在線板坯加熱爐設備設計.doc

在線板坯加熱爐設備設計一、設計依據(jù)在線板坯加熱爐，即為熱軋?zhí)峁┳銐蜍堉茰囟鹊陌迮?，實現(xiàn) “在線”與“離線”兩個工位的橫移功能（即一機兩位）。在線板坯加熱爐的加熱方式，為穿管式螺旋電阻絲加熱，爐膛內的等阻值電阻絲橫向平行地均布于爐頂和爐底。在線板坯加熱爐的爐子形式，為爐內輥傳動的游動加熱的輥底爐。在線板坯加熱爐設計依據(jù)參數(shù)：板坯規(guī)格，寬度10601560mm厚度10100mm， 150250mm長度300010000mm， 18003000mm鈦合金TC4材料的密度4510kg/mP3PTC4單件最大重量0.251.5634510=5277kg加熱溫度，最高1200爐膛內溫度控制，分6區(qū)控溫爐膛內加熱升溫，速度300/h（空爐狀態(tài)）爐膛內溫度，均勻性5（保溫2小時之后測溫）爐外殼鋼板溫度，溫升40（即溫升=實測溫度值-環(huán)境溫度）爐門封面板溫度，溫升50（即溫升=實測溫度值-環(huán)境溫度）爐內輥輥面標高，+0.900m二、設備基礎2.1 爐體橫移機構基礎2.1.1 橫移軌道尺寸軌道型號與規(guī)格：軌道P43尺寸A140 B114 C70 D14.5米重44.653kg/m軌道面安裝標高：-0.784m(此標高為以車間地坪平面0.000m基準的相對標高)軌道單根安裝：長度6660mm，數(shù)量8根，總長度53280mm軌道重量：單根重約295kg，總重約2360kg軌道成品件：4根12m+1根6m裁分組合46.66m和45.34m+41.32m (余量720mm)2.1.2 基礎坑尺寸坑內縱向尺寸：在線工位側壁跨距13450mm，離線工位側壁跨距14950mm坑內橫向尺寸：空間寬度8650mm基礎坑內地面標高：-1.330m最大深度：-1.530m(面積800mm1400mm)2.1.3 基礎預埋件U軌道安裝預埋件U：預埋螺栓M22(每根螺栓帶3個螺母)，螺栓根數(shù)176，螺母個數(shù)528軌道鋼墊板1290310(帶2個23孔)，鋼墊板塊數(shù)88軌道(P43)壓板件數(shù)176，8mm厚防震膠墊件數(shù)88(1塊鋼墊板+1片防震膠墊+2件壓板+6個螺母，與2根M22螺栓合為一組件)軌道安裝調整后，基礎進行二次灌漿，灌漿層為100mmU焊接件安裝預埋件U：預埋鋼板12100800，數(shù)量12件（用于電纜橋架的焊接）預埋鋼板12500940，數(shù)量1件（用于拖鏈連板的焊接）預埋鋼板1260500，數(shù)量2件（用于光電限位塊的焊接）U電纜穿管預埋件U：預埋鍍鋅管76.13.5單根長約14m，數(shù)量12根（用于動力/控制電纜的穿管）2.2 現(xiàn)場操作臺基礎現(xiàn)場操作臺置于車間地坪平面（標高0.000m）上，用膨脹螺釘緊固定位。U電纜穿管預埋件U：預埋鍍鋅管76.13.5單根長約17m，數(shù)量3根（用于操作臺控制電纜的穿管）三、橫移車架爐體橫移車架，由驅動車輪系、被動車輪系、車體焊接架、電纜拖鏈、接近開關，及其電控系統(tǒng)等組成。技術參數(shù)：橫移車架速度(max)15m/min車輪直徑400mm爐體、車架、軌道及坯料總重約600kN3.1 驅動車輪系驅動車輪共有四件組，安裝于車架，每組由一臺380V4kW50Hz1500rpm4極三相異步的變頻調速減速電機驅動，四臺減速電機由一套18.5kW變頻器同時控制傳動。驅動車輪為雙凸緣邊導向的內鍵軸輪，材料ZG45。軸承為雙列圓錐滾子軸承352214E d70 D125 B74 C61.5，每車輪由二個352214E軸承及其軸、軸承座、支座等組成。軸承的潤滑為油脂，由軸承座油杯注入（油槍加油）。