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，保持一定時間，然后緩慢冷卻，以得到接近于平衡狀態(tài)組織的過程[1]。通過退火可以達到細化組織、降低硬度、改善切削加工性能、消除內應力等目的。退火爐作為軋鋼企業(yè)主要設備之一，處于關鍵位置，直接影響產品的質量、產量和成本。全氫罩式爐退火設備因具有易于更換產品品種和產量、不受產品規(guī)格限制、總投資低等優(yōu)點，因此目前仍然是鋼卷退火的主要設備之一，廣泛應用于冷軋?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鋪平入爐退火方式，這種特有的鋼卷裝爐方式導致爐內傳熱方式也具有獨特性，在退火過程中使得鋼卷整體上始終存在冷熱點溫差。爐內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程中的重要工藝參數，是確保鋼卷熱處理工藝質量的重要條件。本文對全氫罩式爐鋼卷溫度均勻性進行了分析和探討。

1 全氫罩式爐基本結構

全氫罩式爐主要由爐臺及周邊設備、加熱罩、內罩、冷卻罩、閥站及管道系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)構成，爐內采用99.999%的高純氫氣作為保護氣體，通過對流和輻射將熱量傳給鋼卷，使鋼卷根據設定的溫度和氣體吹掃工藝進行退火生產，主要設備如圖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產權的高性能加熱罩采用外置式燒嘴、外置式預熱器結構，拆裝方便，不損壞爐襯纖維，便于日常維護。每個外置式燒嘴配套一個外置式預熱器，在爐頂部內側均布著多個排煙孔，每個排煙煙道內配置預熱器，使爐膛氣流分布均勻，回收廢氣中的余熱，降低排煙溫度。燃燒控制采用全自動脈沖恒熱流控制，配自動點火及火焰檢測，以使空燃比達到最佳工況。助燃風機采用變量恒壓風機，在風機進口處設置一套過濾器，噪音低，震動小。爐襯采用全纖維結構，保溫性能好。

(2)內罩。如圖1(b)所示，內罩成功地將加熱罩爐膛火焰與氫氣保護氣氣氛隔離開，并能成功地進行對流和輻射換熱，隨著退火工藝段在冷熱工況下往復運行。內罩法蘭采用精加工水冷大法蘭結構，內罩法蘭通水冷卻，降低爐臺法蘭O型密封圈使用溫度。延長橡膠圈的使用壽命，內罩采用橫波紋型，增加了設備強度和換熱面積，內罩筒體材質一般根據所需退火溫度進行適應性選擇，用于碳鋼鋼卷退火的內罩筒體一般選用309S材質，用于不銹鋼鋼卷退火的內罩筒體選擇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，噴水直接冷卻內罩，頂部中心有不銹鋼的溢流盤，當風冷至設定溫度后，罩頂部的冷卻水啟動，冷卻水淹沒溢流盤后溢出，順著內罩筒壁流下，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)爐臺及周圍設備。如圖1(d)所示，包括爐臺、高溫循環(huán)風機、導向柱等，爐臺由型鋼和加強鋼板非標設計制成，用于承載鋼卷堆垛，爐臺法蘭上面配置耐高溫硅橡膠O型密封圈，爐臺法蘭下面設計了水冷卻通道，法蘭周邊設計自動旋轉液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了爐內密封效果。擴散器和導流板的功能是承載鋼卷負荷和組織爐內氫氣循環(huán)流場，既保證了設備強度又實現(xiàn)了大流場通道要求。高溫電機和高溫葉輪是全氫罩式爐的核心重要部件，保證氫氣在爐內能夠高速流動，達到強對流效果，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)風機，最高轉速達2300轉/分鐘，在冷熱交替變化的退火工藝過程中能夠保持長期穩(wěn)定運行，保證在加熱和冷卻退火工藝周期內均能夠獲得最優(yōu)的氣體循環(huán)效果。

