摘要：本文介绍了步进梁式钢管热处理炉加热制度的影响因素，热处理炉的温度及控制、数字化脉冲燃烧技术及在实际生产中的应用实践

　　关键词：钢管 热处理炉 温度控制 脉冲燃烧技术

　　近几年作者所设计钢管热处理工艺包括正火、正火+回火、淬火+回火等。钢管热处理生产线多为石油工业用油井管、套管、钻杆、接箍用管、管线管及机械结构管等。

　　上述热处理生产线通常配备一座正火炉和一座回火炉。为达到较高的钢级，满足市场的需要，制定完善的钢管热处理制度是热处理炉生产过程中最重要的环节。对于不同的钢种和规格，应有不同的加热制度，因此，一条热处理线往往会有几百个热处理制度曲线。而热处理炉的设计要从炉型、燃烧系统、自动化控制等各方面满足不同规格、不同钢种、不同产量的要求，精确的温度控制是满足钢管加热制度的关键所在。

　　热处理制度的制定

　　首先要掌握热处理的原理，而后根据钢管热处理后所要达到的目的和入炉钢管的化学成分等基本特征制定切实可行的热处理工艺。

　　1.1定义

　　1.1.1正火

　　正火是将钢加热到上临界点以上约30～50℃或更高温度使奥氏体化并保温使之均匀化后，在静止空气中冷却的热处理工艺。钢管正火后可以细化晶粒并使其显微组织均匀化，改善其力学性能并使之稳定在一定的水平上。

　　1.1.2淬火

　　淬火是将钢加热到临界温度Ac3或Ac1以上(20～30℃)并保温一定的时间，然后将其急速冷却的工艺。淬火的主要目的是把奥氏体化后的工件全部或部分淬成马氏体，以便在适当的温度回火后，能获得所需要的综合力学性能。

　　1.1.3回火

　　回火是将淬火或正火后的钢加热到低于下临界点的某一选定温度范围并保温一定的时间，然后以适宜的速度冷却借以消除淬火或正火所产生的残余应力和增加钢的延展性和韧性的一种热处理工艺。

　　1.2钢管热处理温度

　　钢管的正火和淬火加热温度主要取决于钢的临界温度Ac3或Ac1。因此，决定某一钢种的淬火或正火温度必须先查阅或测定该钢种的临界温度，这只是一般确定淬火加热温度范围的原则，在实际工作中还必须依据钢种、淬火的目的、钢管规格等来加以考虑。

　　钢的回火根据所需的力学性能，所选用的回火温度可分为低温(150～250℃)、高温(大于500℃)、中温(350～500℃)回火。钢管的调质处理(淬火+回火)，多采用高温回火，其目的是为了得到所需的综合力学性能。通常回火温度越高钢管的塑性和韧性将随着提高而强度则偏低。因此，回火的温度应根据钢种、规格和所需的力学性能来决定。

　　钢中合金元素的含量对钢管的热处理制度有很大的影响。合金元素会改变Fe-C平衡相图中临界温度、改变共析点位置、影响奥氏体和马氏体的转变点和晶粒度、影响正火回火加热温度及钢的力学性能等。比如，含锰较高的钢种淬火温度就应该偏低些，以防止其晶粒粗化和淬火后残余奥氏体含量过多;若钢中含有强碳化物形成元素，如钒、铌及钛等淬火温度就应该偏高一些，以加速这类元素所形成的碳化物的溶解。

　　1.3钢管热处理加热和保温时间

　　钢管淬火的加热时间是指：钢管表面加热到要求的温度(通常是指奥氏体化温度的升温时间)和钢管内外温度一致并使奥氏体成分均匀的保温时间;钢管回火的加热时间是指：钢管表面加热到要求温度的升温时间和钢管内外温度一致并满足所需要的力学性能和消除残余应力所需要的时间。在加热过程中很难将升温、均温和保温截然分开，因为钢管芯部到温的时间很难测量。一般常以钢管表面到达所要求的温度为准，到温前称为升温时间，到温后为保温时间。实际生产中尺寸较小的钢管升温、均温和保温时间无需区分只计算总的加热时间。厚壁钢管的加热则要求将升温时间和保温时间区分开来计算。下图是钢管热处理制度曲线，概括了大部分钢管的加热范围。

