退火炉热平衡计算与热处理工艺设置
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 | 退火炉型 | 有效装料容积 Φ×Ηmm | 装炉量 t | 退火温度 ℃ | 加热功率 KW | 控温 区段 | 炉体外形尺寸 Φ×Ηmm |
5 | Ⅲa型井式退火炉 | 2000×3050 | 5～12 | 650～850 | 240 | 3 | 3125×3850 |
6 | Ⅲb型井式退火炉 | 2000×3000 | 4～10.5 | 650～850 | 190 | 3 | 3000×3930 |
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表2 装料架计算参数
料架编号 | 外形尺寸/mm | 自重，kg | 每架装载量/t | 备注 |
5# | 820×480/510×1400(1600)老 | 135 | 1.1 | |
6# | 780×360/380×1250(1450)老 | 115 | 1.0 | |
7# | 700×360/380×1400(1600)新 | 110 | 1.0 | |
8# | 500×220×1000(1300)新 | | 0.6 | |
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） |
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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-N4-N5-N6；
（2）热量换算成单位时间的电耗—功率
N＝ 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=可以导出 Q1=W1M、Q2=W2M
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=Q1 +Q2 +Q3= Q1=W1M+W2M+ Q3=860N加热τ；
可以导出：
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 ℃ | 25 | 200 | 500 | 660 | 680 | 700 | 720 | 750 | 780 | 800 | 820 | 850 | 880 |
不锈 | 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 |
| | | | | | | | | | | | | |
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 ℃ | 散热系数 kcal/ m2．h | 表面温度 ℃ | 散热系数 kcal/ m2．h | 表面温度 ℃ | 散热系数 kcal/ m2．h | 表面温度 ℃ | 散热系数 kcal/ m2．h |
25 | 38 | 50 | 294 | 80 | 690 | 120 | 1740 |
30 | 83 | 60 | 416 | 90 | 847 | 140 | 2170 |
40 | 182 | 70 | 550 | 100 | 1010 | 160 | 2660 |
注：其他温度对应的q值可用插入法求得。 |
| | | | | | | |
根据公式：
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
退火温度，℃ | W1，kcal/h | W2，kcal/h | Q3，kcal | N4/kW | N5，kW | N6，kW | N有效，kW | N加热，kW |
500 | 69175 | 10830 | 316200 | 21.0 | 2.05 | 17.3 | 200 | 159.65 |
660 | 92215 | 13080 | 465000 | 24.4 | 2.75 | 18.0 | 200 | 154.85 |
680 | 95095 | 14880 | 483600 | 24.4 | 2.83 | 18.26 | 200 | 154.51 |
700 | 97975 | 15330 | 502200 | 27.9 | 2.92 | 19.0 | 200 | 150.18 |
720 | 100855 | 15780 | 520800 | 27.9 | 3.0 | 19.75 | 200 | 149.35 |
750 | 105175 | 16455 | 548700 | 31.4 | 3.14 | 20.19 | 200 | 145.27 |
780 | 109495 | 17130 | 576600 | 31.4 | 3.26 | 21.24 | 200 | 144.1 |
800 | 112375 | 17580 | 595200 | 34.8 | 3.35 | 22.05 | 200 | 139.8 |
820 | 115255 | 18030 | 613800 | 34.8 | 3.44 | 22.19 | 200 | 139.57 |
850 | 119575 | 退火温度 18705 | 641700 | 38.4 | 3.51 | 23.53 | 200 | 134.56 |
880 | 123895 | 19380 | 669600 | 38.4 | 3.7 | 24.28 | 200 | 133.62 |
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