速比择取115.6一个车轮驱动所需功率 21651500(9550115.6)=2.94kW减速电机参数选择 380V-3kW-50Hz-1500rpm-4-(R92-2430Nm-115.6)一个车轮传动实际输出最大扭矩 95503115.61500=2208Nm2165Nm50Hz时车轮电机转速 60s50Hz(1-3.3%)2=1450rpm车轮横移速度 3.140.41450115.6=15.754m/min=262.5mm/s1Hz时 车轮电机转速 60s1Hz(1-3.3%)2=29rpm车轮横移速度 3.140.429115.6=0.315m/min=5.2mm/sU车轮横移电机执行频率U：a）快速行走速度15m/min=250mm/s行程3400mm所用的时间13.6sec执行频率f=(15/(3.140.4)115.6(2/(60(1-3.3%)=47.59Hzb）减速行走速度1.5m/min=25mm/s行程100mm所用的时间4.0sec执行频率f=(1.5/(3.140.4)115.6(2/(60(1-3.3%)=4.76Hzc）横移总行程3500mm所需时间17.6sec3.2 被动车轮系被动车轮共有四件组。被动车轮为无缘边的内轴承轮，材料ZG45轴承为圆柱滚子轴承NJ214E d70 D125 B24，每车轮由二个NJ214E轴承及其轴、轴座、支座等组成。轴承的润滑为油脂，由轴端油杯注入（油枪加油）。3.3 车体焊接架车体焊接架，是用200工字钢、200槽钢、12mm厚钢板结合焊接。结构架上方为12mm厚配合面板，下方为16mm厚固定车轮机构焊接平板。支撑车轮处的横梁为双工字钢梁。3.4 电缆拖链电缆拖链为钢制坦克链式，链节总长度3800mm。3.5 接近开关接近开关为金属探头型接近开关，规格MST12-输出DC3线-电压24V-检测距离4mm，共4个接近开关。功能分别为：横移至在线工位的减速L1和停止L2、横移至离线工位的减速L3和停止L4。四、炉体机构炉体机构，由炉体钢构、炉体耐火层、炉门、炉内辊及激光限位检测仪、加热电阻及热电偶传感器，及其电控系统等组成。技术参数：炉膛宽度1960mm炉膛长度13000mm炉内辊游动速度(max)50m/min炉内辊间距600mm炉内辊规格180mm2310mm壁厚30mm炉门升降速度(max)15m/min4.1 炉体钢构炉体钢构是用型钢和钢板进行焊接，型钢作为炉体框架支撑，钢板作为炉壁封面板，炉体为整体焊接结构。4.1.1 炉底钢构架炉底钢构架用160工字钢、160槽钢布置焊接，用12mm厚三角钢板做防扭筋支撑，两根均布主横梁之间用63等边角钢拉固。构架底部与横移车架之对应处焊接12mm厚配合平面板，支撑配合平面板共30处，均分布置，单块面板的面积为200mm200mm。构架上部封板用8mm厚钢板双面焊接。4.1.2 炉侧钢构炉侧钢构架用120槽钢、120方钢管布置焊接，在相应之处的方钢管局部位置上钻25mm穿线孔。构架侧封板用6mm厚钢板双面焊接，在内侧面板接缝（和吊耳）处焊接660拉筋板。侧封板所有的孔洞均为等离子火焰切割。侧板与底板直角接缝上间断焊接200mm长的50等边角钢。4.1.3 炉顶钢构炉顶钢构架用160槽钢布置焊接，吊耳处横梁为双筋梁。构架下部封板用6mm厚钢板双面焊接，顶板与侧板直角接缝上间断焊接200mm长的50等边角钢。炉顶预留2个检修孔，检修孔尺寸2400mm1480mm，为30方锥贴合面。炉顶检修孔盖板用140槽钢与6mm厚钢板焊接，盖板与孔形面完全贴合。4.1.4 炉口面板炉口面板是用整块20mm厚钢板（尺寸1815mm2755mm）切割炉口窗，在窗口四周等距切割3mm伸缩缝（缝长100mm、70mm）。