車輪驅動數(shù)據(jù)的計算：一個車輪驅動所需克服的摩擦力 6000000.074=10500N一個車輪傳動所需輸出的扭矩 10500(0.42)0.97=2165Nm車輪轉速 15(3.140.4)=11.94rpm傳動速比 1500(1-3.3%)11.94=121.48，則速比擇取115.6一個車輪驅動所需功率 21651500(9550115.6)=2.94kW減速電機參數(shù)選擇 380V-3kW-50Hz-1500rpm-4-(R92-2430Nm-115.6)一個車輪傳動實際輸出最大扭矩 95503115.61500=2208Nm2165Nm50Hz時車輪電機轉速 60s50Hz(1-3.3%)2=1450rpm車輪橫移速度 3.140.41450115.6=15.754m/min=262.5mm/s1Hz時 車輪電機轉速 60s1Hz(1-3.3%)2=29rpm車輪橫移速度 3.140.429115.6=0.315m/min=5.2mm/sU車輪橫移電機執(zhí)行頻率U：a）快速行走速度15m/min=250mm/s行程3400mm所用的時間13.6sec執(zhí)行頻率f=(15/(3.140.4)115.6(2/(60(1-3.3%)=47.59Hzb）減速行走速度1.5m/min=25mm/s行程100mm所用的時間4.0sec執(zhí)行頻率f=(1.5/(3.140.4)115.6(2/(60(1-3.3%)=4.76Hzc）橫移總行程3500mm所需時間17.6sec3.2 被動車輪系被動車輪共有四件組。被動車輪為無緣邊的內軸承輪，材料ZG45軸承為圓柱滾子軸承NJ214E d70 D125 B24，每車輪由二個NJ214E軸承及其軸、軸座、支座等組成。軸承的潤滑為油脂，由軸端油杯注入（油槍加油）。3.3 車體焊接架車體焊接架，是用200工字鋼、200槽鋼、12mm厚鋼板結合焊接。結構架上方為12mm厚配合面板，下方為16mm厚固定車輪機構焊接平板。支撐車輪處的橫梁為雙工字鋼梁。3.4 電纜拖鏈電纜拖鏈為鋼制坦克鏈式，鏈節(jié)總長度3800mm。3.5 接近開關接近開關為金屬探頭型接近開關，規(guī)格MST12-輸出DC3線-電壓24V-檢測距離4mm，共4個接近開關。功能分別為：橫移至在線工位的減速L1和停止L2、橫移至離線工位的減速L3和停止L4。四、爐體機構爐體機構，由爐體鋼構、爐體耐火層、爐門、爐內輥及激光限位檢測儀、加熱電阻及熱電偶傳感器，及其電控系統(tǒng)等組成。技術參數(shù)：爐膛寬度1960mm爐膛長度13000mm爐內輥游動速度(max)50m/min爐內輥間距600mm爐內輥規(guī)格180mm2310mm壁厚30mm爐門升降速度(max)15m/min4.1 爐體鋼構爐體鋼構是用型鋼和鋼板進行焊接，型鋼作為爐體框架支撐，鋼板作為爐壁封面板，爐體為整體焊接結構。4.1.1 爐底鋼構架爐底鋼構架用160工字鋼、160槽鋼布置焊接，用12mm厚三角鋼板做防扭筋支撐，兩根均布主橫梁之間用63等邊角鋼拉固。構架底部與橫移車架之對應處焊接12mm厚配合平面板，支撐配合平面板共30處，均分布置，單塊面板的面積為200mm200mm。構架上部封板用8mm厚鋼板雙面焊接。4.1.2 爐側鋼構爐側鋼構架用120槽鋼、120方鋼管布置焊接，在相應之處的方鋼管局部位置上鉆25mm穿線孔。構架側封板用6mm厚鋼板雙面焊接，在內側面板接縫（和吊耳）處焊接660拉筋板。側封板所有的孔洞均為等離子火焰切割。側板與底板直角接縫上間斷焊接200mm長的50等邊角鋼。4.1.3 爐頂鋼構爐頂鋼構架用160槽鋼布置焊接，吊耳處橫梁為雙筋梁。構架下部封板用6mm厚鋼板雙面焊接，頂板與側板直角接縫上間斷焊接200mm長的50等邊角鋼。爐頂預留2個檢修孔，檢修孔尺寸2400mm1480mm，為30方錐貼合面。爐頂檢修孔蓋板用140槽鋼與6mm厚鋼板焊接，蓋板與孔形面完全貼合。4.1.4 爐口面板爐口面板是用整塊20mm厚鋼板（尺寸1815mm2755mm）切割爐口窗，在窗口四周等距切割3mm伸縮縫（縫長100mm、70mm）。