專利名稱：鋼管熱處理工藝及其生產設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬熱處理領域，尤其是涉及到使爐內溫度控制穩定，加熱和熱處理
效率高，鋼管受熱均勻性好的鋼管熱處理工藝及其生產設備。
二背景技術：
近年來，隨著國內外工業設備技術的突飛猛進，廣泛應用于工業輸油、天然氣輸 送、城市輸水、煤氣輸送、熱力管網、打樁工程建筑及機械零件制造的焊管和無縫鋼管的需 求量在不斷攀升。冶金質量、尺寸精度、表面質量及組織力學性能等居多因素影響著鋼管的 質量優劣，盡管我國軋管機組已達到國際先進水平，鋼管的尺寸精度可與國外進口鋼管媲 美，但是鋼管表面質量、組織及力學性能等仍不穩定，造成上述質量不穩定的主要因素是冶 金質量和成品鋼管的熱處理工藝水平滯后。目前的熱處理設備及工藝技術水平差異較大， 有的采用了先進的輥底式或步進式連續熱處理爐，而更多的仍在采用灶式爐和車底式熱處 理爐，而且大都是在無保護氣氛下進行熱處理的，因此導致管材表面氧化脫碳和表面麻面， 降低了產品表面質量；同時，由于熱處理(加熱——保溫——冷卻)的不穩定，會導致鋼管 力學性能的不穩定。 一般的同類熱處理設備還存在爐體長，配置多的問題，這無形中給企業 增加了成本。總而言之，現有技術主要存在熱處理產品受熱不均勻導致產品合格率低、溫度 控制不穩定、爐子整體熱效率低等問題。
三
發明內容
本發明的目的就是為了解決上述問題，為市場提供一種使產品受熱均勻、溫度控
制簡便、爐子整體熱效率高的鋼管熱處理工藝及其生產設備。
本發明的技術方案是鋼管熱處理工藝流程為 (1)用車間內的吊車將要熱處理的鋼管吊到受料臺架備料； (2)裝料輥道將鋼管送入進口段； (3)鋼管按計算機設定的速度通過爐子加熱； (4)鋼管水冷出料，此時出料端旋轉夾緊裝置帶動鋼管向前行走過程中同時發生 自轉，防止鋼管高溫變形。 爐內熱處理溫度為110(TC，周期為20min 50min。 計算機采用三級管理控制系統，現場總線級采用高速穩定的prof ibus現場總線， 過程級采用100. 10M的TCL/IP工業以太網，主站采用高性能S7-300PLC，CPU314-2，控制系 統包括溫度控制、壓力控制、燃燒控制和動力自動化控制。
冷卻室的噴淋水不高于45°C ，水流量30mVh，揚程35m。 鋼管熱處理工藝的生產設備由固溶爐、冷卻室、進料裝置、升降裝置和出料裝置等 組成，固溶爐主體結構是由鋼結構框架、耐火材料砌筑的保溫爐體、設置于爐體內底部的輥 棒、爐體傳動機構以及設置于爐體的燃燒系統構成，所述燃燒系統是由設置于爐體外部的 供氣管道、助燃風管道、燃燒器組成，燃燒器設置于爐墻上，燃燒端處于爐體內部， 端的燃氣進口通過煤氣支管與供氣管道連接，助燃風進入換熱器，換熱器的煙氣出口安裝了自動 排煙煙囪，固溶爐的頭尾端均設有爐門，所述爐門上設有鋼管穿過的倒"U"插口 ；爐尾端設 置冷卻室，所述冷卻室由鋼結構框架、輥棒、儲水箱構成，儲水箱與進、出水管相連，噴嘴是
兩層多排，安裝在進水管上；在冷卻室的出口端設置了螺旋式出料裝置，所述螺旋式出料裝 置是由設置于爐體前后圓弧形升降機構和設置于行走小車上的旋轉夾緊裝置構成，所述圓 弧形升降機構是由升降支架、圓弧形托架和安裝于內弧面的萬向滾球以及液壓缸組成，所 述旋轉夾緊裝置包括旋轉升降臺和夾緊裝置兩部分，夾緊裝置是由安裝在行走小車框架頂 部橫梁上的由絲桿、軸承座、電機、壓緊小輪組成，旋轉升降臺是由圓弧形支架、導向輪以及 安置于圓弧形支架內弧面均布的齒輪和帶齒輪的滾輪構成，其主動齒輪與電機相連，旋轉 升降臺下部固定于行走小車的底板上，底板兩側設有車輪并安裝在軌道上，由行走電機驅 動。 下面結合附圖對本發明作進一步說明。