　　炉型和分区

　　2.1工艺流程介绍

　　步进梁式钢管热处理炉为单面加热、多段供热、侧进侧出的布置方式;其工艺流程为：接到装炉信号后，装料炉门打开，钢管由装料端变频调速控制的悬臂辊道送入炉内，根据入炉钢管的长度完成钢管的炉内定位，然后通过固定梁以及活动梁的往复运动将钢管输送到出炉辊道，此时的钢管已完成加热和保温，接到出钢信号后，出料炉门打开出炉辊道转动将钢管送出炉外。这类炉子工艺和设备先进，对温度控制要求高，电气和仪表自动化程度高。

　　2.2炉长计算

　　首先要根据生产线产品大纲要求计算每个规格钢管的加热时间和全年总加热时间，确定炉内的料位数，根据料位数和齿距计算炉子的长度，根据加热钢管的长度范围确定炉子宽度，以满足年生产能力。正(淬)火炉和回火炉的加热能力应匹配，回火炉要求的保温时间较长，其炉长一般为淬火炉炉长的1.5~2倍;

　　2.3分区

　　炉长确定后对炉子分段(区)并合理分配各段的供热量，淬火炉和回火炉温度控制根据炉长和坯料规格可分为长度方向2~4段，宽度方向3~5区，每区设有3~5个烧嘴;供热量的80~85%左右分配到加热段，均热段仅起到均热的作用需要的热量很少。

　　2.4应用举例

　　下面结合我们设计的国内某钢管公司年产6万吨钢管热处理生产线阐述。

　　该热热处理生产线设计条件如下：

　　燃料：天然气，热值8300×4.18Kcal/m3

　　钢管规格：Φ48.2~Φ139.7mm

　　壁厚：5~30mm

　　钢管长度:6~12m

　　温度要求：淬火炉≤1050℃ 回火炉≤800℃

　　钢管温度均匀性要求：淬火炉±5℃，回火炉±5℃

　　热处理钢管种类：油管、套管、钻杆、接箍料、管线管和少量的高压锅炉管等

　　钢级：N80、N80Q、L80、P110、Q125等

　　产品大纲主要包括：φ60.3×4.83/7.11×6～12m;

　　φ73×5.51/9.19×6～12m;

　　φ88.9×6.45/9.35×6～12m;

　　φ101.6×8.38×6～12m;

　　φ114.3×6.88×6～12m;

　　φ127×9.19×6～12m;

　　φ139.7×7.72×6～12m

　　基于上述要求，根据产品大纲计算年产量和加热时间，淬火炉和回火炉的小时产量为平均13t,最大产量22.5t/h，所需的炉长分别为：淬火炉～9m，回火炉～15m，淬火炉和回火炉分别配置了60个料位和100个料位以满足产量的要求，其炉型见下图：

　　淬火炉和回火炉沿长度方向均分为两段，每段分为3个控制区;每区设5个烧嘴。其供热能力配置如下：

　　名称

　　加热1区

　　加热2区

　　加热3区

　　均热1区

　　均热2区

　　均热3区

　　淬火炉

　　5×320Kw

　　5×320Kw

　　5×320Kw

　　5×150Kw

　　5×150Kw

　　5×150Kw

　　回火炉

　　5×320Kw

　　5×320Kw

　　5×320Kw

　　5×100Kw

　　5×100Kw

　　5×100Kw

　　此类炉型用在多条钢管热处理生产线的淬火炉和回火炉上，应用实践证明使用效果很好。

　　烧嘴和加热方式

　　要保证热处理炉对温度及其均匀性的严格要求，烧嘴和加热方式选择也是设计中的重要环节。国内大多数的步进梁式钢管热处理炉选用气体作燃料，低压涡流烧嘴、炉顶平焰烧嘴和亚高速烧嘴都是常用的烧嘴型式。由于亚高速烧嘴喷出的高速气流可以带动炉气的循环均匀炉温，以及近年来数字化燃烧控制技术的应用使得这类烧嘴得以推广。这里所提到的加热方式是指火焰直接喷到炉内的直接加热方式和在炉外设置燃烧室和炉气循环风机调节入炉气体温度的间接加热方式。正火炉加热温度高一般为火焰直接加热方式，回火炉有火焰直接加热和间接加热两种方式;间接加热存在系统复杂，高温循环风机易损坏等缺点，在近几年的设计中，我们在多座回火炉设计上采用火焰直接加热的方式，配以先进的燃烧控制系统，经实践证明炉温和钢管出炉温度都控制在很好的范围(±5℃以内)。