爐口面板與爐底、爐側、爐頂鋼構進行雙面焊接，在四周的內直角接縫上間斷焊接200mm長的50等邊角鋼。4.2 爐體耐火層爐體耐火層使用保溫纖維板、保溫磚、耐火磚、耐火纖維折疊塊等進行組合，用耐火粘結劑進行嚴密粘結。訂制的耐火材料有爐內輥孔磚、電阻絲孔磚、爐口磚、纖維折疊塊等。爐底與爐側筑磚均為成品標準耐火磚（厚65mm寬113mm長230mm）。4.2.1 爐底耐火層爐底耐火層的厚度為400mm，組合材料從下往上依次為二層粘土保溫磚、二層高溫保溫磚、二層高溫耐火磚。4.2.2 爐側耐火層爐側耐火層的厚度為400mm，組合材料從外往里依次為二層保溫纖維板、一層高溫保溫磚、二層高溫耐火磚。爐內輥孔磚的耐火厚度為345mm，為訂制高溫耐火磚。電阻絲孔磚的耐火厚度為345mm與113mm，為訂制高溫耐火磚。4.2.3 爐口耐火層爐口耐火層的厚度為345mm，為訂制高溫耐火磚。爐口下壁耐火層的厚度為305mm，組合材料從外往里依次為一層保溫纖維板、一層高溫耐火磚。4.2.4 爐頂耐火層爐頂耐火層的厚度為394mm，為訂制高溫耐火纖維折疊塊。4.3 爐門爐口由下框耐熱板、側與上框鋼板、內部加強板、面板、面板保溫棉、高溫耐火纖維折疊塊等組成。爐門升降機構由變頻調速蝸桿減速電機、鏈傳動、索引卷揚副、限位開關等組成。兩個索引卷揚輪由鍵連接安裝在一根連桿通軸上，兩端支撐的軸承為球軸承6308 d40 D90 B23；軸承的潤滑為油脂，由軸承座油杯注入（油槍加油）。二個爐門分別由一臺380V1.1kW50Hz1500rpm4極三相異步變頻調速蝸桿減速電機，經(jīng)鏈減速索引卷揚驅動，二臺減速電機由一套2.2kW變頻器同時或單獨控制傳動。爐門重量350kg索引卷揚輪直徑250mm滾子鏈條：雙排鏈鏈號16A（節(jié)距P=25.4mm，滾子直徑dB1B=15.88mm，內節(jié)內寬bB1B=15.75mm，排距Pt=29.29mm，動載強度12700N）滾子鏈輪：小鏈輪齒數(shù)zB1B=17，分度圓直徑dB1B=25.4(sin(180/17)=138.23mm爐門升降驅動數(shù)據(jù)的計算：卷揚輪驅動所需克服的重力 35010=3500N卷揚輪傳動所需輸出的扭矩 3500(0.252)0.97=451Nm卷揚輪轉速 15(3.140.25)=19.11rpm傳動速比 1500(1-3.3%)19.11=75.90，則速比擇取iB1B=36.35，iB2B=2.06，iB0B=74.88大鏈輪齒數(shù) zB2B=172.06=35，分度圓直徑dB2B=25.4(sin(180/35)=283.35mm鏈條所需克服的拉力 451(0.283352)=3184N9550N小鏈輪傳動所需輸出的扭矩 3184(0.138232)=220Nm一個爐門提升驅動所需功率 4511500(955074.88)=0.95kW蝸桿減速電機參數(shù)選擇 380V-1.1kW-50Hz-1500rpm-4-(S62-395Nm-36.35)一個爐門提升傳動實際所輸出的扭矩 95501.174.881500=524Nm451Nm50Hz時提升電機轉速 60s50Hz(1-3.3%)2=1450rpm爐門提升速度 3.140.25145074.88=15.201m/min=253.3mm/s1Hz時 提升電機轉速 60s1Hz(1-3.3%)2=29rpm爐門提升速度 3.140.252974.88=0.304m/min=5.0mm/sU爐門升降電機執(zhí)行頻率U：a）快速提升速度15m/min=250mm/s行程500mm所用的時間2.0sec執(zhí)行頻率f=(15/(3.140.25)74.88(2/(60(1-3.3%)=49.32Hzb）減速提升速度1.5m/min=25mm/s行程85mm所用的時間3.4sec執(zhí)行頻率f=(1.5/(3.140.25)74.88(2/(60(1-3.3%)=4.93Hzc）提升總行程585mm所需時間5.4sec接近開關：接近開關為金屬探頭型接近開關，規(guī)格MST12-輸出DC3線-電壓24V-檢測距離4mm，每個爐門共4個接近開關。