高志超

(上海寶信軟件股份有限公司 上海：201900)

退火是金屬熱處理過(guò)程中的重要工序，是將偏離平衡狀態(tài)的金屬加熱到臨界溫度以上，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻，以得到接近于平衡狀態(tài)組織的過(guò)程[1]。通過(guò)退火可以達(dá)到細(xì)化組織、降低硬度、改善切削加工性能、消除內(nèi)應(yīng)力等目的。退火爐作為軋鋼企業(yè)主要設(shè)備之一，處于關(guān)鍵位置，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和成本。全氫罩式爐退火設(shè)備因具有易于更換產(chǎn)品品種和產(chǎn)量、不受產(chǎn)品規(guī)格限制、總投資低等優(yōu)點(diǎn)，因此目前仍然是鋼卷退火的主要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于冷軋?zhí)间揅Q、DQ等、熱軋不銹鋼400系列等鋼種退火。

因全氫罩式爐是采用鋼卷堆垛形式直接裝爐退火，而不是如連續(xù)退火爐那樣將鋼卷展開(kāi)鋪平入爐退火方式，這種特有的鋼卷裝爐方式導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)傳熱方式也具有獨(dú)特性，在退火過(guò)程中使得鋼卷整體上始終存在冷熱點(diǎn)溫差。爐內(nèi)溫度均勻性和退火鋼卷溫度均勻性成為全氫罩式爐退火過(guò)程中的重要工藝參數(shù)，是確保鋼卷熱處理工藝質(zhì)量的重要條件。本文對(duì)全氫罩式爐鋼卷溫度均勻性進(jìn)行了分析和探討。

1 全氫罩式爐基本結(jié)構(gòu)

全氫罩式爐主要由爐臺(tái)及周邊設(shè)備、加熱罩、內(nèi)罩、冷卻罩、閥站及管道系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)成，爐內(nèi)采用99.999%的高純氫氣作為保護(hù)氣體，通過(guò)對(duì)流和輻射將熱量傳給鋼卷，使鋼卷根據(jù)設(shè)定的溫度和氣體吹掃工藝進(jìn)行退火生產(chǎn)，主要設(shè)備如圖1所示。

(1)加熱罩。如圖1(a)所示，作者所在公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能加熱罩采用外置式燒嘴、外置式預(yù)熱器結(jié)構(gòu)，拆裝方便，不損壞爐襯纖維，便于日常維護(hù)。每個(gè)外置式燒嘴配套一個(gè)外置式預(yù)熱器，在爐頂部?jī)?nèi)側(cè)均布著多個(gè)排煙孔，每個(gè)排煙煙道內(nèi)配置預(yù)熱器，使?fàn)t膛氣流分布均勻，回收廢氣中的余熱，降低排煙溫度。燃燒控制采用全自動(dòng)脈沖恒熱流控制，配自動(dòng)點(diǎn)火及火焰檢測(cè)，以使空燃比達(dá)到最佳工況。助燃風(fēng)機(jī)采用變量恒壓風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)進(jìn)口處設(shè)置一套過(guò)濾器，噪音低，震動(dòng)小。爐襯采用全纖維結(jié)構(gòu)，保溫性能好。

(2)內(nèi)罩。如圖1(b)所示，內(nèi)罩成功地將加熱罩爐膛火焰與氫氣保護(hù)氣氣氛隔離開(kāi)，并能成功地進(jìn)行對(duì)流和輻射換熱，隨著退火工藝段在冷熱工況下往復(fù)運(yùn)行。內(nèi)罩法蘭采用精加工水冷大法蘭結(jié)構(gòu)，內(nèi)罩法蘭通水冷卻，降低爐臺(tái)法蘭O型密封圈使用溫度。延長(zhǎng)橡膠圈的使用壽命，內(nèi)罩采用橫波紋型，增加了設(shè)備強(qiáng)度和換熱面積，內(nèi)罩筒體材質(zhì)一般根據(jù)所需退火溫度進(jìn)行適應(yīng)性選擇，用于碳鋼鋼卷退火的內(nèi)罩筒體一般選用309S材質(zhì)，用于不銹鋼鋼卷退火的內(nèi)罩筒體選擇310S。