　　从上图所示的炉型可以看出，其所采用的烧嘴均为端部供热，火焰直接加热方式，加热段的烧嘴布置方式为反向，与均热段的烧嘴喷出的气流混合，同时还采用了脉冲控制的方式(见下述)，这种结构型式可以加速炉内气流的扰动，均匀炉温，强化对流传热。

　　烧嘴型式选用直焰燃烧的亚高速烧嘴，其结构型式如下：

　　烧嘴由壳体、烧嘴芯和烧嘴砖(陶瓷管)三部分组成，同时具有火焰检测和自动点火功能;烧嘴壳体为金属外壳，提供烧嘴芯的安装位置和助燃风的导入，同时配有测压点，可供测量助燃风和燃气的压力;烧嘴芯用来导入燃料，该部分依据喷射混合原理将空气与燃气充分混合，同时可以防止烧嘴回火，耐热钢材质可以满足高温燃烧要求;采用轻质SiC陶瓷套管代替烧嘴砖作为燃烧室，完成混合燃烧，陶瓷套管安装和更换方便，非常适用于纤维炉衬。

　　热处理炉燃烧控制

　　热处理炉燃烧控制大致分为以下3种方式。

　　4.1传统的双交叉限幅控制

　　将加热炉分为若干控制区，每区空气和煤气管道上设有流量测量装置和流量调节阀，每区都设有热电偶温度检测，当炉内温度变化时，根据双交叉限幅控制的原理同时调节各区的空气和煤气量达到控制炉温的目的。

　　4.2比例调节方式

　　将热处理炉分为若干控制区，在每区空气管路上设流量调节阀，每个烧嘴前的煤气管路上设比例阀，空气管内的压力通过连接管路传到比例阀，从而控制燃气的流量。当各段炉温变化时先调节该段的空气流量，每个烧嘴的空气量随之变化，同时通过比例阀控制煤气量变化。当空气量增大时，燃气量增大，当空气量减小时，燃气量减小，两者成近似比例变化。这种控制方式适用于洁净燃料(如天然气)以及烧嘴能力较小(最好≤450KW)情况，当烧嘴能力偏大时，比例阀的准确性和灵敏性较差会影响空燃比;而当燃料含焦油或灰尘较大时也会影响比例阀和电磁阀的操作功能甚至堵塞。

　　4.3数字化脉冲控制方式

　　数字化脉冲燃烧控制技术采用的是一种间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的通断比实现温度控制。这个系统并不调节单个烧嘴燃料量的大小,而是通过控制每个烧嘴的燃烧时序和燃烧时间来控制某个区的燃料量和炉膛温度。烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。当需要升温时，烧嘴燃烧时间加长，间断时间减小;需要降温时，烧嘴燃烧时间减小，间断时间加长。脉冲控制在实际应用过程中又分为大小火和开闭火两种方式，我们设计的热处理炉上多采用大小火方式，即大火时烧嘴满负荷工作，小火时调至可保证烧嘴稳定燃烧的最低的供热量，通常燃料为天然气时小功率的烧嘴调节比可达1：3，大功率时调节比可达1：10。当需要供热量低时延长小火状态工作时间，当供热量大时延长大火状态工作时间，这种方式可避免频繁的点火，烧嘴一直处于着火状态，除非烧嘴熄灭时才需要启动点火装置。