功能分別為：入口爐門上升的減速L5和停止L6、下降的減速L7和停止L8；出口爐門上升的減速L9和停止L10、下降的減速L11和停止L124.4 爐內輥及激光限位檢測儀爐內輥由空心耐熱鋼輥、軸承及軸承座、聯(lián)軸器、變頻調速減速電機、激光限位檢測儀，及其電控系統(tǒng)等組成。4.4.1 空心耐熱鋼輥空心耐熱鋼輥為組裝焊接件，分別有傳動端輥頭及其防輻射隔熱棉、30mm厚壁鋼套輥身、自由端輥頭及其防輻射隔熱棉。厚壁鋼套，材料ZG40CrB28BNiB48BWB5BSiB2傳動端及自由端輥頭，材料ZG1CrB18BNiB9BTi空心耐熱鋼輥共21根，第1根與第2根、第20根與第21根間距為650mm，第2根至第20根每兩根的間距為600mm。4.4.2 軸承及軸承座高溫軸承6214CE及軸承座SN214組件共42套。軸承的潤滑為油脂（二硫化鉬高溫潤滑脂），由軸承座油杯注入（油槍加油）。4.4.3 聯(lián)軸器聯(lián)軸器GCL2（弧齒形），軸孔型為J1，共21組套。聯(lián)軸器與電機軸鍵連接，M10螺釘進行軸向固緊。聯(lián)軸器與空心耐熱鋼輥傳動端輥頭軸鍵連接，M12螺釘進行軸向固緊。4.4.4 激光限位檢測儀激光限位檢測儀，即一種對射式可見激光裝置，作用是坯料游動加熱時遮光即坯料返向游動，安裝于爐口端內（每爐口端一套，分別為LT1和LT2，共兩套），用于控制坯料在爐內“坯料游動”時的行程末端電機傳動的換向?！芭髁嫌蝿印睍r，檢測儀信號發(fā)送至PLC系統(tǒng)，由PLC輸出傳動方向，使爐內輥傳動電機準確地執(zhí)行傳動指令。激光限位檢測儀，選用美國BANNER公司產(chǎn)品。4.4.5 變頻調速減速電機及其電控系統(tǒng)每根爐內輥由一臺380V1.5kW50Hz1500rpm4極三相異步減速電機驅動，21臺電機由一套37kW變頻器同時控制傳動。每根爐內輥所承載最大的坯料重量 (0.251.5634510)5=1056kg一根爐內輥驅動所需克服的摩擦力 1056100.15=1584N一根爐內輥驅動所需輸出的扭矩 1584(0.182)0.97=147Nm爐內輥轉速 50(3.140.18)= 88.46rpm傳動速比 1500(1-3.3%)88.46=16.40，則速比擇取17.08一根爐內輥驅動所需功率 1471500(955017.08)= 1.35kW減速電機參數(shù)選擇 380V1.5kW-50Hz-1450rpm-4-(R42-290Nm-17.08)一根爐內輥傳動實際輸出最大扭矩 95501.517.081500=163Nm147Nm50Hz時爐內輥電機轉速 60s50Hz(1-3.3%)2=1450rpm爐內輥輥面速度 3.140.18145017.08=48m/min=800mm/s1Hz時 爐內輥電機轉速 60s1Hz(1-3.3%)2=29rpm爐內輥輥面速度 3.140.182917.08=0.96m/min=16mm/sU爐內輥傳動電機執(zhí)行頻率U：a）入爐頻率30Hz速度24m/min=400mm/s坯料長度1800mm(+爐口過渡1000mm)入爐時間7.0sec坯料長度10000mm(+爐口過渡1000mm)入爐時間27.5sec執(zhí)行頻率f=(24/(3.140.18)17.08(2/(60(1-3.3%)=25Hzb）游動速度6m/min=100mm/s坯料長度1800mm單程9760mm游動所用的時間97.6sec坯料長度10000mm單程1560mm游動所用的時間15.6sec執(zhí)行頻率f=(6/(3.140.18)17.08(2/(60(1-3.3%)=6.25Hzc）出爐速度48m/min=800mm/s坯料長度1800mm(+爐口過渡1000mm)出爐所用的時間3.5sec坯料長度10000mm(+爐口過渡1000mm)出爐所用的時間13.8sec執(zhí)行頻率f=(48/(3.140.18)17.08(2/(60(1-3.3%)=50Hz爐內輥傳動電控系統(tǒng)控制線路圖：說明：爐內輥的21臺電機M同時啟動，分正、反兩方向旋轉。