退火爐熱平衡計算與熱處理工藝設(shè)置

退火爐熱平衡計算與熱處理工藝設(shè)置東北特鋼集團大連特殊鋼絲公司徐效謙內(nèi)容摘要：通過熱平衡計算，根據(jù)裝爐量對電井爐升溫工藝實行分段控制，能有效地改善退火鋼絲加熱過程的溫差，顯著提高退火后鋼絲的力學(xué)性能均勻性。關(guān)鍵詞：退火爐熱平衡計算均勻性退火爐熱處理均勻性是一項重要指示，一般認為熱處理均勻取決于熱處理爐的上、中、下或前、后各區(qū)的加熱能力的分布狀況，實際上加熱能力的均勻分布只是一個基本要求，熱量的傳輸效率才是決定熱處理均勻性的關(guān)鍵因素。保證單位時間供給的熱量與爐料吸收的熱量基本平衡，是提高熱處理均勻性唯一的控制要點，控制目標(biāo)是單位時間熱量的傳輸效率應(yīng)大于95%。熱處理均勻性與熱量的傳輸效率成正比關(guān)系，傳輸效率越低，熱處理均勻性越差。這個基本原理我們是通過長期實踐才逐漸認識到的。型井式退火爐基本狀況鋼絲III型強對流氣體保護井式退火爐原設(shè)計為自動升溫，即控制儀表一段控制溫度直接設(shè)置為工藝規(guī)定的退火溫度，由儀表控制升溫時間。第2和第3段同時設(shè)置溫度和時間兩項工藝參數(shù)。實際運行結(jié)果是：退火鋼絲抗拉強度偏高，以針絲為例，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/LD30-2004中GCrl5I組要求抗拉強度為Rm:560?680MPa,而在生產(chǎn)過程中測得實驗結(jié)果為Rm:670?730MPa，同爐鋼絲軟硬不均，抗拉強度差大。為此需對退火爐進行熱平衡計算，在升溫階段同時設(shè)定升溫溫度和升溫時間，強化退火效果、改善鋼絲抗拉強度均勻性。III型退火爐主要技術(shù)參數(shù)如表1,裝料架計算參數(shù)如表2。表1周期爐主要技術(shù)參數(shù)序退火爐型有效裝料容積裝爐量退火溫度加熱功率KW控溫爐體外形尺寸號①xHmmt°C區(qū)段①xHmm5Illa型井式退火爐2000x30505?12650?85024033125x38506Illb型井式退火爐2000x30004?10.5650?85019033000x3930表2裝料架計算參數(shù)料架編號外形尺寸/mm自重，kg每架裝載量/t備注5#820x480/510x1400(1600)老1351.16#780x360/380x1250(1450)老1151.07#700x360/380x1400(1600)新1101.08#500x220x1000(1300)新0.6裝料架尺寸：底盤外徑x芯架外徑（上/下）x料架高（加上吊料環(huán)后總高）Ia型井式退火爐工藝參數(shù)及熱平衡計算加熱時間計算方法（1）配置功率除以安全系數(shù)1.2,即為有效使用功率。有效使用功率中扣除N4?"6三項消耗功率,46余數(shù)為加熱功率，見第三節(jié)。N=N/1.2；有效總N=N加熱N=N加熱有效-N4-N5-N62)熱量換算成單位時間的電耗—功率N=_QN=_Q860t則Q加熱=860N加熱Tt=q/860N 。加熱 加熱式中：t—鋼絲加熱到預(yù)定溫度的時間，h。(3)加熱能耗主要用于鋼絲、料架和內(nèi)膽等加熱能耗，內(nèi)膽、導(dǎo)流桶和爐蓋的能耗只取決于退火溫度，是固定不變的。料架與裝爐量有對應(yīng)關(guān)系，我公司料架重量平均為裝爐量的15%，因此需要將鋼絲加熱能耗進一步分解成噸鋼能耗W與裝爐量M。W=Q1可以導(dǎo)出Q]=W]M、Q2=W2MM1122式中W—噸鋼能耗，kcal/tM—裝爐量，t(4)N加熱是用于加熱鋼絲、料架和內(nèi)膽等的功率，要將爐中鋼絲加熱到預(yù)定溫度，必須保證N加加熱 加熱在t內(nèi)提供的熱量能將鋼絲、料架和內(nèi)膽加熱到預(yù)定溫度，即：熱Q=Q+Q+Q=Q=WM+WM+Q=860NT；加熱1 2 3 1 1 2 3 加熱可以導(dǎo)出：WM+WM+QT= 1 2 3860N加熱2.工藝參數(shù)(1)IIIa型井式退火爐配置功率240kW；不銹鋼內(nèi)膽3.2t，不銹鋼導(dǎo)流桶1.8t，爐蓋1.2t；爐體外形尺寸：3125x3850mm；比熱容計算取值(Cp=kcal/kg.°C)如表3。表3比熱容計算取值溫度C25200500660680700720750780800820850880不銹0.1120.120.1350.140.140.1450.1450.150.150.160.160.1680.168碳鋼0.1130.1150.1280.1370.1370.1440.1440.1520.1520.1650.1650.1650.165熱平衡計算鋼絲加熱所需熱量以700C退火的碳素鋼絲為例進行熱平衡計算，查資料得知鋼絲的C25=0.113kcal/kg.C，C700=0.144kcal/kg．C。W1=m(C1t1－C0t0)=1000x(700x0.144－25x0.113)=97975(kcal)裝料架加熱所需熱量鋼絲裝在料架上退火，裝料架材質(zhì)為321不銹鋼,4*裝料架平均單重187kg，15個料架總重2800kg。查資料得知321裝料架的C25=0.112kcal/kg.C，C750=0.15kcal/kg.C。計算時裝料架總重量2000kg。W2=15%m(C]t]—C0t0)=150x(700x0.15-25x0.112)=15330(kcal)內(nèi)膽及導(dǎo)流桶等加熱所需熱量內(nèi)膽、導(dǎo)流桶及爐蓋總重量3.2+1.8+1.2=6.2t,材質(zhì)310,連續(xù)生產(chǎn)時，鋼絲出爐后內(nèi)膽等平均溫度能保持在200°C左右。查資料得知304內(nèi)膽的C200=0.12kcal/kg.°C、C75o=0.15kcal/kg.°C。