四
圖1為本實用新型整體結構主視圖； 圖2為本實用新型行走小車及旋轉夾緊裝置結構示意圖；
圖3為本實用新型圓弧形升降機構結構示意圖；
圖4為本實用新型冷卻室結構示意圖。 圖中1為電磁閥，2為燃燒器，3為蝶閥，4為球閥，5為噴嘴進水管，6為頂儲水箱， 7為換熱器，8為升降支架，9為萬向滾球，10為壓緊裝置，11為圓弧形支架，12為水箱出水 管，13為天然氣支管，14為助燃風管，15為天然氣總管，16為輥棒，17為輥棒軸承座，18為 進料臺架，19為行走小車，20為圓弧形托架，21為下鋼架，22為車輪，23為軌道，24為電機， 25為電機，26為圓弧形升降機構，27為支架升降導向輪，28為齒輪，29為滾輪，30為液壓 缸，31為噴嘴，32為側墻儲水箱，33為圓弧形支架導向輪，34為絲桿，35為軸承座，36為皮 帶輪，37為電機，38為壓緊小輪，39為升降臺，40為橫梁，41為匯水罩。
五具體實施例方式
以對管徑為小457mm-(M200mm的金屬管體進行熱處理的企業為例，首先建設一 條4. 2米的旋轉連續推進式鋼管熱處理爐設備，該熱處理設備包括一條2. 5米的固溶爐和 1. 7米的冷卻室以及進出料裝置。固溶爐的爐體整體由鋼結構框架、耐火材料砌筑的爐體、 燃燒系統等構成。燃燒系統主要由四個燃燒器、管路系統和換熱器裝置構成。爐子長度方 向的兩邊各有2個燃燒器2，每兩個燃燒器2分為一組，燃燒器2設置于爐墻上，燃燒端處 于爐體內部，外端的燃氣進口通過天然氣支管13與天然氣總管15連接，換熱器7的煙氣出 口安裝了自動排煙煙囪。在固熔爐兩端設置爐門，防止煙氣大量外溢，從而節約能耗，爐門 能以手動開啟，爐門下設置纖維，保證每一批管料剛好進入爐內熱處理，當管料大小變化較 大時，由人工換用爐門保證管料通過。所述進料爐門采用耐熱鑄鐵門，在爐子側邊可以由人 工手動操作控制爐門高度，另一側設置配重鐵，使爐門操作輕便。固溶爐后面接一座1. 7米 長的冷卻室，室內設有兩層多排噴嘴3 l，兩側和頂部分別設有側墻儲水箱32和頂儲水箱 6，儲水箱內有循環水。爐體的前端設置了 8. 9米長的進料臺架18，臺架上安裝有帶軸承座17的輥棒16，輥棒16之間的距離為700mm，輥棒一端裝有鏈輪，鏈條與鏈輪裝配，由傳動電 機驅動，變頻調節，作為動力驅動裝置，軸承座17為雙列調心輥子軸承，型號為LH-22212B， 輥棒16為小180X8mmA3鋼輥，軸承座17留有加油孔，由人工定期加入潤滑脂，鏈條由人工 定期加注20#機油潤滑，管料在輥棒上存放，由輥棒16轉動將管料輸送到爐內。設置于爐 體和冷卻室的輥棒傳送機構是由采用變頻調速器控制的鏈條傳動，為大循環方式，主要包 括傳動電機、鏈條、鏈輪、輥棒等，由一臺傳動電機驅動，驅動邊為主動邊，傳動電機為1臺 7. 5KW的調速電機，采用變頻調節，輥棒軸承座為鑄鐵軸承座，主動邊軸承為高溫軸承，輥棒 為(M80X24離心澆鑄輥棒，材質為ZG40Cr25Ni20Si2，軸承座留有加油孔，人工定期加注 潤滑脂，鏈條人工定期加注20#機油潤滑。由于生產時必須連續運轉，為此爐輥的傳動裝置 要求有可靠的備用電源，以使爐輥在高溫下不得停轉。出料裝置是由設置于爐體前后圓弧 形升降機構26和設置于行走小車19上的旋轉夾緊裝置構成，圓弧形升降機構26是由升降 支架8、圓弧形托架20和安裝于內弧面的萬向滾球9以及液壓缸30組成，旋轉夾緊裝置包 括下部的旋轉升降臺39和夾緊裝置10。