該電機的風機F功率30W轉速2600rpm為三相380V50Hz供電。4.5 加熱電阻及熱電偶傳感器加熱電阻絲為圓絲螺旋圈形，套裝于陶瓷管上，共144支，其中爐膛上層均布72支，爐膛下層均布72支，每上下對應的24支電阻絲（上層12支與對應的下層12支）為一個溫度控制區(qū)，共有6個控溫區(qū)。陶瓷管規(guī)格：外徑55mm長度2480mm壁厚6mm爐膛加熱控溫元件組成：每個溫度控制區(qū)主要由1支熱電偶傳感器、1臺溫度控制器、1臺功率調整器（可控硅）組成。升溫由數(shù)字量輸入DI/輸出DO，爐溫由模擬量輸入AI/輸出AO，由PLC系統(tǒng)來控制，目的是獲取穩(wěn)定、準確的預設升溫速度和工藝溫度。電阻絲材質 6.5mm圓絲0CrB27BAlB7BMoB2B加熱總功率 920kW每支電阻絲參數(shù) 6.4kW/95V/1.41電阻連接方式 每相4支電阻絲串聯(lián)，三相“”連接每相功率 26.5kW電阻相電流 26500W380V=69.7A（工頻50Hz）每區(qū)相功率 26.5kW2=53kW每區(qū)相電流 53kW380V=139.5A主路相電流 53kW6380V=837A五、電氣控制系統(tǒng)5.1 電機速度調整的系統(tǒng)控制原理說明：變頻調速電機為4極三相異步交流電機。爐體橫移速度、爐門升降速度、爐內輥速度等執(zhí)行的頻率與速度數(shù)學模型：v=Dn/in=60f(1-s)/pf=(piv)/(60D(1-s)式中 f變頻器輸出的頻率，Hzn給定頻率的電機轉速，r/minv輥或輪面線速度，m/mini機構總的速比D輥或輪直徑，ms異步電機的轉差率，%p電機旋轉磁場的極對數(shù)圓周率，3.141592660每分鐘（秒）5.2 在線板坯加熱爐的電氣系統(tǒng)控制原理5.3 爐體橫移及爐門升降的系統(tǒng)控制原理5.4 坯料進爐、加熱、出爐的系統(tǒng)控制原理5.5 電阻絲加熱的系統(tǒng)控制原理說明：熱電偶傳感器傳送電信號（熱電勢）至溫度控制器，由溫度控制器經(jīng)運算后將調節(jié)指令（即加熱功率百分比）發(fā)至功率調整器，功率調整器通過一定規(guī)律改變晶閘管的導通角，從而改變了電阻的加熱功率。采用每控制周期的控制系統(tǒng)延遲(delay)總時間短的原理，來實現(xiàn)爐膛溫度的均勻性。由溫度控制器的運算來決定將要輸出到電阻絲的功率百分比，使爐膛溫度恰好抵消散熱因素的影響而能夠維持在工藝設定的保溫溫度。一個控制周期由N個采樣周期組成，以第j個采樣周期的開始作為基準，以采樣周期Ts作為步長，建立溫度控制數(shù)學模型：式中 V 爐內溫度值，此值作為反饋量送往溫度控制器C 熱容，即加熱體所能儲存的熱能值R 空氣對流而散失的因子E 環(huán)境溫度I 功率百分比d 加熱時間延遲周期5.6 坯料游動的系統(tǒng)控制原理（1）建立坯料入爐、游動、出爐等控制的仿真圖及數(shù)學模型從爐門D1進料，長度為L0坯料頭尾部遮住LT1的時間為t0，游動速度為v，即有L0=vt0 式中 L0坯料長度，m坯料b點過LT1時，爐門D1立即降落t0坯料過LT1所有的時間，minv坯料游動速度，m/min（2）對爐膛內的坯料所游動途徑適時的動漫仿真數(shù)學模型Si=11.56-vti式中 v坯料游動速度，m/minti坯料a