单张极薄钢板连续热处理炉炉辊间距的计算_张荣明.pdf

辊底式连续热处理炉用于钢板、钢管、型钢和线材的退火、正火、淬火及回火处理。由于它功能多、热处理质量好、产量高，同时可以完全实现机械化和自动化控制，因而得到日益广泛的应用1。长期以来，单张、薄规格、高温钢板的炉内输送一直是困扰辊底式热处理炉能力发挥的技术难题之一。本文引入炉辊切入点和炉辊切入角概念，并通过钢板接触炉辊瞬间的几何关系，推导出炉辊切入角与钢板挠度、炉辊直径、辊间距的关系，建立理论计算模型，计算了高温钢板挠度及相应的炉辊切入点与炉辊切入角，为薄规格、单张钢板连续辊底式热处理炉辊间距、直径的选择提供依据。1连续辊底式热处理炉连续辊底式热处理炉分为明火加热辊底式热处理炉和保护气氛辊底式热处理炉两种。其中保护气氛辊底式热处理炉采用纯度为99.99%的N2作为保护气氛；全辐射管加热，自预热式烧嘴，脉冲燃烧控制；炉底辊采用变频电机单独传动，可实现灵活多变的速度控制，其结构形式如图1所示。连续辊底式热处理炉内输送辊由耐热钢空心辊收稿日期：2022-05-24作者简介：张荣明（1982），男，高级工程师，主要从事热过程仿真，钢板热处理线、合金棒材热处理线关键技术开发与工程项目实施工作.1.热处理炉本体2.进口密封室3.出口密封室4.炉底辊5.上辐射管加热器6.下辐射管加热器7.钢板图1保护气氛辊底式热处理炉结构示意图装料区域中间加热区域卸料区域254173N2N26单张极薄钢板连续热处理炉炉辊间距的计算张荣明（中冶南方（武汉）热工有限公司，湖北 武汉430223）摘要：为了确定炉辊间距指标，引入炉辊切入点和炉辊切入角概念，并通过钢板接触炉辊瞬间的几何关系，推导出炉辊切入角与钢板挠度、炉辊直径、辊间距的关系。通过建立理论计算模型，计算了高温钢板挠度及相应的炉辊切入点与炉辊切入角，为薄规格辊底式热处理炉辊间距的选择提供依据。关键词：极薄钢板；切入角；辊底式炉；辊间距中图分类号：TG155.1文献标识码：B文章编号：1001-6988（2023）01-0046-04Calculation of Roll Spacing of Continuous Heat Treatment Furnace forSingle Ultra-Thin Steel PlateZHANG Rongming（WISDRI（Wuhan）Thermal Engineering Co.Ltd.,Wuhan 430223,China）Abstract:In order to determine the furnace roll spacing index,the concepts of furnace roll cut inpoint and furnace roll cut in angle are introduced,and the relationship between furnace roll cut in angleand steel plate deflection,furnace roll diameter and roll spacing is derived through the geometric relation-ship of the moment when steel plate contacts the furnace roll.By establishing a theoretical calculation mod-el,the deflection of high temperature steel plate and the corresponding cut in point and cut in angle of fur-nace roll are calculated,which provides a basis for the selection of roll spacing of thin gauge roller bottomheat treatment furnace.Key words:ultra-thin steel plate;angle of entry;roller hearth furnace;roll spacing工 业 炉Industrial Furnace第45卷第1期2023年1月Vol.45 No.1Jan.202346工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月辊身、锥管和轴头组成，两端辊径内部填充耐高温纤维棉，有效避免炉辊热量传向轴承，延长其使用寿命。