(3)冷卻罩。如圖1(c)所示，用于碳鋼退火的冷卻罩一般采用氣-水組合式，噴水直接冷卻內(nèi)罩，頂部中心有不銹鋼的溢流盤，當(dāng)風(fēng)冷至設(shè)定溫度后，罩頂部的冷卻水啟動(dòng)，冷卻水淹沒(méi)溢流盤后溢出，順著內(nèi)罩筒壁流下，可大大提高冷卻效果，縮短退火周期。用于不銹鋼退火的冷卻罩一般只采用空氣冷卻一種方式。

(4)爐臺(tái)及周圍設(shè)備。如圖1(d)所示，包括爐臺(tái)、高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)、導(dǎo)向柱等，爐臺(tái)由型鋼和加強(qiáng)鋼板非標(biāo)設(shè)計(jì)制成，用于承載鋼卷堆垛，爐臺(tái)法蘭上面配置耐高溫硅橡膠O型密封圈，爐臺(tái)法蘭下面設(shè)計(jì)了水冷卻通道，法蘭周邊設(shè)計(jì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)密封效果。擴(kuò)散器和導(dǎo)流板的功能是承載鋼卷負(fù)荷和組織爐內(nèi)氫氣循環(huán)流場(chǎng)，既保證了設(shè)備強(qiáng)度又實(shí)現(xiàn)了大流場(chǎng)通道要求。高溫電機(jī)和高溫葉輪是全氫罩式爐的核心重要部件，保證氫氣在爐內(nèi)能夠高速流動(dòng)，達(dá)到強(qiáng)對(duì)流效果，將熱量高效地傳輸給鋼卷。作者所在公司研制的高性能循環(huán)風(fēng)機(jī)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)2300轉(zhuǎn)/分鐘，在冷熱交替變化的退火工藝過(guò)程中能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，保證在加熱和冷卻退火工藝周期內(nèi)均能夠獲得最優(yōu)的氣體循環(huán)效果。

(5)閥站及管道系統(tǒng)。如圖1(e)所示，根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝流程圖，將管道和儀表系統(tǒng)進(jìn)行模塊化和功能化設(shè)計(jì)，通過(guò)工藝管道與設(shè)備相連接，達(dá)到實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)供應(yīng)和排放的目的。

圖1 全氫罩式退火爐基本結(jié)構(gòu)

2 鋼卷溫度均勻性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

熱處理爐溫度均勻性是指實(shí)際保溫溫度相對(duì)于工藝規(guī)定溫度的精確程度，是指各測(cè)試點(diǎn)溫度相對(duì)于設(shè)定溫度的最大溫度偏差[2]。傳統(tǒng)的熱處理爐一般無(wú)保護(hù)性氣氛，它是將待熱處理的鋼制品直接放到爐膛內(nèi)通過(guò)直接明火接觸加熱和直接風(fēng)冷冷卻方式實(shí)現(xiàn)退火工藝。而全氫罩式爐采用99.999%高純氫氣作為保護(hù)性氣氛，采用內(nèi)罩設(shè)備將待退火鋼卷和加熱罩燃燒區(qū)域(爐膛)有效隔離，退火鋼卷在爐臺(tái)、內(nèi)罩、高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)三者組成的全氫密閉空間(爐內(nèi))實(shí)現(xiàn)退火工藝。由于高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)氣流速度大，空間相對(duì)不大，爐內(nèi)氫氣達(dá)到強(qiáng)對(duì)流狀態(tài)，爐內(nèi)氣氛溫度均勻性良好。但是，由于鋼卷處于卷曲狀進(jìn)行直接裝爐退火，受限于鋼卷內(nèi)外徑和寬度數(shù)據(jù)差異，鋼卷內(nèi)外圈受熱不均，鋼卷本身的溫度均勻性成為影響產(chǎn)品品質(zhì)(如機(jī)械性能等)的關(guān)鍵因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式定期檢查測(cè)定特定退火工藝制度條件下鋼卷溫度均勻性，成為提升產(chǎn)品品質(zhì)的一種有效途徑。

