退火炉热平衡计算与热处理工艺设置

退火炉热平衡计算与热处理工艺设置

东北特钢集团大连特殊钢丝公司徐效谦

内容摘要：通过热平衡计算，根据装炉量对电井炉升温工艺实行分段控制，能有效地改善退火钢丝加热过程的温差，显著提高退火后钢丝的力学性能均匀性。

关键词：退火炉热平衡计算均匀性

退火炉热处理均匀性是一项重要指示，一般认为热处理均匀取决于热处理炉的上、中、下或前、后各区的加热能力的分布状况，实际上加热能力的均匀分布只是一个基本要求，热量的传输效率才是决定热处理均匀性的关键因素。保证单位时间供给的热量与炉料吸收的热量基本平衡，是提高热处理均匀性唯一的控制要点，控制目标是单位时间热量的传输效率应大于95%。热处理均匀性与热量的传输效率成正比关系，传输效率越低，热处理均匀性越差。这个基本原理我们是通过长期实践才逐渐认识到的。

一Ⅲ型井式退火炉基本状况

钢丝Ⅲ型强对流气体保护井式退火炉原设计为自动升温，即控制仪表一段控制温度直接设置为工艺规定的退火温度，由仪表控制升温时间。第2和第3段同时设置温度和时间两项工艺参数。实际运行结果是：退火钢丝抗拉强度偏高，以针丝为例，企业标准Q/LD30-2004中GCr15Ⅰ组要求抗拉强度为Rm:560～680MPa，而在生产过程中测得实验结果为Rm:670～730MPa，同炉钢丝软硬不均，抗拉强度差大。为此需对退火炉进行热平衡计算，在升温阶段同时设定升温温度和升温时间，强化退火效果、改善钢丝抗拉强度均匀性。Ⅲ型退火炉主要技术参数如表1，装料架计算参数如表2。

表1周期炉主要技术参数

表2 装料架计算参数

二Ⅲa型井式退火炉工艺参数及热平衡计算

1.加热时间计算方法

（1）配置功率除以安全系数1.2，即为有效使用功率。有效使用功率中扣除N4～N6三项消耗功率，余数为加热功率，见第三节。

N有效=N总/1.2；

N 加热=N 有效-N 4-N 5-N 6；

（2）热量换算成单位时间的电耗—功率

N ＝

τ

860Q 则 Q 加热=860 N 加热τ τ= Q 加热/860N 加热。

式中：τ—钢丝加热到预定温度的时间，h 。

（3）加热能耗主要用于钢丝、料架和内胆等加热能耗，内胆、导流桶和炉盖的能耗只取决于退火温度，是固定不变的。料架与装炉量有对应关系，我公司料架重量平均为装炉量的15%，因此需要将钢丝加热能耗进一步分解成吨钢能耗W 与装炉量M 。

W=M

Q 1可以导出 Q 1=W 1M 、Q 2=W 2M

式中W —吨钢能耗，kcal/ t M —装炉量，t （4）N

加热

是用于加热钢丝、料架和内胆等的功率，要将炉中钢丝加热到预定温度，必须保证N

加

热

在τ内提供的热量能将钢丝、料架和内胆加热到预定温度，即：

Q 加热=Q 1 +Q 2 +Q 3= Q 1=W 1M+W 2M+ Q 3=860N 加热τ； 可以导出： 加热

N Q M W M W 8603

21++=

τ

2. 工艺参数

（1）Ⅲa 型井式退火炉配置功率240kW ；

（2）不锈钢内胆3.2t ，不锈钢导流桶1.8t ，炉盖1.2t ； （3）炉体外形尺寸：3125×3850mm ； （4）比热容计算取值（C p =kcal/kg·℃）如表3。

表3 比热容计算取值

三 热平衡计算 1. 钢丝加热所需热量

以700℃退火的碳素钢丝为例进行热平衡计算，查资料得知钢丝的C 25=0.113 kcal / kg ．℃，C 700=0.144 kcal / kg ．℃。

W 1= m(C 1t 1－C 0t 0)=1000×（700×0.144－25×0.113）=97975（kcal ）

2. 装料架加热所需热量

钢丝装在料架上退火，装料架材质为321不锈钢，4*装料架平均单重187kg ，15个料架总重2800kg 。查资料得知321装料架的C 25=0.112 kcal / kg ．℃，C 750=0.15 kcal / kg ．℃。计算时装料架总重量2000kg 。

