多功能辊底炉的应用及优化

冯杰斌

摘 要：热处理是特钢产品的重要工序，热处理工序直接影响钢材的硬度、屈服强度、冲击韧性、显微镜相组织、脱碳层等关键性能。因我厂特钢产品生产需要，我厂投建了一座多功能辊底炉，满足特钢产品的退火、正火、高温回火等热处理工艺。文章结合实际生产经验，介绍多功能辊底炉的主要工艺特点；通过分析实际生产中产生的反温问题，提出向缓冷段辐射管吹入冷风，加强辐射管换热，能有效控制反温现象。

关键词：多功能；工艺特点；反温

1 设备简介

1.1 入口/出口密封箱

炉子的入口端设有一个密封箱，防止空气进入炉内。密封箱包括气密焊接钢结构箱体、辊道、密封帘及耐热内衬。

1.2 热处理炉

炉体由气密焊接钢结构制成，炉辊由高级铬镍合金制成，炉辊由链条和链轮驱动。烧嘴采用套管式自身预热式低热值煤气辐射管烧嘴，共92套。辐射管安装在炉辊上、下，辐射管外管由高级耐热合金制成，内管为柔性组合式耐高温陶瓷管。每支辐射管都装有自动点火，火焰监测系统，并配有截止阀、开/关电磁阀组、调节阀。

炉子分为13个区，每个区由燃气自身预热辐射管烧嘴、PLC的温控软件构成炉温的连续自动控制系统，保证炉料温度的精确控制及能源的经济利用。

1.3 快速冷却装置

在进行正火热处理时，需要对棒料进行快速冷却，强对流速冷装置专用于实现在保护气氛下对棒料进行快速冷却。为满足“多功能”要求，该装置冷却强度可調，即可作为快冷装置。亦可作为缓冷装置使用。

1.4 缓冷段

冷却段为焊接钢结构，工件被水冷套包围，由左侧和左侧底部冷却、右侧和右侧底部冷却和顶部冷却三个部分组成。

1.5 保护气系统

保护气通过炉体上数个通入点进入炉内。热处理炉保护气由纯氮气组成，保护气的流量用流量计和控制阀来调节，最大总流量为每小时约250立方米。

2 工艺特点

本设备可以用于轴承钢棒球化退火、弹簧钢软化、优质碳素结构钢正火、合金结构钢的高温回火，适用钢棒Φ20-130mm，长度4-12m的钢棒热处理。退火工作温度范围730℃-870℃，正火工作温度范围800℃-950℃。

2.1 备料

本设备带有多个备料架，备料架备料摆料时平稳摆放在地面，操作人员将棒材吊运到备料架上进行备料。棒材在备料架上要求摆放平整、厚度均匀，摆料高度不能高于250mm，防止超高撞坏炉内设备。前后批次棒材保证200～300mm距离，棒材前端需要理齐，防止炉头防撞检测光栅检测不到上层棒材，造成前后批次追尾。

由于不同的工艺，工艺温度不同，工艺辊速不一样，使炉辊在不工艺下最大承载能力不一样。在考虑设备承受能力的同时，保证棒材在炉内受热均匀，生产高效有序，所以不同的工艺对备料重量有不同的要求。正火时（温度850～950℃，辊速9～14m/h），备料重量≤550kg/m，球化退火（温度780～880℃，辊速3～4m/h），备料重量≤1150kg/m，软化退火（温度660～770℃，辊速4～6m/h），备料重量≤1000kg/m。

2.2 退火工艺

根据退火工艺以上特点，可将辊底炉13个控温区按照其功能和目的划分为单纯加热段、加热保温段、保温段、快速冷却段、等温段（普通退火时省略以上两段）、缓冷段五部分，如GCr15球化退火时，将1、2区划分为单纯加热段，3区为加热保温段，4～6区为保温段，7区为快速冷却段，8～13段为缓冷段，工艺温度设定如表1。棒材在进炉到出炉整个传输过程中就能完成加热、保温、缓冷等工艺步序。如表1所示。

第7控温区装备有多个喷流换热辐射管，提高7区换热冷却能力，在球化退火时，开启7区喷冷风模式，能起到快速冷却的作用，确保奥氏体化后能以较快速度的冷却至Ac1以下，防止冷却速度过慢造成球化组织粗大。

表1

2.3 正火工艺

为满足多功能的要求，炉体段后设置有强对流速冷装置，保证正火保温后，有足够的冷却速度。对流由变频风机驱动，正火处理时，通过调节风机频率，使冷却速度可调，速冷装置冷却出口冷却风可控制范围为100～200℃。为保证冷却时棒材横截面各个方向冷却均匀，正火时备料必须单层摆放，且负载≤550kg/m，防止冷却不均造成各项性能波动。

2.4 保护气氛控制

脱碳层是特钢产品的重要性能指标之一，控制脱碳的主要手段有控制炉内气氛，本设备带有氮气保护气氛，炉内充入惰性气体，控制影响脱碳的氧气含量，从而减少新增脱碳层。本设备氮气保护气氛系统有三路支管分别接入炉体的头、中、尾三个位置。正常生产情况下，持续向炉内通入150m3/h流量氮气，炉内氧含量控制在200ppm，能够有效地将新增脱碳层控制在0.05～0.15mm范围内。如来料脱碳层较深或对脱碳层要求较严格时，为有效控制脱碳层，可加大炉头氮气流量，能有效去除粘附在进炉棒材表面的空气，减少新增脱碳层。

3 功能优化

3.1 存在问题

棒材经过加热保温后，在炉内降温缓冷时，会出现因反温现象，即缓冷段某区温度高于设定值。如球化退化时，7区开启喷冷功能后，炉内检测温度达到设定温度，在棒材走至8区时，该区温度超出设定温度10℃以上。

主要原因是本设备的主要换热方式为辐射换热，换热方式较单一，降温时通过棒材表面与辐射管和炉壁之间的热辐射传热，换热能力较差，并且棒材多为多层堆垛进炉，容易出现中间层温将较低，速冷后出现强烈的反温。

3.2 炉内缓冷优化

为解决上述问题，必须加强8～13区冷却能力，保证在炉棒材冷却均匀充分，防止缓冷过慢造成组织粗大的现象。通过加强辐射管内的对流，可以有效地带走辐射管的热量，降低辐射管的温度，提高棒材与辐射管的辐射传热，增强炉内降温能力，因此优化缓冷能力主要手段是对辐射管内吹入冷风。对8～13区进行控温模式优化，增加了冷却模式。在此模式下，8～13区禁止点火，通过PID控制，脉冲开启助燃空气电磁阀，向辐射管中充入低温的助燃空气，通过此控制模式，有效地控制速冷后的反温现象。

4 结束语

（1）根据设备特点和工艺特点，摸索了一套适合本设备和工艺要求的退火、回火、正火等工艺，控温精度达到±3℃，并对各工艺做均匀性测试，检测断面温差，保温时温差≤1℃，满足各工艺要求；（2）通过合适的氮气流量（约135m3/h），可以用最低的氮气流量有效抑制炉内氧含量（≤200ppm），有效的减少热处理后的新增脱碳层，保证脱碳要求满足标准和客户要求；（3）经过对8～13区优化，可以根据不同的工艺要求选择加热或冷却模式，有效地抑制反温现象，增强8～13区冷却能力，防止组织粗大的情况。

参考文献

[1]吴建国，张卫军，战哄仁.燃料热处理炉[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，2010：46-121.