2.2 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)試驗(yàn)方式熱電偶放在鋼卷外部，測(cè)量熱處理爐鋼卷邊緣氣氛溫度，或?qū)犭娕挤胖迷阡摼矶瞬窟吘塠3-4]，沒(méi)有深入到鋼卷內(nèi)部。然而鋼卷卷芯溫度是否到達(dá)設(shè)定退火溫度，在退火溫度范圍內(nèi)持續(xù)多久，均是影響鋼卷退火品質(zhì)的重要因素。如能獲得上述參數(shù)，就能更好地指導(dǎo)制定退火工藝，優(yōu)化全氫罩式爐使用工況。圖2為作者所在團(tuán)隊(duì)搭建的鋼卷溫度均勻性測(cè)試系統(tǒng)，該方法選定爐內(nèi)每個(gè)鋼卷外側(cè)卷邊、卷芯、內(nèi)側(cè)卷邊三個(gè)點(diǎn)溫度作為測(cè)量對(duì)象，外側(cè)卷邊測(cè)量點(diǎn)能夠反映鋼卷外部溫度場(chǎng)分布，通過(guò)監(jiān)控控制系統(tǒng)設(shè)定退火溫度與鋼卷外側(cè)卷邊實(shí)際溫度，來(lái)確定是否存在過(guò)燒情況。利用在鋼卷卷芯部位的熱電偶采集鋼卷芯部實(shí)際溫度數(shù)據(jù)，反應(yīng)卷芯點(diǎn)是否達(dá)到鋼卷金屬退火溫度及溫度持續(xù)時(shí)間。裝爐堆垛方向均分選擇四個(gè)鋼卷，每卷選擇如上所述的三個(gè)點(diǎn)，能夠有代表性地反映和獲得整個(gè)鋼卷堆垛的內(nèi)部溫度范圍特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼卷內(nèi)部冷熱點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)控。

因熱電偶需要插入已裝入爐內(nèi)的鋼卷卷邊和卷芯內(nèi)部位置，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)位置不同，選用6-10m長(zhǎng)度不同的柔性熱電偶來(lái)進(jìn)行溫度采集。柔性熱電偶使用溫度范圍0-1000℃，帶補(bǔ)償導(dǎo)線，在試驗(yàn)前需按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校驗(yàn)[5-6]。在卷曲過(guò)程中將鋼絲或鋼條放入待退火鋼卷位置(圖2中1～12點(diǎn)位)，預(yù)留柔性熱電偶插入空間，在裝爐組垛和放置對(duì)流板時(shí)需注意不要擠壓柔性熱電偶，柔性熱電偶放置于鋼卷后，鋼卷縫隙兩端用耐火材料堵塞，降低爐內(nèi)氣氛對(duì)測(cè)量溫度的影響。熱電偶采用卡套連接方式，通過(guò)爐臺(tái)上配套設(shè)計(jì)的檢測(cè)熱電偶連接法蘭進(jìn)行連接，將熱電偶引出爐外，并與溫度記錄儀連接。該檢測(cè)布局和溫度取源方式較為方便，實(shí)用性強(qiáng)，可對(duì)多個(gè)罩式爐進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試。

選用浙大中控品牌多點(diǎn)溫度記錄儀(無(wú)紙記錄儀)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)監(jiān)控和記錄。柔性熱電偶的卡套接線處由爐臺(tái)檢測(cè)熱電偶管道內(nèi)引出，并與無(wú)紙記錄儀連接。無(wú)紙記錄儀保持通電狀態(tài)，該設(shè)備能時(shí)刻連續(xù)記錄熱電偶所測(cè)量的溫度數(shù)值并保存在內(nèi)置的內(nèi)存內(nèi)。測(cè)試完畢后，可將無(wú)紙記錄儀內(nèi)存內(nèi)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到移動(dòng)存儲(chǔ)卡上，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，詳見(jiàn)圖2。表1是本系統(tǒng)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和要求。

圖2 鋼卷溫度均勻性測(cè)試系統(tǒng)