W 2＝15%m(C 1t 1－C 0t 0)=150×（700×0.15－25×0.112）=15330（kcal ）

3. 内胆及导流桶等加热所需热量

内胆、导流桶及炉盖总重量3.2+1.8+1.2=6.2t ，材质310，连续生产时，钢丝出炉后内胆等平均温度

能保持在200℃左右。查资料得知304内胆的C 200=0.12 kcal / kg ·℃、C 750=0.15kcal / kg ·℃。

Q 3＝m(C 1t 1－C 0t 0)=6200×（700×0.15－200×0.12）=502200（kcal ）

4. 冷却水消耗功率

电井炉强对流电机和炉盖密封胶垫使用中必须通水冷却，因此要消耗部分功率。冷却水用量6t/h ，660℃、680℃退火时，预计每小时温升3.5℃；700℃、720℃退火时，预计每小时温升4.0℃；750℃、780℃退火时，预计每小时温升4.5℃；800℃、820℃退火时，预计每小时温升5.0℃；850℃、880℃退火时，预计每小时温升5.5℃；。

Q 4＝mC(t 1－t 0)=6000×（29－25）×1=24000（kcal/ h ） N 4=Q 4/860=24000÷860=27.9（kW ）

5. 保护气体消耗功率

电井炉退火时选用高纯氮作为保护气体，防止钢丝氧化。保护气体平均用量15m 3/h ，查资料得知N 2的比热C 200=0.248 kcal / m 3.℃。

Q 5＝mC(t 1－t 0)= 15×（700－25）×0.248=2511（kcal/ h ） N 5=Q 5/860=2511÷860=2.92（kW ）

6. 炉体散热消耗的功率

电井炉外形尺寸为Φ3125×H3850m ，其外表面积F=53.41m 2。660℃、680℃退火时，冬季表面温度预计不超过50℃、q 取294；700℃→51℃、q 取306；720℃→52℃、q 取318；750℃→53℃、q 取330； 780℃→54℃、q 取342；800℃→55℃、q 取355；820℃→5 6℃、q 取367；850℃→57℃、q 取379；880℃退火时，冬季表面温度预计不超过58℃、q 取391。

Q 6=qF=306×53.41=16343.5（kcal/ h ） N 6=Q 6/860=16343.5÷860=19.0（kW ）

表4 炉体外表面温度与散热系数(q)的关系

根据公式： 加热

N Q M W W M 8603

2++=

τ

加热

N Q M W W M 8603

2700++=

τ89.388.018.1508605022001533097975+=?++=M M

计算数值汇总如表5。

同理可以求出：τ(500℃时)=0.58M+2.30

τ(660℃时)=0.79M+3.49 τ(680℃时)=0.83M+3.64

τ(700℃时)=0.88M+3.89

τ(720℃时)=0.91 M+4.05 τ(750℃时)=0.97M+4.39 τ(780℃时)=1.02M+4.65 τ(800℃时)=1.08M+4.95

τ(820℃时)=1.11M+5.11

τ(850℃时)= 1.19M+5.55

τ(880℃时)= 1.24M+5.83

式中：τ—加热时间，h；

M—装炉量，t。

四升温速度分段设置的意义

从表3可以看出：钢铁材料的比热容随退火温度升高而增大，这就意味着在功率固定的退火炉中，钢丝在低温段升温快，在高温段升温速度要慢得多。如果按一段设置升温速度，自动控温仪表往往把升温速度均匀的分配到各时间段中，这样退火炉在低温区经常停电（或降压）控温，进入高温区后往往在预定时间内升不到预定温度。如果选用滿功率升温，因为退火炉内温度是从外圈向内圈传递的，靠近外圈钢丝的温度长时间高于内圈钢丝的温度，势必造成退火钢丝组织和力学性能严重不均。根据多年生产实践，我们摸索出退火炉分段设置控温模式：首先通过热平衡计算，算出不同装炉量钢丝，各温段所需升温时间，然后分成装炉～500℃和500℃～预定退火温度两段控制升温速度，彻底解决了上述两大控温难题，使强对流井式退火炉热处理后的钢丝抗拉强度偏差控制在30MPa以内。根据以上分析，Ⅲa型井式退火炉升温时间计算值如表6。因为升温过程是累计自动控制的，第一段未升到预定温度，自动调整到第二段开始计温时间中，通常可将第一段升温时间缩短一点，保证第二段有足够的升温时间，调整后的Ⅲa型井式退火炉升温时间设置如表7。

