多功能輥底爐的應用及優(yōu)化

馮杰斌

摘 要：熱處理是特鋼產(chǎn)品的重要工序，熱處理工序直接影響鋼材的硬度、屈服強度、沖擊韌性、顯微鏡相組織、脫碳層等關鍵性能。因我廠特鋼產(chǎn)品生產(chǎn)需要，我廠投建了一座多功能輥底爐，滿足特鋼產(chǎn)品的退火、正火、高溫回火等熱處理工藝。文章結合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，介紹多功能輥底爐的主要工藝特點；通過分析實際生產(chǎn)中產(chǎn)生的反溫問題，提出向緩冷段輻射管吹入冷風，加強輻射管換熱，能有效控制反溫現(xiàn)象。

關鍵詞：多功能；工藝特點；反溫

1 設備簡介

1.1 入口/出口密封箱

爐子的入口端設有一個密封箱，防止空氣進入爐內。密封箱包括氣密焊接鋼結構箱體、輥道、密封簾及耐熱內襯。

1.2 熱處理爐

爐體由氣密焊接鋼結構制成，爐輥由高級鉻鎳合金制成，爐輥由鏈條和鏈輪驅動。燒嘴采用套管式自身預熱式低熱值煤氣輻射管燒嘴，共92套。輻射管安裝在爐輥上、下，輻射管外管由高級耐熱合金制成，內管為柔性組合式耐高溫陶瓷管。每支輻射管都裝有自動點火，火焰監(jiān)測系統(tǒng)，并配有截止閥、開/關電磁閥組、調節(jié)閥。

爐子分為13個區(qū)，每個區(qū)由燃氣自身預熱輻射管燒嘴、PLC的溫控軟件構成爐溫的連續(xù)自動控制系統(tǒng)，保證爐料溫度的精確控制及能源的經(jīng)濟利用。

1.3 快速冷卻裝置

在進行正火熱處理時，需要對棒料進行快速冷卻，強對流速冷裝置專用于實現(xiàn)在保護氣氛下對棒料進行快速冷卻。為滿足“多功能”要求，該裝置冷卻強度可調，即可作為快冷裝置。亦可作為緩冷裝置使用。

1.4 緩冷段

冷卻段為焊接鋼結構，工件被水冷套包圍，由左側和左側底部冷卻、右側和右側底部冷卻和頂部冷卻三個部分組成。

1.5 保護氣系統(tǒng)

保護氣通過爐體上數(shù)個通入點進入爐內。熱處理爐保護氣由純氮氣組成，保護氣的流量用流量計和控制閥來調節(jié)，最大總流量為每小時約250立方米。

2 工藝特點

本設備可以用于軸承鋼棒球化退火、彈簧鋼軟化、優(yōu)質碳素結構鋼正火、合金結構鋼的高溫回火，適用鋼棒Φ20-130mm，長度4-12m的鋼棒熱處理。退火工作溫度范圍730℃-870℃，正火工作溫度范圍800℃-950℃。

2.1 備料

本設備帶有多個備料架，備料架備料擺料時平穩(wěn)擺放在地面，操作人員將棒材吊運到備料架上進行備料。棒材在備料架上要求擺放平整、厚度均勻，擺料高度不能高于250mm，防止超高撞壞爐內設備。前后批次棒材保證200～300mm距離，棒材前端需要理齊，防止爐頭防撞檢測光柵檢測不到上層棒材，造成前后批次追尾。

由于不同的工藝，工藝溫度不同，工藝輥速不一樣，使爐輥在不工藝下最大承載能力不一樣。在考慮設備承受能力的同時，保證棒材在爐內受熱均勻，生產(chǎn)高效有序，所以不同的工藝對備料重量有不同的要求。正火時（溫度850～950℃，輥速9～14m/h），備料重量≤550kg/m，球化退火（溫度780～880℃，輥速3～4m/h），備料重量≤1150kg/m，軟化退火（溫度660～770℃，輥速4～6m/h），備料重量≤1000kg/m。

2.2 退火工藝

根據(jù)退火工藝以上特點，可將輥底爐13個控溫區(qū)按照其功能和目的劃分為單純加熱段、加熱保溫段、保溫段、快速冷卻段、等溫段（普通退火時省略以上兩段）、緩冷段五部分，如GCr15球化退火時，將1、2區(qū)劃分為單純加熱段，3區(qū)為加熱保溫段，4～6區(qū)為保溫段，7區(qū)為快速冷卻段，8～13段為緩冷段，工藝溫度設定如表1。棒材在進爐到出爐整個傳輸過程中就能完成加熱、保溫、緩冷等工藝步序。如表1所示。