所述夾緊裝置是由安裝在行走小車框架頂部橫梁 40上的絲桿34、軸承座35、電機37、壓緊小輪38組成，旋轉升降臺39是由圓弧形支架11、 導向輪33以及安置于圓弧形支架11內弧面均布的齒輪28和帶齒輪的滾輪29構成，其主 動齒輪與電機45相連，圓弧形支架11下部固定于行走小車19的底板上，底板兩側設有車 輪并安裝在軌道上，由行走電機44驅動， 一邊采用齒輪齒條傳動， 一邊采用普通小輪傳動。 一根軌道裝有齒條， 一根軌道裝有方鋼軌道。整條熱處理設備裝置了儀表溫度控制系統、風 機控制系統、液壓控制系統、溫度顯示系統、機械控制系統、安全報警系統和計算機控制系 統。實施本發明時，首先使設置于爐體進料端的升降支架8內的液壓缸30下降使圓弧形托 架20低于輥棒16上表面高度，再將待熱處理的鋼管放置于進料臺架18的輥棒16上，打開 進料電機，通過鏈條傳動端的鏈輪使輥棒轉動，將放置于其上的鋼管向固溶爐體內推進，直 至鋼管端部伸出冷卻室，到達旋轉升降臺39和夾緊裝置10之間，然后打開液壓缸30使其 上升，圓弧形托架20上升將鋼管托起至適當位置，接通行走小車上的電機電源，使旋轉升 降臺39上升至鋼管底部，再用夾緊裝置IO將鋼管夾緊。作好上述準備工作后，啟動整套固 溶爐的自動控制按鈕對鋼管進行熱處理，固溶爐內的燒嘴為直火節能型熱風天然氣燒嘴， 數量為8支，功率為120KW，上下交錯分布。風機為變頻控制，數量為2臺， 一開一備，型號為 9-264. 5A，功率為7. 5KW，風量為3130_3685m3/h，風壓為47767_4910Pa，電機為7. 5KWx3P， 380v，50Hz。在輥底爐天然氣管路系統的設計中采用了以下最完善安全防爆措施(l)每臺 燒嘴熄火報警并且自動快速切斷燒嘴前電動燃氣閥，重新自動點火后，進行3秒鐘的吹掃； (2)天然氣欠壓(《2Kpa)、風機故障或欠壓(《2. 5Kpa)，壓縮空氣欠壓(《0. 2Mpa)時 系統報警，延時6秒后，故障仍未消除，則自動快速切斷每一臺燒嘴控制器電源(從而自動 切斷天然氣電磁閥)，同時自動快速切斷總管安全切斷閥，習慣上稱為失壓保護；(3)突然 停電時，自動切斷燒嘴前電動燃氣閥，來電后，由人工啟動總管安全切斷閥后，進入正常吹 掃點火程序；安全切斷閥采用德國霍科德電磁安全切斷閥，動作方式為快關(《0.8秒)緩 開型，本動作習慣上稱為失電保護；(4)所有爐前天然氣管路末端和總管上均設置了高端 燃氣放散系統，必須采取各自放散；首次開爐時或長時間停爐再開爐時，必須對空氣管和爐 子進行吹掃，將管路中的空氣放凈，以免在點火時發生爆燃或爆炸；(5)所有爐前空氣干管 末端均設置了帶防護罩的防爆膜，以防天然氣因閥門泄露或其他原因滲入空氣管路，產生
5進口總管上分別配 置手動球閥切斷閥(2道)、意大利madas進口天然氣過濾器、美國希特壓力變送器、意大利 madas自力式調壓閥、意大利madas進口電磁安全切斷閥、智能渦輪流量計、安全放散管路 等，口徑為DN65 ;經自動調壓后，天然氣管道壓力從第一道手動球閥切斷閥處《40Kpa自動 減壓穩壓，恒定在3Kpa 5Kpa，由于所配的調壓閥流量較大，在爐子火焰頻繁調節過程中， 壓力波動極小，確保控溫過程穩定；智能渦輪流量計的量程設定為15 200NmVh，以確保 天然氣計量的精確和準確。每套燃燒器前設有燃氣主管路，管路上都設有意大利進口自動 天然氣切斷閥門和手動切斷閥。每套燃燒器可實現點火、熄火報警等全過程的自動控制。