表1 鋼卷溫度均勻性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備要求

3 鋼卷溫度均勻性試驗(yàn)過(guò)程

3.1 鋼卷組垛裝爐退火過(guò)程

選取某不銹鋼工程全氫罩式爐進(jìn)行鋼卷溫度均勻性測(cè)試試驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備退火能力。采用圖2所示的鋼卷溫度測(cè)量點(diǎn)監(jiān)測(cè)退火溫度，工藝溫度采用840℃，保溫時(shí)間設(shè)定19h，帶罩冷卻溫度設(shè)定840℃/700℃，出爐溫度設(shè)定200℃。測(cè)試鋼卷信息見(jiàn)表2，堆垛凈重量約78.67t，裝爐系數(shù)89.39%，將上述數(shù)據(jù)按照正常的生產(chǎn)操作程序進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，上述測(cè)試工藝和鋼卷堆垛數(shù)據(jù)具有代表性，能夠反映整個(gè)罩式爐機(jī)組的設(shè)備性能。

表2 退火鋼卷信息

在退火過(guò)程中，無(wú)紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄溫度。整個(gè)退火周期采用寶信全氫罩式爐信息監(jiān)控軟件進(jìn)行控制，該系統(tǒng)具有“一鍵退火”功能，自動(dòng)化程度非常高，正常退火過(guò)程無(wú)需人員干預(yù)。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

無(wú)紙記錄儀監(jiān)測(cè)記錄的熱電偶溫度曲線如圖3 所示。數(shù)據(jù)分析表明，在退火溫度840℃、保溫時(shí)間19h設(shè)定工藝條件下，保溫結(jié)束時(shí)四卷鋼卷的卷芯(冷點(diǎn))溫度分別是839℃、839℃、833℃、832℃，鋼卷冷熱點(diǎn)溫差分別是1℃，1℃，7℃，8℃，均在10℃以內(nèi)，表明退火鋼卷溫度均勻性優(yōu)異，全氫罩式爐設(shè)備退火能力良好。

圖3 控制熱電偶溫度和鋼卷內(nèi)熱電偶溫度曲線

對(duì)比控制熱點(diǎn)和1-12號(hào)熱電偶采集數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)控制系統(tǒng)在從“保溫段”跳轉(zhuǎn)到“帶加熱罩冷卻”時(shí)點(diǎn)后，卷芯溫度仍然會(huì)上升約2～4℃，這是因?yàn)闊釕T性所致，在保溫結(jié)束時(shí)鋼卷徑向依然存在較小的溫度梯度，外在表現(xiàn)為鋼卷卷芯溫度繼續(xù)升高。

對(duì)退火出爐鋼卷頭部和尾部進(jìn)行取樣，部分機(jī)械性能數(shù)據(jù)如表3 所示。數(shù)據(jù)表明退火鋼卷屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JISG4305-2005標(biāo)準(zhǔn)要求，證明罩式爐退火設(shè)備退火能力良好，所選退火工藝滿足用戶技術(shù)要求。

表3 退火后SUS430鋼卷力學(xué)性能

4 結(jié)論

本文基于某工程中全氫罩式爐設(shè)備進(jìn)行了鋼卷溫度均勻性試驗(yàn)研究,得出以下主要結(jié)論：

(1)選取退火溫度840℃、保溫19h作為SUS430鋼種作為全氫罩式爐退火爐工藝參數(shù)，保溫結(jié)束時(shí)鋼卷冷熱點(diǎn)溫差在10℃以內(nèi)，鋼卷溫度均勻性優(yōu)異，為后續(xù)同鋼種同規(guī)格鋼卷的退火作業(yè)提供了數(shù)據(jù)支撐。

(2)退火鋼卷的機(jī)械性能不僅是衡量罩式爐退火性能的重要指標(biāo)，更是影響退火產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素?？筛鶕?jù)鋼卷卷芯所需溫度和機(jī)械性能分析來(lái)優(yōu)化保溫時(shí)間，以擴(kuò)大冷熱點(diǎn)溫差縮短保溫時(shí)間來(lái)達(dá)到了提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗，提高生產(chǎn)效益的目的。

(3)本文提出的鋼卷溫度均勻性試驗(yàn)方法能夠有效了解罩式爐機(jī)組退火性能，能夠?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行的預(yù)先診斷提供數(shù)據(jù)支撐，尤其為開(kāi)發(fā)新鋼種退火工藝制度方面提供了一個(gè)有效的技術(shù)路徑。