第7控溫區(qū)裝備有多個噴流換熱輻射管，提高7區(qū)換熱冷卻能力，在球化退火時，開啟7區(qū)噴冷風模式，能起到快速冷卻的作用，確保奧氏體化后能以較快速度的冷卻至Ac1以下，防止冷卻速度過慢造成球化組織粗大。

表1

2.3 正火工藝

為滿足多功能的要求，爐體段后設置有強對流速冷裝置，保證正火保溫后，有足夠的冷卻速度。對流由變頻風機驅動，正火處理時，通過調節(jié)風機頻率，使冷卻速度可調，速冷裝置冷卻出口冷卻風可控制范圍為100～200℃。為保證冷卻時棒材橫截面各個方向冷卻均勻，正火時備料必須單層擺放，且負載≤550kg/m，防止冷卻不均造成各項性能波動。

2.4 保護氣氛控制

脫碳層是特鋼產(chǎn)品的重要性能指標之一，控制脫碳的主要手段有控制爐內氣氛，本設備帶有氮氣保護氣氛，爐內充入惰性氣體，控制影響脫碳的氧氣含量，從而減少新增脫碳層。本設備氮氣保護氣氛系統(tǒng)有三路支管分別接入爐體的頭、中、尾三個位置。正常生產(chǎn)情況下，持續(xù)向爐內通入150m3/h流量氮氣，爐內氧含量控制在200ppm，能夠有效地將新增脫碳層控制在0.05～0.15mm范圍內。如來料脫碳層較深或對脫碳層要求較嚴格時，為有效控制脫碳層，可加大爐頭氮氣流量，能有效去除粘附在進爐棒材表面的空氣，減少新增脫碳層。

3 功能優(yōu)化

3.1 存在問題

棒材經(jīng)過加熱保溫后，在爐內降溫緩冷時，會出現(xiàn)因反溫現(xiàn)象，即緩冷段某區(qū)溫度高于設定值。如球化退化時，7區(qū)開啟噴冷功能后，爐內檢測溫度達到設定溫度，在棒材走至8區(qū)時，該區(qū)溫度超出設定溫度10℃以上。

主要原因是本設備的主要換熱方式為輻射換熱，換熱方式較單一，降溫時通過棒材表面與輻射管和爐壁之間的熱輻射傳熱，換熱能力較差，并且棒材多為多層堆垛進爐，容易出現(xiàn)中間層溫將較低，速冷后出現(xiàn)強烈的反溫。

3.2 爐內緩冷優(yōu)化

為解決上述問題，必須加強8～13區(qū)冷卻能力，保證在爐棒材冷卻均勻充分，防止緩冷過慢造成組織粗大的現(xiàn)象。通過加強輻射管內的對流，可以有效地帶走輻射管的熱量，降低輻射管的溫度，提高棒材與輻射管的輻射傳熱，增強爐內降溫能力，因此優(yōu)化緩冷能力主要手段是對輻射管內吹入冷風。對8～13區(qū)進行控溫模式優(yōu)化，增加了冷卻模式。在此模式下，8～13區(qū)禁止點火，通過PID控制，脈沖開啟助燃空氣電磁閥，向輻射管中充入低溫的助燃空氣，通過此控制模式，有效地控制速冷后的反溫現(xiàn)象。

4 結束語

（1）根據(jù)設備特點和工藝特點，摸索了一套適合本設備和工藝要求的退火、回火、正火等工藝，控溫精度達到±3℃，并對各工藝做均勻性測試，檢測斷面溫差，保溫時溫差≤1℃，滿足各工藝要求；（2）通過合適的氮氣流量（約135m3/h），可以用最低的氮氣流量有效抑制爐內氧含量（≤200ppm），有效的減少熱處理后的新增脫碳層，保證脫碳要求滿足標準和客戶要求；（3）經(jīng)過對8～13區(qū)優(yōu)化，可以根據(jù)不同的工藝要求選擇加熱或冷卻模式，有效地抑制反溫現(xiàn)象，增強8～13區(qū)冷卻能力，防止組織粗大的情況。

參考文獻

[1]吳建國，張衛(wèi)軍，戰(zhàn)哄仁.燃料熱處理爐[M].遼寧：遼寧科學技術出版社，2010：46-121.