全氢罩式炉钢卷温度均匀性试验研究

高志超

(上海宝信软件股份有限公司 上海：201900)

退火是金属热处理过程中的重要工序，是将偏离平衡状态的金属加热到临界温度以上，保持一定时间，然后缓慢冷却，以得到接近于平衡状态组织的过程[1]。通过退火可以达到细化组织、降低硬度、改善切削加工性能、消除内应力等目的。退火炉作为轧钢企业主要设备之一，处于关键位置，直接影响产品的质量、产量和成本。全氢罩式炉退火设备因具有易于更换产品品种和产量、不受产品规格限制、总投资低等优点，因此目前仍然是钢卷退火的主要设备之一，广泛应用于冷轧碳钢CQ、DQ等、热轧不锈钢400系列等钢种退火。

因全氢罩式炉是采用钢卷堆垛形式直接装炉退火，而不是如连续退火炉那样将钢卷展开铺平入炉退火方式，这种特有的钢卷装炉方式导致炉内传热方式也具有独特性，在退火过程中使得钢卷整体上始终存在冷热点温差。炉内温度均匀性和退火钢卷温度均匀性成为全氢罩式炉退火过程中的重要工艺参数，是确保钢卷热处理工艺质量的重要条件。本文对全氢罩式炉钢卷温度均匀性进行了分析和探讨。

1 全氢罩式炉基本结构

全氢罩式炉主要由炉台及周边设备、加热罩、内罩、冷却罩、阀站及管道系统、自动化控制系统构成，炉内采用99.999%的高纯氢气作为保护气体，通过对流和辐射将热量传给钢卷，使钢卷根据设定的温度和气体吹扫工艺进行退火生产，主要设备如图1所示。

(1)加热罩。如图1(a)所示，作者所在公司具有自主知识产权的高性能加热罩采用外置式烧嘴、外置式预热器结构，拆装方便，不损坏炉衬纤维，便于日常维护。每个外置式烧嘴配套一个外置式预热器，在炉顶部内侧均布着多个排烟孔，每个排烟烟道内配置预热器，使炉膛气流分布均匀，回收废气中的余热，降低排烟温度。燃烧控制采用全自动脉冲恒热流控制，配自动点火及火焰检测，以使空燃比达到最佳工况。助燃风机采用变量恒压风机，在风机进口处设置一套过滤器，噪音低，震动小。炉衬采用全纤维结构，保温性能好。

(2)内罩。如图1(b)所示，内罩成功地将加热罩炉膛火焰与氢气保护气气氛隔离开，并能成功地进行对流和辐射换热，随着退火工艺段在冷热工况下往复运行。内罩法兰采用精加工水冷大法兰结构，内罩法兰通水冷却，降低炉台法兰O型密封圈使用温度。延长橡胶圈的使用寿命，内罩采用横波纹型，增加了设备强度和换热面积，内罩筒体材质一般根据所需退火温度进行适应性选择，用于碳钢钢卷退火的内罩筒体一般选用309S材质，用于不锈钢钢卷退火的内罩筒体选择310S。

(3)冷却罩。如图1(c)所示，用于碳钢退火的冷却罩一般采用气-水组合式，喷水直接冷却内罩，顶部中心有不锈钢的溢流盘，当风冷至设定温度后，罩顶部的冷却水启动，冷却水淹没溢流盘后溢出，顺着内罩筒壁流下，可大大提高冷却效果，缩短退火周期。用于不锈钢退火的冷却罩一般只采用空气冷却一种方式。

(4)炉台及周围设备。如图1(d)所示，包括炉台、高温循环风机、导向柱等，炉台由型钢和加强钢板非标设计制成，用于承载钢卷堆垛，炉台法兰上面配置耐高温硅橡胶O型密封圈，炉台法兰下面设计了水冷却通道，法兰周边设计自动旋转液压系统，实现了炉内密封效果。扩散器和导流板的功能是承载钢卷负荷和组织炉内氢气循环流场，既保证了设备强度又实现了大流场通道要求。高温电机和高温叶轮是全氢罩式炉的核心重要部件，保证氢气在炉内能够高速流动，达到强对流效果，将热量高效地传输给钢卷。作者所在公司研制的高性能循环风机，最高转速达2300转/分钟，在冷热交替变化的退火工艺过程中能够保持长期稳定运行，保证在加热和冷却退火工艺周期内均能够获得最优的气体循环效果。

(5)阀站及管道系统。如图1(e)所示，根据设计的工艺流程图，将管道和仪表系统进行模块化和功能化设计，通过工艺管道与设备相连接，达到实现能源介质供应和排放的目的。

图1 全氢罩式退火炉基本结构

2 钢卷温度均匀性试验设计

2.1 试验目的

热处理炉温度均匀性是指实际保温温度相对于工艺规定温度的精确程度，是指各测试点温度相对于设定温度的最大温度偏差[2]。传统的热处理炉一般无保护性气氛，它是将待热处理的钢制品直接放到炉膛内通过直接明火接触加热和直接风冷冷却方式实现退火工艺。而全氢罩式炉采用99.999%高纯氢气作为保护性气氛，采用内罩设备将待退火钢卷和加热罩燃烧区域(炉膛)有效隔离，退火钢卷在炉台、内罩、高温循环风机三者组成的全氢密闭空间(炉内)实现退火工艺。由于高温循环风机气流速度大，空间相对不大，炉内氢气达到强对流状态，炉内气氛温度均匀性良好。但是，由于钢卷处于卷曲状进行直接装炉退火，受限于钢卷内外径和宽度数据差异，钢卷内外圈受热不均，钢卷本身的温度均匀性成为影响产品品质(如机械性能等)的关键因素，通过实验的方式定期检查测定特定退火工艺制度条件下钢卷温度均匀性，成为提升产品品质的一种有效途径。

