退火炉热平衡计算与热处理工艺设置

2024-07-28 作者:

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

序号

5

6

退火炉型

Ⅲa型井式退火炉

Ⅲb型井式退火炉

有效装料容积

Φ×Ηmm

2000×3050

2000×3000

装炉量

t

5～12

4～10.5

退火温度

加热功率

℃

650～850

650～850

KW

240

190

控温

区段

3

3

炉体外形尺寸

Φ×Ηmm

3125×3850

3000×3930

表2 装料架计算参数

料架自重，kg

每架装载量/t 外形尺寸/mm

编号

5# 135 1.1

820×480/510×1400(1600)老

6# 115 1.0

780×360/380×1250(1450)老

7# 110 1.0

700×360/380×1400(1600)新

8# 0.6

500×220×1000(1300)新

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）

二 Ⅲa型井式退火炉工艺参数及热平衡计算

备注

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；

1

N加热=N有效-N4-N5-N6；

（2）热量换算成单位时间的电耗—功率

N＝

Q 则 Q加热=860 N加热τ

860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=Q1可以导出 Q1=W1M、Q2=W2M

M式中W—吨钢能耗，kcal/ t

M—装炉量，t

（4）N

热

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

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=Q1 +Q2 +Q3= Q1=W1M+W2M+ Q3=860N加热τ；

可以导出：

W1MW2MQ3

860N加热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（Cp=kcal/kg·℃）如表3。

表3 比热容计算取值

温度

℃

不锈

碳钢

25

0.112

0.113

200

0.12

0.115

500

0.135

0.128

660

0.14

0.137

680

0.14

0.137

700

0.145

0.144

720

0.145

0.144

750

0.15

0.152

780

0.15

0.152

800

0.16

0.165

820

0.16

0.165

850

0.168

0.165

880

0.168

0.165

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C25=0.113 kcal / kg．℃，C700=0.144

kcal / kg．℃。

W1= m(C1t1－C0t0)=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C25=0.112 kcal / kg．℃，C750=0.15 kcal / kg．℃。计算时装料架总重量2000kg。

W2＝15%m(C1t1－C0t0)=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

2

能保持在200℃左右。查资料得知304内胆的C200=0.12 kcal / kg·℃、C750=0.15kcal / kg·℃。

Q3＝m(C1t1－C0t0)=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℃；。

Q4＝mC(t1－t0)=6000×（29－25）×1=24000（kcal/ h）

N4=Q4/860=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15m3/h，查资料得知N2的比热C200=0.248 kcal / m3.℃。

Q5＝mC(t1－t0)= 15×（700－25）×0.248=2511（kcal/ h）

N5=Q5/860=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=53.41m2。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。