炉口面板与炉底、炉侧、炉顶钢构进行双面焊接，在四周的内直角接缝上间断焊接200mm长的50等边角钢。4.2 炉体耐火层炉体耐火层使用保温纤维板、保温砖、耐火砖、耐火纤维折叠块等进行组合，用耐火粘结剂进行严密粘结。订制的耐火材料有炉内辊孔砖、电阻丝孔砖、炉口砖、纤维折叠块等。炉底与炉侧筑砖均为成品标准耐火砖（厚65mm宽113mm长230mm）。4.2.1 炉底耐火层炉底耐火层的厚度为400mm，组合材料从下往上依次为二层粘土保温砖、二层高温保温砖、二层高温耐火砖。4.2.2 炉侧耐火层炉侧耐火层的厚度为400mm，组合材料从外往里依次为二层保温纤维板、一层高温保温砖、二层高温耐火砖。炉内辊孔砖的耐火厚度为345mm，为订制高温耐火砖。电阻丝孔砖的耐火厚度为345mm与113mm，为订制高温耐火砖。4.2.3 炉口耐火层炉口耐火层的厚度为345mm，为订制高温耐火砖。炉口下壁耐火层的厚度为305mm，组合材料从外往里依次为一层保温纤维板、一层高温耐火砖。4.2.4 炉顶耐火层炉顶耐火层的厚度为394mm，为订制高温耐火纤维折叠块。4.3 炉门炉口由下框耐热板、侧与上框钢板、内部加强板、面板、面板保温棉、高温耐火纤维折叠块等组成。炉门升降机构由变频调速蜗杆减速电机、链传动、索引卷扬副、限位开关等组成。两个索引卷扬轮由键连接安装在一根连杆通轴上，两端支撑的轴承为球轴承6308 d40 D90 B23；轴承的润滑为油脂，由轴承座油杯注入（油枪加油）。二个炉门分别由一台380V1.1kW50Hz1500rpm4极三相异步变频调速蜗杆减速电机，经链减速索引卷扬驱动，二台减速电机由一套2.2kW变频器同时或单独控制传动。炉门重量350kg索引卷扬轮直径250mm滚子链条：双排链链号16A（节距P=25.4mm，滚子直径dB1B=15.88mm，内节内宽bB1B=15.75mm，排距Pt=29.29mm，动载强度12700N）滚子链轮：小链轮齿数zB1B=17，分度圆直径dB1B=25.4(sin(180/17)=138.23mm炉门升降驱动数据的计算：卷扬轮驱动所需克服的重力 35010=3500N卷扬轮传动所需输出的扭矩 3500(0.252)0.97=451Nm卷扬轮转速 15(3.140.25)=19.11rpm传动速比 1500(1-3.3%)19.11=75.90，则速比择取iB1B=36.35，iB2B=2.06，iB0B=74.88大链轮齿数 zB2B=172.06=35，分度圆直径dB2B=25.4(sin(180/35)=283.35mm链条所需克服的拉力 451(0.283352)=3184N9550N小链轮传动所需输出的扭矩 3184(0.138232)=220Nm一个炉门提升驱动所需功率 4511500(955074.88)=0.95kW蜗杆减速电机参数选择 380V-1.1kW-50Hz-1500rpm-4-(S62-395Nm-36.35)一个炉门提升传动实际所输出的扭矩 95501.174.881500=524Nm451Nm50Hz时提升电机转速 60s50Hz(1-3.3%)2=1450rpm炉门提升速度 3.140.25145074.88=15.201m/min=253.3mm/s1Hz时 提升电机转速 60s1Hz(1-3.3%)2=29rpm炉门提升速度 3.140.252974.88=0.304m/min=5.0mm/sU炉门升降电机执行频率U：a）快速提升速度15m/min=250mm/s行程500mm所用的时间2.0sec执行频率f=(15/(3.140.25)74.88(2/(60(1-3.3%)=49.32Hzb）减速提升速度1.5m/min=25mm/s行程85mm所用的时间3.4sec执行频率f=(1.5/(3.140.25)74.88(2/(60(1-3.3%)=4.93Hzc）提升总行程585mm所需时间5.4sec接近开关：接近开关为金属探头型接近开关，规格MST12-输出DC3线-电压24V-检测距离4mm，每个炉门共4个接近开关。