Q3=m(C]t]—C0t0)=62OOx(700x0.15—200x0.12)=502200(kcal)冷卻水消耗功率電井爐強對流電機和爐蓋密封膠墊使用中必須通水冷卻，因此要消耗部分功率。冷卻水用量6t/h,660°C、680C退火時，預(yù)計每小時溫升3.5°C；700°C、720C退火時，預(yù)計每小時溫升4.0°C；750°C、780C退火時，預(yù)計每小時溫升4.5°C；800°C、820Cj!火時，預(yù)計每小時溫升5.0C；850°C、880C退火時，預(yù)計每小時溫升5.5C；。Q4=mC(t]—t0)=6000x(29—25)x1=24000(kcal/h)N4=Q4/860=24000v860=27.9(kW)保護氣體消耗功率電井爐退火時選用高純氮作為保護氣體，防止鋼絲氧化。保護氣體平均用量15m3/h，查資料得知N2的比熱C200=0.248kcal/m3.°C。Q5=mC(t]—10)=15x(700—25)x0.248=2511(kcal/h)N5=Q5/860=2511v860=2.92(kW)爐體散熱消耗的功率電井爐外形尺寸為①3125xH3850m，其外表面積F=53.41m2。660C.680C!火時，冬季表面溫度預(yù)計不超過50°C、q取294；700°Cf51°C、q取306；720°C—52°C、q取318；750°C—53°C、q取330；780°C—54°C、q取342；800°C—55°C、q取355；820°—56°C、q取367；850°—57°C、q取379；880°C退火時，冬季表面溫度預(yù)計不超過58°C、q取391。Q6=qF=306x53.41=16343.5(kcal/h)N6=Q6/860=16343.5v860=19.0(kW)表4爐體外表面溫度與散熱系數(shù)(q)的關(guān)系表面溫度C散熱系數(shù)kcal/m2.h表面溫度C散熱系數(shù)kcal/m2.h表面溫度C散熱系數(shù)kcal/m2.h表面溫度C散熱系數(shù)kcal/m2.h253850294806901201740308360416908471402170401827055010010101602660注：其他溫度對應(yīng)的q值可用插入法求得。根據(jù)公式：WM+WM+QT= 2 3860N加熱t(yī)_WM+W?M+Q$=97975M+15330+502200=°88M+389t700- 860N 860x150.18加熱計算數(shù)值匯總?cè)绫?。同理可以求出：t(500°CW)=0?58M+2.30t(66O°CW)=0?79M+3?49t(680°CW)=O?83M+3?64t(700°CM)=0?88M+3.89t(720°CW)=O?91M+4?05t(750°CM)=097M+4.39t(780°CW)=1?02M+4?65t(800°CM)=1?O8M+4?95t（820°O時）=1?11M+5?11t（850°C時）=1.19M+5?55t（880°C時）=1.24M+5?83式中：t—加熱時間，h；M—裝爐量，t。升溫速度分段設(shè)置的意義從表3可以看出：鋼鐵材料的比熱容隨退火溫度升高而增大，這就意味著在功率固定的退火爐中，鋼絲在低溫段升溫快，在高溫段升溫速度要慢得多。如果按一段設(shè)置升溫速度，自動控溫儀表往往把升溫速度均勻的分配到各時間段中，這樣退火爐在低溫區(qū)經(jīng)常停電（或降壓）控溫，進入高溫區(qū)后往往在預(yù)定時間內(nèi)升不到預(yù)定溫度。如果選用滿功率升溫，因為退火爐內(nèi)溫度是從外圈向內(nèi)圈傳遞的，靠近外圈鋼絲的溫度長時間高于內(nèi)圈鋼絲的溫度，勢必造成退火鋼絲組織和力學(xué)性能嚴重不均。根據(jù)多年生產(chǎn)實踐，我們摸索出退火爐分段設(shè)置控溫模式：首先通過熱平衡計算，算出不同裝爐量鋼絲，各溫段所需升溫時間，然后分成裝爐?500。0和500€?預(yù)定退火溫度兩段控制升溫速度，徹底解決了上述兩大控溫難題，使強對流井式退火爐熱處理后的鋼絲抗拉強度偏差控制在30MPa以內(nèi)。根據(jù)以上分析，IIb型井式退火爐升溫時間計算值如表6。因為升溫過程是累計自動控制的，第一段未升到預(yù)定溫度，自動調(diào)整到第二段開始計溫時間中，通?？蓪⒌谝欢紊郎貢r間縮短一點，保證第二段有足夠的升溫時間，調(diào)整后的iia型井式退火爐升溫時間設(shè)置如表7。W,kcal/h660680700720750780800820850880169175922159509597975100855105175W.,kcal/h10830W,kcal/h660680700720750780800820850880169175922159509597975100855105175W.,kcal/h1083013080148801533015780164551094951713011237511525511957512389517580180301870519380Q.,kcal316200465000483600502200520800548700576600595200613800641700669600N,/kW21.024.424.427.927.931.431.434.834.838.438.4N,kW2.052.752.832.923.03.143.263.353.443.513.7N「，kW617.318.018.2619.019.7520.1921.2422.0522.1923.5324.28裝爐量 退火溫度，Ct裝爐?500裝爐?660裝爐?680裝爐?700裝爐?720裝爐?750裝爐?780裝爐?800<5.03204504705005205555856205.53304704905305405856206556.03505005205505706156456906.53705205405806006456807207.03805405706106306707107507.54005705906306507007657858.04205906206606807307708158.54406106406807107608008509.04506406707107407908308809.547066069074076582086091510.049068072076079084589094510.551071074079081587592598011.0520730770820845905950101011.5570760790840870935985104012.059078082087090096510151075