　　脉冲燃烧控制方式为：将热处理炉分为若干控制区，每区设有热电偶检测温度，烧嘴前的空气管路上设有空气双位电磁阀和取压管;选用压力稳定、洁净的燃料(如天燃气)时燃气管路上有电磁阀和比例阀;燃料条件不好时(如混合煤气或发生炉煤气)可以将烧嘴前的燃气管路分为大火和小火两个支路;烧嘴带有火焰检测、自动点火装置和烧嘴控制器，热电偶采集的炉温信号传送至PLC系统软件根据每区的温度设定值，通过程序计算确定烧嘴大火和小火的时间，其动作过程由烧嘴控制器完成。每个周期的时间可设定为30~60s，随着炉温的变化调整每个周期大小火的时间。火焰检测器随时监测烧嘴状况，当发现烧嘴熄灭时自动点火，点火不成功电磁阀动作切断煤气。理论上讲，采用脉冲控制方式燃烧系统空煤气管路无需分区，可以做到一个烧嘴一个控制区，考虑到温度信号采集，没有必要每个烧嘴配一只热电偶，故此可以将炉子划分为若干控制区。

　　4.4控制方式的比较

　　双交叉限幅控制和比例调节方式可以实现每段(区)空气和煤气量的调节，这两种控制方式烧嘴燃烧稳定，技术成熟，应用广泛，但炉内温度场的均匀性不易调节和保持， 特别对小流量和温度较低的回火炉的控制存在控温精度偏差较大的问题;而脉冲燃烧控制一方面由于其满负荷工作状态时控制精度高，另一方面，由于其烧嘴的高速气流和大火小火的频繁切换，炉气被不断扰动，使得它具有动态性能好、炉温波动小、温度控制及空燃比控制响应快，滞后小。负荷调节范围大，适应加热能力的大范围变化的优势。每个烧嘴都能自动实现最佳空燃比燃烧，炉子气氛控制更加准确、均匀，达到减少氧化和节约燃料的效果。由于正火和淬火加热对炉温和钢管温度均匀性的要求相对低一些，因此淬(正)火炉可以采用双交叉限幅控制和比例调节方式，而回火炉对炉温的要求高，负荷的变化大，温度低，比较适宜采用大小火脉冲控制方式。

　　4.5应用

　　上面提到的钢管热处理生产线两座炉子均采用脉冲燃烧控制方式， 烧嘴的控制原理图见下图：

　　从图中可以看出，每个烧嘴带有火焰检测器、点火电极、点火变压器、烧嘴控制器;空气管路上设有空气手动阀和脉冲阀，天然气管路上有电磁阀和比例阀，热处理炉每区设有两只热电偶，两只热电偶都正常工作时，以其平均值或任一测量值作为该段的温度值，当其中的一只损坏时可发出报警，并用另一只参与控制。

　　为确保温度均匀，设计中还采取了以下措施：

　　a:燃烧控制采取烧嘴顺序脉冲的方式，避免多个烧嘴同时切换带来炉压的波动;

　　b:天然气总管上设有自立式稳压阀，可保证燃气压力稳定。

　　c:鼓风机入口设有预旋调节阀，确保当风量变化时空气总管压力稳定。

　　d:加热段的烧嘴为反向安装，即烧嘴喷出的方向与炉内气流方向相反，加速炉气的扰动，强化换热提高热效率，降低炉尾烟气的温度。

　　e:炉压自动控制，保证当供热量变化引起炉压波动时尽快调整到正常范围。

　　e:烟道设空气预热器，节约燃料。

　　投产一段时间后经测试，正产生产时炉温和出炉钢管温度均控制在±5℃范围内。生产各种钢级的产品，如石油管的N80、N80Q、L80、P110、Q125等，均满足API Spec 5CT标准要求。并且燃料单耗低，测试能耗平均指标低于淬火炉260Kcal/Kg、回火炉220 Kcal/Kg的设计值。

　　总结

　　热处理制度的制定和热处理炉温度的控制是热处理生产线的关键环节。合理设计加热炉炉型、燃烧器及供热分配能为生产高品质的产品打下良好的基础。数字化脉冲控制技术可以满足连续频繁变换钢种的需要、具有加热灵活、炉温控制精度高、钢管加热质量好的优点;在燃料条件允许情况下，数字化脉冲燃烧控制技术非常适宜用在热处理炉上。

　　参考文献

　　孙珍宝,朱谱藩,林慧国,俞铁珊.合金钢手册[M]：冶金工业出版社，1984

　　肖劲松,余林展.时序脉冲燃烧控制系统在回火炉上的应用[J].钢管2008-06：33-37