炉辊两端采用整体密封结构，密封部件包括法兰轴承、气密炉辊密封体、支撑结构和安全盖板，可以避免出现泄压，使炉子保持在理想工况下运行。2炉底辊及设计选型炉辊是辊底式热处理炉的关键部件之一，它关系到炉子的造价、生产、维修、能耗。通常，炉底辊参数包括结构参数、布置参数及性能参数，结构参数包括材质、辊径D、壁厚、辊身长度等，布置参数为辊间距L0，性能参数为单位炉长承载力F，如图2所示。2.1材质炉温是炉辊材质选择的主要依据，炉子实际的工作温度不得高于所选材料的最高工作温度。据有关资料介绍，炉温750 左右时，应选用Cr20Ni10钢作为辊身材料；炉温850 左右时，应选用Cr20Ni14钢；炉温900 左右时，选用Cr25Ni20Si2钢；炉温1 100 时，选用Cr28Ni48W5钢；对于综合性能要求较高的炉辊，一般选用Cr25Ni35Si2钢。2.2直径D炉辊直径选择要综合考虑载荷、工作温度、材料强度等因素，通过建立理论计算模型计算得来。表1为不同炉子用途情况下炉辊外径和壁厚参考值2。2.3壁厚炉辊的抗弯强度与炉辊直径、壁厚及材料高温强度有关。在炉辊直径、材料高温强度固定的前提下，炉辊的壁厚增加，辊子强度自然增加。但是，在高温状态下，壁厚增加引起炉辊自重负荷增加，进而削弱提高强度的效果；同时带来炉辊轴向热量传递增加、缩短轴承寿命、加工制造成本增加等一系列问题。2.4辊间距L0辊间距是辊底式热处理炉设计的关键参数之一，直接决定钢板在炉内能否安全输送，直接影响烧嘴布置、加热效率及项目投资等。对于薄规格钢板的连续热处理炉来说，处理产品的板宽较窄（2 130mm）、厚度较薄（2 mm，通常46 mm），炉辊载荷能力已经不是重点考虑的问题。钢板头部在自身重力的作用下，会发生挠度变形：温度越高、尺寸越薄变形越大，越接近输送辊（未接触）变形越大。当挠度变形大到临界值后，钢板将不能被下一根输送辊托起，而是避开炉辊直接穿到炉底，导致事故。因此，为了避免事故必须合理地确定辊间距。3炉辊切入点E与切入角为了便于表示，本文作者引入炉辊切入点E和切入角概念。如图3所示，当钢板头离开第N-1根炉辊后，继续向第N根炉辊行进，由于自身重力原因产生挠度CN，并于第N根炉辊在E点接触，这时将点E定义为炉辊切入点，将EBC定义为炉辊切入角。由于切入点E为第N辊辊子表面点，存在如下几何关系：（EN）2+（BN）2=（BE）2（1）又因为，BE=D/2，BN=D/2-CN，CN=W，EN=AB-ME=L0-L，故（L0-L）2+D2-W2=D2 2（2）式中：L0为辊间距，mm；L为钢板悬臂长度，mm；D为炉辊直径，mm；W为悬臂长度为L时，钢板的挠度，mm。可通过式（3）计算炉辊切入角：=arcsinL0-LD/2（3）由式（1）和式（2）可以看出，只要获得悬臂长度L和钢板挠度W的关系，便可求出钢板的炉辊切入点E和炉辊切入角。表1不同炉辊壁厚参考值炉子用途炉型形式炉内辊形式外径/mm壁厚/mm薄板直通式无水冷150170810立式无水冷4001 6001520钢管、型钢直通式无水冷1501702025中厚板直通式无水冷3004002530图2炉辊参数示意图钢板炉辊准DL0图3炉辊切入点E与切入角示意图钢板第N-2根炉辊第N-1根炉辊第N根炉辊DMADENCB47设计计算：单张极薄钢板连续热处理炉炉辊间距的计算4钢板挠度W由图3可知，当钢板头离开第N-1根炉辊后向第N根炉辊行进时的受力情况，可以假设为均布载荷q为自身重力下的悬臂梁结构，如图4所示。其挠度W按式（4）计算3。W=qL48EI（4）式中：q为载荷，N/m；E为弹性模量，MPa；I为惯性矩，mm4；I=ab3/12，a为钢板宽度，b为钢板厚度，mm；高温情况下的弹性模量E，通过表2计算4。图5为厚度3 mm的钢板在450、750、950 下，挠度与悬臂长度的变化曲线。可以看出，曲线通过零点，即当悬臂长度L=0时，挠度W=0；随着悬臂长度的增加，挠度成幂指数增加；在悬臂长度相等的情况下，随着钢板温度的增加，钢板挠度显著增加。图6为温度为950 时，厚度分别为3 mm、4mm、6 mm的钢板挠度与悬臂长度的变化曲线。可以看出，相同悬臂长度下，随着钢板厚度减小，钢板挠度增大。这是由于随着钢板厚度的增加，施加在钢板上的均布载荷q线性增加，而惯性矩则是3次方关系增加。5辊间距L0确定经验证明当切入角3540时，钢板能够被成功托起，并能保证正常运输。因此，通过计算该机组产品大纲中最小厚度钢板、最高工作温度下的钢板挠度W及切入角，并保证切入角3540，即可确定辊间距L0。以国内某机组为例，其处理的高强钢板厚度28mm，宽度9002 130 mm，加热温度900950。