(5)閥站及管道系統(tǒng)。如圖1(e)所示，根據設計的工藝流程圖，將管道和儀表系統(tǒng)進行模塊化和功能化設計，通過工藝管道與設備相連接，達到實現(xiàn)能源介質供應和排放的目的。

圖1 全氫罩式退火爐基本結構

2 鋼卷溫度均勻性試驗設計

2.1 試驗目的

熱處理爐溫度均勻性是指實際保溫溫度相對于工藝規(guī)定溫度的精確程度，是指各測試點溫度相對于設定溫度的最大溫度偏差[2]。傳統(tǒng)的熱處理爐一般無保護性氣氛，它是將待熱處理的鋼制品直接放到爐膛內通過直接明火接觸加熱和直接風冷冷卻方式實現(xiàn)退火工藝。而全氫罩式爐采用99.999%高純氫氣作為保護性氣氛，采用內罩設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、內罩、高溫循環(huán)風機三者組成的全氫密閉空間(爐內)實現(xiàn)退火工藝。由于高溫循環(huán)風機氣流速度大，空間相對不大，爐內氫氣達到強對流狀態(tài)，爐內氣氛溫度均勻性良好。但是，由于鋼卷處于卷曲狀進行直接裝爐退火，受限于鋼卷內外徑和寬度數據差異，鋼卷內外圈受熱不均，鋼卷本身的溫度均勻性成為影響產品品質(如機械性能等)的關鍵因素，通過實驗的方式定期檢查測定特定退火工藝制度條件下鋼卷溫度均勻性，成為提升產品品質的一種有效途徑。

2.2 試驗方法和試驗系統(tǒng)

傳統(tǒng)試驗方式熱電偶放在鋼卷外部，測量熱處理爐鋼卷邊緣氣氛溫度，或將熱電偶放置在鋼卷端部邊緣[3-4]，沒有深入到鋼卷內部。然而鋼卷卷芯溫度是否到達設定退火溫度，在退火溫度范圍內持續(xù)多久，均是影響鋼卷退火品質的重要因素。如能獲得上述參數，就能更好地指導制定退火工藝，優(yōu)化全氫罩式爐使用工況。圖2為作者所在團隊搭建的鋼卷溫度均勻性測試系統(tǒng)，該方法選定爐內每個鋼卷外側卷邊、卷芯、內側卷邊三個點溫度作為測量對象，外側卷邊測量點能夠反映鋼卷外部溫度場分布，通過監(jiān)控控制系統(tǒng)設定退火溫度與鋼卷外側卷邊實際溫度，來確定是否存在過燒情況。利用在鋼卷卷芯部位的熱電偶采集鋼卷芯部實際溫度數據，反應卷芯點是否達到鋼卷金屬退火溫度及溫度持續(xù)時間。裝爐堆垛方向均分選擇四個鋼卷，每卷選擇如上所述的三個點，能夠有代表性地反映和獲得整個鋼卷堆垛的內部溫度范圍特點，實現(xiàn)對鋼卷內部冷熱點溫度進行監(jiān)控。

因熱電偶需要插入已裝入爐內的鋼卷卷邊和卷芯內部位置，根據測量點位置不同，選用6-10m長度不同的柔性熱電偶來進行溫度采集。柔性熱電偶使用溫度范圍0-1000℃，帶補償導線，在試驗前需按標準進行校驗[5-6]。在卷曲過程中將鋼絲或鋼條放入待退火鋼卷位置(圖2中1～12點位)，預留柔性熱電偶插入空間，在裝爐組垛和放置對流板時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，降低爐內氣氛對測量溫度的影響。熱電偶采用卡套連接方式，通過爐臺上配套設計的檢測熱電偶連接法蘭進行連接，將熱電偶引出爐外，并與溫度記錄儀連接。該檢測布局和溫度取源方式較為方便，實用性強，可對多個罩式爐進行重復性測試。