Q6=qF=306×53.41=16343.5（kcal/ h）

N6=Q6/860=16343.5÷860=19.0（kW）

表4 炉体外表面温度与散热系数(q)的关系

表面温度

℃

25

30

40

根据公式：

散热系数

kcal/ m2．h

38

83

182

表面温度

℃

50

60

70

散热系数

kcal/ m2．h

294

416

550

表面温度

℃

80

90

100

散热系数

表面温度

℃

kcal/ m2．h

690 120

847 140

1010 160

散热系数

kcal/ m2．h

1740

2170

2660

注：其他温度对应的q值可用插入法求得。

WMW2MQ3

860N加热97975M15330502200WMW2MQ30.88M3.89

860150.18860N加热700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

3

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。

4

表5 Ⅲa型井式退火炉热平衡计算数据汇总表

退火温度，℃

500

660

680

700

720

750

780

800

820

850

880

W1，kcal/h

69175

92215

95095

97975

100855

105175

109495

112375

115255

119575

123895

W2，kcal/h

10830

13080

14880

15330

15780

16455

17130

17580

18030

18705

19380

Q3，kcal

316200

465000

483600

502200

520800

548700

576600

595200

613800

641700

669600

N4/kW

21.0

24.4

24.4

27.9

27.9

31.4

31.4

34.8

34.8

38.4

38.4

N5，kW

2.05

2.75

2.83

2.92

3.0

3.14

3.26

3.35

3.44

3.51

3.7

N6，kW

17.3

18.0

18.26

19.0

19.75

20.19

21.24

22.05

22.19

23.53

24.28

N有效，kW

200

200

200

200

200

200

200

200

200

200

200

N加热，kW

159.65

154.85

154.51

150.18

149.35

145.27

144.1

139.8

139.57

134.56

133.62

表6 Ⅲa型井式退火炉升温时间计算值（单位：min）

装炉量

t

≤5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

退火温度，℃

装炉～500 装炉～660 装炉～680 装炉～700 装炉～720 装炉～750 装炉～780 装炉～800 装炉～820 装炉～850 装炉～880

320 450 470 500 520 555 585 620 640 690 720

330 470 490 530 540 585 620 655 670 730 760

350 500 520 550 570 615 645 690 710 760 800

370 520 540 580 600 645 680 720 740 800 830

380 540 570 610 630 670 710 750 770 830 870

400 570 590 630 650 700 765 785 810 870 910

420 590 620 660 680 730 770 815 840 910 945

440 610 640 680 710 760 800 850 870 940 980

450 640 670 710 740 790 830 880 910 980 1020

470 660 690 740 765 820 860 915 940 1010 1060

490 680 720 760 790 845 890 945 975 1050 1100

510 710 740 790 815 875 925 980 1010 1085 1130

520 730 770 820 845 905 950 1010 1040 1120 1170

570 760 790 840 870 935 985 1040 1070 1150 1200

590 780 820 870 900 965 1015 1075 1100 1190 1250

5

表7 Ⅲa型井式退火炉升温时间设置（单位：min）

装炉量

M

≤5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

12.5

13.0

装炉～500

t1

/分

175

180

185

190

200

205

210

220

225

230

235

240

250

255

260

270

280

500～660

t1

/分

270

290

310

330

340

360

380

390

410

430

450

465

480

500

520

530

540

500～680

t1

/分

290

310

330

350

365

385

405

420

440

460

480

500

515

535

555

570

580

500～700

t1

/分

320

345

365

385

405

425

445

460

485

505

525

550

565

585

605

625

635

500～720

t1

/分

340

365

385

410

425

445

470

485

510

530

555

575

595

615

640

555

670

退火温度，℃

500～750

t1

/分

380

405

430

450

470

495

520

540

560

585

610

635

655

680

700

720

735

500～780

t1

/分

410

435

460

490

505

565

560

580

605

630

655

680

700

730

755

775

790

500～800

t1

/分

445

475

500

530

550

580

605

630

655

685

740

735

760

790

815

835

855

500～820

t1

/分

465

495

520

550

475

600

630

655

680

710

740

765

790

820

845

870

890

500～850

t1

/分

515

845

575

610

635

665

695

720

750

780

810

845

870

900

930

955

975

500～880

t1

/分

545

580

610

645

670

705

735

760

795

830

860

890

920

950

985

1010

1030

注：中间装炉量的升温时间用插入法求得。

6

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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

退火温度，℃

500

660

680

700

720

750

780

800

820

850

880

W1，kcal/h

69175

92215

95095

97975

100855

105175

109495

112375

115255

119575

123895

W2，kcal/h

9705

13440

13860

14805

15240

16455

17130

18780

19260

21000

21756

Q3，kcal

269700

424080

441440

480500

498480

548700

576600

644800

664640

736560

767808

N4/kW

21.0

24.4

24.4

27.9

27.9

31.4

31.4

34.8

34.8

38.4

38.4

N5，kW

2.05

2.75

2.83

2.92

3.0

3.14

3.26

3.35

3.44

3.51

3.7

N6，kW

16.53

17.50

17.50

18.20

18.91

19.62

20.34

21.11

21.82

22.54

23.25

N有效，kW

158

158

158

158

158

158

158

158

158

158

158

N加热，kW

118.42

113.35

113.27

108.98

108.19

103.84

103

98.74

97.94

93.55

88.95

WMW2MQ3计算不同

860N加热

7

表9 Ⅲb型井式退火炉升温时间计算值（单位：min）

装炉量

t

≤5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

装炉～500

370

390

410

430

450

470

490

510

530

550

570

590

装炉～660

550

580

610

635

665

695

725

755

785

815

845

875

装炉～680

570

600

630

660

690

720

750

780

810

840

870

900

装炉～700

630

660

690

720

750

780

810

840

880

910

940

970

退火温度，℃

装炉～720 装炉～750

660 730

695 760

725 790

755 820

790 850

815 880

845 910

875 940

905 970

935 1000

965 1030

995 1060

装炉～780

775

805

835

865

895

925

955

985

1015

1045

1075

1105

装炉～800

865

905

945

985

1025

1065

1105

1145

1185

1225

1265

1305

装炉～820

895

940

980

1020

1060

1100

1140

1180

1220

1260

1300

1340

装炉～850

1010

1050

1090

1130

1170

1210

1250

1290

1330

1370

1410

1450

装炉～880

1105

1150

1200

1250

1300

1350

1400

1450

1500

1550

1600

1650

表10 Ⅲb型井式退火炉升温时间设置（单位：min）

装炉量

M

装炉～500 500～660 500～680

t1

/分 t1

/分 t1

/分

≤5.0 205 345 365

5.5 210 370 390

6.0 215 395 415

6.5 225 410 435

7.0 230 435 460

7.5 240 455 480

8.0 245 480 505

8.5 255 500 535

9.0 260 525 550

9.5 270 545 570

10.0 275 570 595

10.5 285 590 615

注：中间装炉量的升温时间用插入法求得。

500～700

t1

/分

425

450

475

495

520

540

565

595

620

640

665

685

500～720

t1

/分

455

485

510

530

560

575

600

630

645

665

690

710

退火温度，℃

500～750

t1

/分

525

550

575

595

620

640

665

695

710

730

755

775

500～780

t1

/分

570

595

620

640

665

685

710

740

755

775

800

820

500～800

t1

/分

660

695

730

760

795

825

860

890

925

955

990

1020

500～820

t1

/分

690

730

765

795

830

860

895

925

960

990

1025

1055

500～850

t1

/分

805

840

875

905

940

970

1005

1035

1070

1100

1135

1165

500～880

t1

/分

900

940

985

1025

1070

1110

1155

1195

1240

1280

1325

1365

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（Rm）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（Rm）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

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