井式退火炉热平衡计算(焦凤志)

强对流气体保护井式退火炉热平衡计算

谢亚平，焦凤志

（东北特钢集团大连特殊钢丝公司，辽宁大连 116105）

摘要Ⅲ型强对流气体保护井式退火炉生产中存在同炉钢丝软硬不均，抗拉强度差大的问题。通过热平衡计算，给出详细的过程控制参数。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。以GCr15钢丝为例，随机抽取10炉热处理钢丝，其抗拉强度为650～690 MPa，同炉抗拉强度差小于30 MPa，可满足GB/T18579-2001要求。

关键词退火炉；热平衡；退火工艺；

1 Ⅲ型井式退火炉概况

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1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的工艺参数。实际运行结果：退火钢丝抗拉强度偏高，以针丝为例，标准Q/LD30-2004中GCr15Ⅰ组要求抗拉强度为560～680 MPa，而在生产过程中测得抗拉强度为670～730 MPa，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

退火炉型有效装料容积/

Φmm×Ηmm

装炉量/

t

退火温度/

℃

加热功率/

kW

控温

区段

炉体外形尺寸/

Φmm×Ηmm

Ⅲa型井式退火炉 2 000×3 050 5～12 650～850 240 3 3 125×3 850

Ⅲb型井式退火炉 2 000×3 000 4～10.5 650～850 190 3 3 000×3 930

表2 装料架计算参数

编号外形尺寸/mm 自重/kg 每架装载量/t

5# 820×480/510×1 400(1 600)老135 1.1

6# 780×360/380×1 250(1 450)老115 1.0

7# 700×360/380×1 400(1 600)新110 1.0

8# 500×220×1 000(1 300)新0.6

注：装料架尺寸：底盘外径×芯架外径（上/下）×料架高（加上吊料环后总高）

2 Ⅲa型井式退火炉工艺参数

2.1 加热时间计算

（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。

N有效=N总/1.2，

N加热=N有效-N4-N5-N6。

（2）热量换算成单位时间的电耗—功率。

Q加热=860 N加热τ，

τ=Q加热/860N加热。

其中：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 。

Q 1=W 1M ，Q 2=W 2M 。

其中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。

2.2 工艺参数

（1）Ⅲa 型井式退火炉配置功率240 kW ；

（2）不锈钢内胆3.2 t ，不锈钢导流桶1.8 t ，炉盖1.2 t ； （3）炉体外形尺寸：3 125 mm×3 850 mm ； （4）比热容计算取值，见表3。

表3 不同温度下不锈钢和碳钢的比热容计算取值 C p /（kcal/（kg ·℃）） 种类

25℃

200℃ 500℃ 660℃ 680℃ 700℃ 720℃ 750℃ 780℃ 800℃ 820℃ 850℃ 880℃

不锈钢 0.112 0.12 0.135 0.14 0.14 0.145 0.145 0.15 0.15 0.16 0.16 0.168 0.168 碳钢 0.113 0.115 0.128 0.137 0.137 0.144 0.144 0.152 0.152 0.165 0.165 0.165 0.165

3 热平衡计算 3.1 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)=1 000×（700×0.144－25×0.113）=97 975（kcal ）。 3.2 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187 kg ，15个料架总重2 800 kg 。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2 000 kg 。W 2＝15%m (C 1t 1－C 0t 0)=150×（700×0.15－25×0.112）=15 330（kcal ）。 3.3 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=6.2 t ，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=0.15 kcal/（kg ·℃）。Q 3＝m (C 1t 1－C 0t 0)=6 200×（700×0.15－200×0.12）=502 200（kcal ）。 3.4 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6 t/h ，660℃、680 ℃退火时，每小时温升3.5 ℃；700 ℃、720 ℃退火时，每小时温升4.0 ℃；750 ℃、780 ℃退火时，每小时温升4.5 ℃；800 ℃、820 ℃退火时，每小时温升5.0 ℃；850 ℃、880 ℃退火时，每小时温升5.5 ℃。Q 4＝mC (t 1－t 0)=6 000×（29－25）×1=24 000（kcal/ h ），N 4=Q 4/860=24 000÷860=27.9（kW ）。 3.5 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=2 511（kcal/ h ），N 5=Q 5/860=2 511÷860=2.92（kW ）。