選用浙大中控品牌多點溫度記錄儀(無紙記錄儀)進行溫度數據監(jiān)控和記錄。柔性熱電偶的卡套接線處由爐臺檢測熱電偶管道內引出，并與無紙記錄儀連接。無紙記錄儀保持通電狀態(tài)，該設備能時刻連續(xù)記錄熱電偶所測量的溫度數值并保存在內置的內存內。測試完畢后，可將無紙記錄儀內存內的數據導出到移動存儲卡上，然后進行數據處理，詳見圖2。表1是本系統(tǒng)設備的相關技術參數和要求。

圖2 鋼卷溫度均勻性測試系統(tǒng)

表1 鋼卷溫度均勻性測試系統(tǒng)設備要求

3 鋼卷溫度均勻性試驗過程

3.1 鋼卷組垛裝爐退火過程

選取某不銹鋼工程全氫罩式爐進行鋼卷溫度均勻性測試試驗，來檢驗設備退火能力。采用圖2所示的鋼卷溫度測量點監(jiān)測退火溫度，工藝溫度采用840℃，保溫時間設定19h，帶罩冷卻溫度設定840℃/700℃，出爐溫度設定200℃。測試鋼卷信息見表2，堆垛凈重量約78.67t，裝爐系數89.39%，將上述數據按照正常的生產操作程序進行生產試驗，上述測試工藝和鋼卷堆垛數據具有代表性，能夠反映整個罩式爐機組的設備性能。

表2 退火鋼卷信息

在退火過程中，無紙記錄儀實時記錄溫度。整個退火周期采用寶信全氫罩式爐信息監(jiān)控軟件進行控制，該系統(tǒng)具有“一鍵退火”功能，自動化程度非常高，正常退火過程無需人員干預。

3.2 測試結果分析

無紙記錄儀監(jiān)測記錄的熱電偶溫度曲線如圖3 所示。數據分析表明，在退火溫度840℃、保溫時間19h設定工藝條件下，保溫結束時四卷鋼卷的卷芯(冷點)溫度分別是839℃、839℃、833℃、832℃，鋼卷冷熱點溫差分別是1℃，1℃，7℃，8℃，均在10℃以內，表明退火鋼卷溫度均勻性優(yōu)異，全氫罩式爐設備退火能力良好。

圖3 控制熱電偶溫度和鋼卷內熱電偶溫度曲線

對比控制熱點和1-12號熱電偶采集數據分析發(fā)現(xiàn)，自動控制系統(tǒng)在從“保溫段”跳轉到“帶加熱罩冷卻”時點后，卷芯溫度仍然會上升約2～4℃，這是因為熱慣性所致，在保溫結束時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。

對退火出爐鋼卷頭部和尾部進行取樣，部分機械性能數據如表3 所示。數據表明退火鋼卷屈服強度、抗拉強度、延伸率等各項指標均滿足JISG4305-2005標準要求，證明罩式爐退火設備退火能力良好，所選退火工藝滿足用戶技術要求。

表3 退火后SUS430鋼卷力學性能

4 結論

本文基于某工程中全氫罩式爐設備進行了鋼卷溫度均勻性試驗研究,得出以下主要結論：

(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，保溫結束時鋼卷冷熱點溫差在10℃以內，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)提供了數據支撐。

(2)退火鋼卷的機械性能不僅是衡量罩式爐退火性能的重要指標，更是影響退火產品品質的重要因素?？筛鶕摼砭硇舅铚囟群蜋C械性能分析來優(yōu)化保溫時間，以擴大冷熱點溫差縮短保溫時間來達到了提高生產效率，降低能源消耗，提高生產效益的目的。

(3)本文提出的鋼卷溫度均勻性試驗方法能夠有效了解罩式爐機組退火性能，能夠為設備運行的預先診斷提供數據支撐，尤其為開發(fā)新鋼種退火工藝制度方面提供了一個有效的技術路徑。