2.2 试验方法和试验系统

传统试验方式热电偶放在钢卷外部，测量热处理炉钢卷边缘气氛温度，或将热电偶放置在钢卷端部边缘[3-4]，没有深入到钢卷内部。然而钢卷卷芯温度是否到达设定退火温度，在退火温度范围内持续多久，均是影响钢卷退火品质的重要因素。如能获得上述参数，就能更好地指导制定退火工艺，优化全氢罩式炉使用工况。图2为作者所在团队搭建的钢卷温度均匀性测试系统，该方法选定炉内每个钢卷外侧卷边、卷芯、内侧卷边三个点温度作为测量对象，外侧卷边测量点能够反映钢卷外部温度场分布，通过监控控制系统设定退火温度与钢卷外侧卷边实际温度，来确定是否存在过烧情况。利用在钢卷卷芯部位的热电偶采集钢卷芯部实际温度数据，反应卷芯点是否达到钢卷金属退火温度及温度持续时间。装炉堆垛方向均分选择四个钢卷，每卷选择如上所述的三个点，能够有代表性地反映和获得整个钢卷堆垛的内部温度范围特点，实现对钢卷内部冷热点温度进行监控。

因热电偶需要插入已装入炉内的钢卷卷边和卷芯内部位置，根据测量点位置不同，选用6-10m长度不同的柔性热电偶来进行温度采集。柔性热电偶使用温度范围0-1000℃，带补偿导线，在试验前需按标准进行校验[5-6]。在卷曲过程中将钢丝或钢条放入待退火钢卷位置(图2中1～12点位)，预留柔性热电偶插入空间，在装炉组垛和放置对流板时需注意不要挤压柔性热电偶，柔性热电偶放置于钢卷后，钢卷缝隙两端用耐火材料堵塞，降低炉内气氛对测量温度的影响。热电偶采用卡套连接方式，通过炉台上配套设计的检测热电偶连接法兰进行连接，将热电偶引出炉外，并与温度记录仪连接。该检测布局和温度取源方式较为方便，实用性强，可对多个罩式炉进行重复性测试。

选用浙大中控品牌多点温度记录仪(无纸记录仪)进行温度数据监控和记录。柔性热电偶的卡套接线处由炉台检测热电偶管道内引出，并与无纸记录仪连接。无纸记录仪保持通电状态，该设备能时刻连续记录热电偶所测量的温度数值并保存在内置的内存内。测试完毕后，可将无纸记录仪内存内的数据导出到移动存储卡上，然后进行数据处理，详见图2。表1是本系统设备的相关技术参数和要求。

图2 钢卷温度均匀性测试系统

表1 钢卷温度均匀性测试系统设备要求

3 钢卷温度均匀性试验过程

3.1 钢卷组垛装炉退火过程

选取某不锈钢工程全氢罩式炉进行钢卷温度均匀性测试试验，来检验设备退火能力。采用图2所示的钢卷温度测量点监测退火温度，工艺温度采用840℃，保温时间设定19h，带罩冷却温度设定840℃/700℃，出炉温度设定200℃。测试钢卷信息见表2，堆垛净重量约78.67t，装炉系数89.39%，将上述数据按照正常的生产操作程序进行生产试验，上述测试工艺和钢卷堆垛数据具有代表性，能够反映整个罩式炉机组的设备性能。

表2 退火钢卷信息

在退火过程中，无纸记录仪实时记录温度。整个退火周期采用宝信全氢罩式炉信息监控软件进行控制，该系统具有“一键退火”功能，自动化程度非常高，正常退火过程无需人员干预。

3.2 测试结果分析

无纸记录仪监测记录的热电偶温度曲线如图3 所示。数据分析表明，在退火温度840℃、保温时间19h设定工艺条件下，保温结束时四卷钢卷的卷芯(冷点)温度分别是839℃、839℃、833℃、832℃，钢卷冷热点温差分别是1℃，1℃，7℃，8℃，均在10℃以内，表明退火钢卷温度均匀性优异，全氢罩式炉设备退火能力良好。

图3 控制热电偶温度和钢卷内热电偶温度曲线

对比控制热点和1-12号热电偶采集数据分析发现，自动控制系统在从“保温段”跳转到“带加热罩冷却”时点后，卷芯温度仍然会上升约2～4℃，这是因为热惯性所致，在保温结束时钢卷径向依然存在较小的温度梯度，外在表现为钢卷卷芯温度继续升高。

对退火出炉钢卷头部和尾部进行取样，部分机械性能数据如表3 所示。数据表明退火钢卷屈服强度、抗拉强度、延伸率等各项指标均满足JISG4305-2005标准要求，证明罩式炉退火设备退火能力良好，所选退火工艺满足用户技术要求。

表3 退火后SUS430钢卷力学性能

4 结论

本文基于某工程中全氢罩式炉设备进行了钢卷温度均匀性试验研究,得出以下主要结论：

(1)选取退火温度840℃、保温19h作为SUS430钢种作为全氢罩式炉退火炉工艺参数，保温结束时钢卷冷热点温差在10℃以内，钢卷温度均匀性优异，为后续同钢种同规格钢卷的退火作业提供了数据支撑。

(2)退火钢卷的机械性能不仅是衡量罩式炉退火性能的重要指标，更是影响退火产品品质的重要因素。可根据钢卷卷芯所需温度和机械性能分析来优化保温时间，以扩大冷热点温差缩短保温时间来达到了提高生产效率，降低能源消耗，提高生产效益的目的。

(3)本文提出的钢卷温度均匀性试验方法能够有效了解罩式炉机组退火性能，能够为设备运行的预先诊断提供数据支撑，尤其为开发新钢种退火工艺制度方面提供了一个有效的技术路径。