以直径155 mm炉辊，处理厚度为2 mm钢板，在950 时正常运行为例，计算辊间距分别为300 mm、350 mm、400 mm时，其与辊面接触的情况，如图7所示。钢板的切入角分别为31.3、41.8、54.1。若选用直径为155 mm炉辊，辊间距以300350 mm为宜。若选用直径170 mm炉辊，计算辊间距分别为300 mm、350 mm、400 mm时，其与辊面接触的情况，如图8所示。钢板的切入角分别为29.5、39.2、50.6。若采用直径为170 mm炉辊，辊间距以350 mm左右为宜。另外，通过对比两个算例可以看出：相同炉辊表2欧洲规范采用的高温下结构钢的强度和初始弹性模量折减系数钢的温度/屈服强度折减系数fyT/fy比例极限折减系数fT/fy初始弹性模量折减系数ET/E201.0001.0001.0001001.0001.0001.0002001.0000.8070.9003001.0000.6310.8004001.0000.4200.7005000.7800.3600.6006000.4700.1800.3107000.2300.0750.1308000.1100.0500.0909000.0600.037 50.067 51 0000.0400.025 00.045 01 1000.0200.012 50.022 51 2000.0000.0000.000图4均布载荷情况下悬臂梁模型示意图qL图5厚度3 mm的钢板，不同温度下挠度与悬臂长度的变化曲线图450 750 950 0100200300400500600100-10-20-30-40-50-60-70-80悬臂长度/mm挠度/mm图6温度为950 时，不同厚度钢板挠度与悬臂长度的变化曲线图100-10-20-30-40-50-60-70-80挠度/mm悬臂长度/mm3 mm4 mm6 mm010020030040050060048工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月挠度/mm挠度/mm直径情况下，辊间距越大，钢板切入点越往下，切入角越大，越不利于钢板输送；相同炉辊间距L0情况下，炉辊直径越大，切入角越小，利于钢板输送。6结论（1）引入切入点及切入角概念，可以比较真实、量化地描述钢板与炉辊接触情况，对辊间距、辊直径的选择提供理论计算依据。（2）在相同悬臂长度下，钢板挠度随钢板厚度增加而减小，随钢板温度增加而增加；在相同温度下，钢板挠度随悬臂长度增加而增加，随钢板厚度减小而增加，高温薄规格钢板炉内变形问题突出。（3）相同炉辊直径情况下，辊间距越大，钢板切入点越往下，切入角越大，越不利于钢板输送；相同炉辊间距L0情况下，炉辊直径越大，切入角越小，越利于钢板输送。（4）对于2 mm厚单张钢板，若采用直径155 mm炉辊，辊间距在300350 mm为宜；若采用直径170mm炉辊，辊间距可以选择350 mm及以上。参考文献：1汪爱群.辊底式炉炉辊设计中的几个问题分析J.安徽冶金，2004（3）：47-49.2李建国.辊底式炉无水冷炉辊的设计J.江西冶金，1999，19（2）：36-39.3范钦珊.工程力学：静力学和材料力学M.北京：高等教育出版社，1989：11.4代东亮，布欣，王新武.钢材高温下应力-应变曲线研究J.洛阳理工学院学报（自然科学版），2011，21（1）：14-18.（c）L0=400 mm图8直径为170 mm，不同辊间距情况下切入点对比图（a）L0=300 mm（b）L0=350 mm-100-80-60-40-2000-10-20-30-40-50-60-70-80-90挠度/mm悬臂长度/mm0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-80-60-40-200悬臂长度/mm挠度/mm-100-80-60-40-2000-10-20-30-40-50-60-70-80-90悬臂长度/mm0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-80-60-40-20悬臂长度/mm悬臂长度/mm悬臂长度/mm图7直径为155 mm，不同辊间距情况下切入点对比图（c）L0=400 mm（a）L0=300 mm（b）L0=350 mm0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-80-60-40-20挠度/mm0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-80-60-40-20挠度/mm00049