退火溫度，。C裝爐量裝爐?500500?660500?680500?700500?720500?750500?780500?800Mti/分t1/分t1/分t1/分t1/分t1/分t1/分t1/分V.01175270290320134038041014455.51802903103453654054354756.01853103303653854304605006.51903303503854104504905307.02003403654054254705055507.52053603854254454955655808.02103804054454705205606058.52203904204604855405806309.02254104404855105606056559.523043046050553058563068510.023545048052555561065574010.524046550055057563568073511.025048051556559565570076011.525550053558561568073079012.026052055560564070075581512.527053057062555572077583513.0280540580635670735790855注：中間裝爐量的升溫時間用插入法求得。五lib型井式退火爐熱平衡計算同樣以700Cl火的碳素鋼絲為例，對lib型井式退火爐進行熱平衡計算，計算數(shù)值匯總?cè)绫?。以表8數(shù)值為準(zhǔn)，退火溫度時裝爐量與升溫時間的對應(yīng)關(guān)系如下：t（500C時）=0.68M+2.74t（660C時）=0.95M+4.47t（680C時）=0.98M+4.66t（700C時）=1.04M+5.31t（720C時）=1.09M+5.49t（750C時）=1.17M+6.35t（780C時）=1.23M+6.73t（800C時）=1.32M+7.83t（820C時）=1.37M+8.11t（850C時）=1.48M+9.44t（880C時）=1.61M+10.36式中：t—加熱時間，h；M—裝爐量，t。按上式可以計算出lib型井式退火爐不同裝爐量、不同退火溫度下理論升溫時間如表9。因為升溫過程是累計自動調(diào)整到第二段開始計溫時間中，通?？蓪⒌谝欢紊郎貢r間縮短一點，保證第二段有足夠的升溫時間，調(diào)整后的1叱型:表8lib型井式退火爐熱平衡計算數(shù)據(jù)匯總表退火溫度，。C500660680700720750780退火溫度，。C500660680700720750780800820850880W],kcal/h69175922159509597975100855105175109495112375115255119575123895W.,kcal/h970513440138601480515240164551713018780192602100021756O’,kcal269700424080441440480500498480548700576600644800664640736560767808N./kW4

21.024.424.427.927.931.431.434.834.838.438.4NjkW2.052.752.832.923.03.143.263.353.443.513.7kW616.5317.5017.5018.2018.9119.6220.3421.1121.8222.5423.25裝爐量t退火溫度，。C裝爐?500裝爐?660裝爐?680裝爐?700裝爐?720裝爐?750裝爐?780裝爐?800<5.03705505706306607307758655.53905806006606957608059056.04106106306907257908359456.54306356607207558208659857.045066569075079085089510257.547069572078081588092510658.049072575081084591095511058.551075578084087594098511459.0530785810880905970101511859.555081584091093510001045122510.057084587094096510301075126510.5590875900970995106011051305表10lib型井式退火爐升溫時間設(shè)置（單位：min）退火溫度，C裝爐量裝爐?500500?660500?680500?700500?720500?750500?780500?800M-/分-/分-/分-/分-/分-/分-/分-/分<5.01205345136514251455152557016605.52103703904504855505956956.02153954154755105756207306.52254104354955305956407607.0230435460520560620665795752404554805405756406858258.02454805055656006657108608.52555005355956306957408909.02605255506206457107559259527054557064066573077595510.0