功能分别为：入口炉门上升的减速L5和停止L6、下降的减速L7和停止L8；出口炉门上升的减速L9和停止L10、下降的减速L11和停止L124.4 炉内辊及激光限位检测仪炉内辊由空心耐热钢辊、轴承及轴承座、联轴器、变频调速减速电机、激光限位检测仪，及其电控系统等组成。4.4.1 空心耐热钢辊空心耐热钢辊为组装焊接件，分别有传动端辊头及其防辐射隔热棉、30mm厚壁钢套辊身、自由端辊头及其防辐射隔热棉。厚壁钢套，材料ZG40CrB28BNiB48BWB5BSiB2传动端及自由端辊头，材料ZG1CrB18BNiB9BTi空心耐热钢辊共21根，第1根与第2根、第20根与第21根间距为650mm，第2根至第20根每两根的间距为600mm。4.4.2 轴承及轴承座高温轴承6214CE及轴承座SN214组件共42套。轴承的润滑为油脂（二硫化钼高温润滑脂），由轴承座油杯注入（油枪加油）。4.4.3 联轴器联轴器GCL2（弧齿形），轴孔型为J1，共21组套。联轴器与电机轴键连接，M10螺钉进行轴向固紧。联轴器与空心耐热钢辊传动端辊头轴键连接，M12螺钉进行轴向固紧。4.4.4 激光限位检测仪激光限位检测仪，即一种对射式可见激光装置，作用是坯料游动加热时遮光即坯料返向游动，安装于炉口端内（每炉口端一套，分别为LT1和LT2，共两套），用于控制坯料在炉内“坯料游动”时的行程末端电机传动的换向。“坯料游动”时，检测仪信号发送至PLC系统，由PLC输出传动方向，使炉内辊传动电机准确地执行传动指令。激光限位检测仪，选用美国BANNER公司产品。4.4.5 变频调速减速电机及其电控系统每根炉内辊由一台380V1.5kW50Hz1500rpm4极三相异步减速电机驱动，21台电机由一套37kW变频器同时控制传动。每根炉内辊所承载最大的坯料重量 (0.251.5634510)5=1056kg一根炉内辊驱动所需克服的摩擦力 1056100.15=1584N一根炉内辊驱动所需输出的扭矩 1584(0.182)0.97=147Nm炉内辊转速 50(3.140.18)= 88.46rpm传动速比 1500(1-3.3%)88.46=16.40，则速比择取17.08一根炉内辊驱动所需功率 1471500(955017.08)= 1.35kW减速电机参数选择 380V1.5kW-50Hz-1450rpm-4-(R42-290Nm-17.08)一根炉内辊传动实际输出最大扭矩 95501.517.081500=163Nm147Nm50Hz时炉内辊电机转速 60s50Hz(1-3.3%)2=1450rpm炉内辊辊面速度 3.140.18145017.08=48m/min=800mm/s1Hz时 炉内辊电机转速 60s1Hz(1-3.3%)2=29rpm炉内辊辊面速度 