爐 內溫度控制在IIO(TC，為了達到精確可靠的控制，全爐燒嘴分2組溫度控制區，上下部燒嘴 各分1區，每3支燒嘴一區，雙執行器控制每組助燃風流量和每組天然氣流量，通過溫度電 流信號反饋控制溫度時各組風量和天然氣的流量，實現流量比例燃燒控制，既達到溫度的 精確控制，又達到節能的效果，其余溫度只作顯示用。助燃風機用變頻器控制，用變送器通 過PLC自動控制和穩定助燃風主管壓力，保證燃燒穩定的需要。此時鋼管經熱處理后被設 置于行走小車19上的旋轉夾緊出料裝置向外拉出的同時，旋轉裝置在電機25的傳動下使 齒輪28轉動，帶動滾輪29轉動，從而使鋼管向前走動的同時自身也在轉動，達到螺旋式出 料的目的。被加熱的鋼管自固溶爐出來進入冷卻室后，由噴淋泵將45t:水送入噴淋水管，依 管料所需冷卻工藝，進行上下噴淋。冷卻室以耐熱不銹鋼材制成，確保不易變形，冷卻室上 設有罩子，下部罩子設有匯水槽將冷卻時的水回收循環利用，入口設計水幕，防止冷卻水噴 入爐內，破壞耐火材料。噴淋泵2臺(1開1備)，45t:水流量30mVh，揚程35m。經加熱處 理后被冷卻的鋼管由行走小車拖行至出料臺后，由生產工人將其取出存放于倉庫。由于這 種連續進出料裝置使鋼管在爐內熱處理過程受熱均勻，溫度控制簡便、爐子整體熱效率高， 力學性能穩定，產品質量優良。 本發明為了保證鋼管熱處理質量采用的電路控制系統是西門子PLC S7-300工業 控制系統。該系統為典型的計算機三級管理控制系統(開放的控制系統)，現場總線級采 用高速穩定的profibus現場總線，開放標準，易于擴展，過程級采用100. 10M的TCL/IP工 業以太網，可以上掛多臺操作站(OS)，并可方便與上級網絡互連，本系統主站采用高性能 S7-300PLC， CPU314-2，控制系統包括溫度控制、壓力控制、燃燒控制和動力自動化控制等。 用戶可通過上位主機對爐溫、流量、壓力氣氛檢測及變頻器等過程模擬量進行操作控制及 監控。通過DI/DO模塊對風機、傳動電機、控制閥門、壓力開關及報警器等設備的操作進行 聯鎖控制。通過智能的AI/AO模塊對溫度、壓力、流量、閥位等參數采集和控制。AI/A0均配 備隔離輸入/輸出模塊，S7-300計算機PLC控制系統具有結構緊湊、模塊化、智能化、分布式 1/0(輸入/輸出)系統的特點，用現場總線可以任意擴展，可以多臺設備進行控制，組態及 控制軟件進行無限量擴展，從站控制設備可以放在現場，通過網絡把各網點數據進入計算 機控制中心。該系統在冶金爐行業自動化控制應用中的數據采集、過程控制、測試和測量、 安全性、易于維護等方面提供了靈活、通用和經濟的解決方案。根據產品生產工藝的要求， 為了保證控制系統能長期穩定的工作，具有更高的控制精度，更好的安全性和可維護性，作 如下系統配置工控主機選用臺灣威達ICP-3785工控機系統，作為上位控制主機，PLC選用 德國西門子S7-300系列控制器，具有全系列的ET200型DI/DO隔離模塊和AI/AO隔離模塊， 所有產品都通過CE、 UL、 CSA安規認證。系統軟件包括上位監控管理軟件包，下位空盒子軟件包。上位監控管理軟件包的主要功能溫度和流量曲線設定，曲線運行控制操作(曲線下 載、自動曲線組運行)，生產數據記錄(報警記錄、溫度/壓力/流量/閥位等參數記錄、各 點曲線記錄)，所有設備、參數、曲線的實時顯示與控制。下位控制系統的控制參數設定、自 動/手動操作控制。下位控制軟件包的主要功能溫度/壓力/流量等模擬信號的采集， PID輸出自動控制與手動控制，AI/AO模塊的通訊控制及運行監控。可以通過以太網聯接進