表5 Ⅲa型井式退火炉热平衡计算数据汇总表

表6 Ⅲa型井式退火炉升温时间计算值（单位：min）

5

表7 Ⅲa型井式退火炉升温时间设置（单位：min）

6

7

五 Ⅲb 型井式退火炉热平衡计算

同样以700℃退火的碳素钢丝为例，对Ⅲb 型井式退火炉进行热平衡计算，计算数值汇总如表8。以表8数值为准，按公式加热

N Q M W W M 8603

2++=τ计算不同

退火温度时装炉量与升温时间的对应关系如下：

τ(500℃时)=0.68M+2.74 τ(660℃时)=0.95M+4.47 τ(680℃时)=0.98M+4.66

τ(700℃时)=1.04M+5.31

τ(720℃时)=1.09 M+5.49 τ(750℃时)=1.17M+6.35 τ(780℃时)=1.23M+6.73 τ(800℃时)=1.32M+7.83 τ(820℃时)=1.37M+8.11 τ(850℃时)= 1.48M+9.44

τ(880℃时)= 1.61M+10.36 式中：τ—加热时间，h ；M —装炉量，t 。

按上式可以计算出Ⅲb 型井式退火炉不同装炉量、不同退火温度下理论升温时间如表9。因为升温过程是累计自动控制的，第一段未升到预定温度，自动调整到第二段开始计温时间中，通常可将第一段升温时间缩短一点，保证第二段有足够的升温时间，调整后的Ⅲb 型井式退火炉升温时间设置如表10。

表8 Ⅲb 型井式退火炉热平衡计算数据汇总表

表9 Ⅲb型井式退火炉升温时间计算值（单位：min）

表10 Ⅲb型井式退火炉升温时间设置（单位：min）

8

六、结论

Ⅲ型井式退火炉热处理工艺按热平衡计算结果调整后，钢丝抗拉强度降到正常水平，以GCr15钢丝为例，国际GB/T18579-2001规定，退火状态钢丝的抗拉强度（R m）应为590～760MPa。随意抽取50炉热处理后钢丝，对抗拉强度实测结果进行统计，抗拉强度（R m）均在650～690MPa之间，同炉抗拉强度差≤30MPa，达到预期效果。

公司是特殊钢丝生产厂，日常生产中钢丝牌号始终保持在40个以上。为适应多品种生产要求，周期热处理部分配置了各型号强对流气体保护井式退火炉6台，其中Ⅰ型退火炉装炉量最大（10～20t）；强对流气体保护罩式炉2台，装炉量18～30t。按上述思路调整热处理工艺后，经井式退火炉热处理后的各类钢丝，同一炉回抗拉强度的均匀性，多年来稳定在≤30MPa水平；罩式炉同一炉回抗拉强度的均匀性，多年来稳定在≤50MPa水平。

要提高热处理均匀，可采用以下工艺措施：

（1）必须根据装炉量来确定热处理工艺。

（2）因为金属材料在不同温区的比热和导热系数不一致，加热过程中应分区设置热处理工艺，以保证各区段单位时间供给的热量与炉料吸收的热量基本平衡。

（3）在热处理炉固定条件下，可通过热平衡计算确定各温区的升温时间，确保热传输效率≥95%。

（4）对于变频调速的强对流气体保护炉，在保持强对流风机低温低速、高温高速原则下，分温区合理调整变频风机速度，提高热传输能力。其他类型热处理炉也应按尽可能提高热传输能力的原则进行调控。

参考文献

1. 徐效谦，《强对流气体保护退火炉》，百度文库。

2. 机械工业部第一设计院主编，《工业炉设计手册》，机械工业出版社，1981年10月第一版。

3. 《合金钢钢种手册，第四册耐热钢》，冶金工业出版社，1993年8月第一版。

2012年2月8日