3.140.182917.08=0.96m/min=16mm/sU炉内辊传动电机执行频率U：a）入炉频率30Hz速度24m/min=400mm/s坯料长度1800mm(+炉口过渡1000mm)入炉时间7.0sec坯料长度10000mm(+炉口过渡1000mm)入炉时间27.5sec执行频率f=(24/(3.140.18)17.08(2/(60(1-3.3%)=25Hzb）游动速度6m/min=100mm/s坯料长度1800mm单程9760mm游动所用的时间97.6sec坯料长度10000mm单程1560mm游动所用的时间15.6sec执行频率f=(6/(3.140.18)17.08(2/(60(1-3.3%)=6.25Hzc）出炉速度48m/min=800mm/s坯料长度1800mm(+炉口过渡1000mm)出炉所用的时间3.5sec坯料长度10000mm(+炉口过渡1000mm)出炉所用的时间13.8sec执行频率f=(48/(3.140.18)17.08(2/(60(1-3.3%)=50Hz炉内辊传动电控系统控制线路图：说明：炉内辊的21台电机M同时启动，分正、反两方向旋转。该电机的风机F功率30W转速2600rpm为三相380V50Hz供电。4.5 加热电阻及热电偶传感器加热电阻丝为圆丝螺旋圈形，套装于陶瓷管上，共144支，其中炉膛上层均布72支，炉膛下层均布72支，每上下对应的24支电阻丝（上层12支与对应的下层12支）为一个温度控制区，共有6个控温区。陶瓷管规格：外径55mm长度2480mm壁厚6mm炉膛加热控温元件组成：每个温度控制区主要由1支热电偶传感器、1台温度控制器、1台功率调整器（可控硅）组成。升温由数字量输入DI/输出DO，炉温由模拟量输入AI/输出AO，由PLC系统来控制，目的是获取稳定、准确的预设升温速度和工艺温度。电阻丝材质 6.5mm圆丝0CrB27BAlB7BMoB2B加热总功率 920kW每支电阻丝参数 6.4kW/95V/1.41电阻连接方式 每相4支电阻丝串联，三相“”连接每相功率 26.5kW电阻相电流 26500W380V=69.7A（工频50Hz）每区相功率 26.5kW2=53kW每区相电流 53kW380V=139.5A主路相电流 53kW6380V=837A五、电气控制系统5.1 电机速度调整的系统控制原理说明：变频调速电机为4极三相异步交流电机。炉体横移速度、炉门升降速度、炉内辊速度等执行的频率与速度数学模型：v=Dn/in=60f(1-s)/pf=(piv)/(60D(1-s)式中 f变频器输出的频率，Hzn给定频率的电机转速，r/minv辊或轮面线速度，m/mini机构总的速比D辊或轮直径，ms异步电机的转差率，%p电机旋转磁场的极对数圆周率，3.141592660每分钟（秒）5.2 在线板坯加热炉的电气系统控制原理5.3 炉体横移及炉门升降的系统控制原理5.4 坯料进炉、加热、出炉的系统控制原理5.5 电阻丝加热的系统控制原理说明：热电偶传感器传送电信号（热电势）至温度控制器，由温度控制器经运算后将调节指令（即加热功率百分比）发至功率调整器，功率调整器通过一定规律改变晶闸管的导通角，从而改变了电阻的加热功率。采用每控制周期的控制系统延迟(delay)总时间短的原理，来实现炉膛温度的均匀性。由温度控制器的运算来决定将要输出到电阻丝的功率百分比，使炉膛温度恰好抵消散热因素的影响而能够维持在工艺设定的保温温度。一个控制周期由N个采样周期组成，以第j个采样周期的开始作为基准，以采样周期Ts作为步长，建立温度控制数学模型：式中 V 炉内温度值，此值作为反馈量送往温度控制器C 热容，即加热体所能储存的热能值R 空气对流而散失的因子E 环境温度I 功率百分比d 加热时间延迟周期5.6 坯料游动的系统控制原理（1）建立坯料入炉、游动、出炉等控制的仿真图及数学模型从炉门D1进料，长度为L0坯料头尾部遮住LT1的时间为t0，游动速度为v，即有L0=vt0 式中 L0坯料长度，m坯料b点过LT1时，炉门D1立即降落t0坯料过LT1所有的时间，minv坯料游动速度，m/min（2）对炉膛内的坯料所游动途径适时的动漫仿真数学模型Si=11.56-vti式中 v坯料游动速度，m/minti坯料a