行網絡聯接，進行不同地點的多臺計算機控制操作，但具有操作權限。工控機配置3. 0GCPU， 1G內存，120G硬盤，17"顯示器，配有EPS0NPhotoEX3A3打印機。
權利要求
一種鋼管熱處理工藝，其工藝流程為(1)用車間內的吊車將要熱處理的鋼管吊到受料臺架備料；(2)裝料輥道將鋼管送入進口段；(3)鋼管按計算機設定的速度通過爐子加熱；(4)鋼管水冷出料，此時出料端旋轉夾緊裝置帶動鋼管向前行走過程中同時發生自轉，防止鋼管高溫變形。
2. 根據權利要求l所述的鋼管熱處理生產工藝，其特征在于爐內熱處理溫度為 110(TC，周期為20min 50min。
3. 根據權利要求1所述的鋼管熱處理生產工藝，其特征在于計算機采用三級管理控 制系統，現場總線級采用高速穩定的prof ibus現場總線，過程級采用100. 10M的TCL/IP工 業以太網，主站采用高性能S7-300PLC， CPU314-2，控制系統包括溫度控制、壓力控制、燃燒 控制和動力自動化控制。
4. 根據權利要求1所述的鋼管熱處理生產工藝，其特征在于冷卻室的噴淋水不高于 45°C ，水流量30mVh，揚程35m。
5. —種鋼管熱處理工藝的生產設備，它包括固溶爐、冷卻室、進料裝置、升降裝置和出 料裝置，其特征在于固溶爐主體結構是由鋼結構框架、耐火材料砌筑的保溫爐體、設置于 爐體內底部的輥棒、爐體傳動機構以及設置于爐體的燃燒系統構成，所述燃燒系統是由設 置于爐體外部的供氣管道、助燃風管道、燃燒器組成，燃燒器設置于爐墻上，燃燒端處于爐 體內部，外端的燃氣進口通過燃氣支管與供氣管道連接，助燃風進入換熱器，換熱器的煙氣 出口安裝了自動排煙煙囪，固溶爐的頭尾端均設有爐門，所述爐門上設有鋼管穿過的倒"U" 插口 ；爐尾端設置冷卻室，所述冷卻室由鋼結構框架、輥棒、儲水箱構成，儲水箱與進、出水 管相連，噴嘴是兩層多排，安裝在進水管上；在冷卻室的出口端設置了螺旋式出料裝置，所 述螺旋式出料裝置是由設置于爐體前后圓弧形升降機構(26)和設置于行走小車(19)上的 旋轉夾緊裝置構成，所述圓弧形升降機構(26)是由升降支架(8)、圓弧形托架(20)和安裝 于內弧面的萬向滾球(9)以及液壓缸(30)組成，所述旋轉夾緊裝置包括旋轉升降臺(39) 和夾緊裝置(10)兩部分，夾緊裝置是由安裝在行走小車框架頂部橫梁(40)上的由絲桿 (34)、軸承座(35)、電機(37)、壓緊小輪(38)組成，旋轉升降臺(39)是由圓弧形支架(11)、 導向輪(33)以及安置于圓弧形支架(11)內弧面均布的齒輪(28)和帶齒輪的滾輪(29)構 成，其主動齒輪與電機(25)相連，旋轉升降臺(39)下部固定于行走小車(19)的底板上，底 板兩側設有車輪(22)并安裝在軌道(23)上，由行走電機(24)驅動。
全文摘要
一種鋼管熱處理工藝及其生產設備，它解決了熱處理產品受熱不均勻導致的產品合格率低，溫度控制不穩定、爐子整體受熱效率低的問題，其特征在于在爐體內設置了高效燃燒系統、換熱系統和螺旋式機械傳動系統，整個電路采用西門子PLC S7-300工業控制系統。本發明具有加熱均勻，溫度易于控制、產品質量優良等優點，全爐配有全自動進出料機構，采用全自動檢測及控制系統，減少了工人的勞動強度，提高了工作效率，產品燒成合格率達到99％，節能38％。
文檔編號C21D9/08GK101736141SQ20091027342
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者余陽春 申請人:黃岡市華窯中洲窯爐有限公司