电井炉热平衡计算及工艺参数确定

1、PAGE 电井炉热平衡计算及工艺参数确定徐效谦（东北特殊钢集团大连钢丝制品公司）钢丝热处理过程必须满足两个基本条件：必须提供足够的热量，把钢丝加热到预定的温度；必须对单位时间内提供的热量实行有效地控制，使钢丝保温一段时间，完成组织结构的转变后，再以一定的冷却速度，冷却到指定温度出炉。因此，热能的供给方式和控制水平，就代表热处理炉的水平。苏州市东升电炉厂生产的RJQ-280-9型强对流气体保护井式退火炉采用全纤维砌筑，炉体保温条件较好，热惯性小，升温和降温速度比较快。为防止钢丝氧化、脱碳，炉内配置内胆，形成密封罐体，热处理全过程通氮气或氨分解气体保护。内胆中有一层导流桶，内胆底部装两级强对流风机

2、，风机鼓起的气流沿导流桶与内胆间的风道直达炉顶，然后从炉中心部位回流到风机页片中。由于气体从四周向中心有规律的循环流动，炉温均匀性有根本性的改善。该炉投产后彻底扭转了钢丝制品公司成品钢丝抗拉强同批差偏大的被动局面。强对流气体保护井式退火炉设计装炉量为816t，最高使用温度为850。采用电阻带加热，加热功率280kW。因供热速度有限，不同退火温度，不同装炉量热处理升热时间差别较大，因此需要通过热平衡计算为退火工艺的制订提供依据。热平衡计算方法（1）计算加热钢丝或台架等热量消耗的基本公式为： Qm(C1t1C0t0) （1）式中m钢丝或台架等重量，kgC1加热到预定温度时的平均比热，kcal /

3、kgC0装炉时的平均比热，kcal /kgt1预定加热温度，t0钢丝或台架等原始温度，Q热量消耗，kcal（2）炉体表面散热计算公式QqF （2）式中：q散热系数，kcal/ m2h F炉体外表面积，m2公式（2）中的散热系数(q)是与炉体外表面温度相关的经验数据，从表1中可以查出相应数值。（3）热量消秏耗换算成单位时间的电耗功率N （3）式中：0钢丝加热到预定温度的时间，h(4) 总电耗 N总=K(N1+N2+N3+Nn) （4）式中：K安全系数公式（4）中的安全系数主要考虑电压波动、电热元件接线孔和热电偶观察孔等造成的热量损失。保温条件较好的连续生产的电井式炉K取1.21.3。表1 炉体外

4、表面温度与散热系数(q)的关系1表面温度/散热系数kcal/ m2h表面温度/散热系数kcal/ m2h表面温度/散热系数kcal/ m2h表面温度/散热系数kcal/ m2h253850294806901201740308360416908471402170401827055010010101602660注：其他温度对应的q值可用插入法求得。电井炉的功率计算 按钢丝装炉量9t(m)，10 h(0)加热到700来计算电井炉配置功率：2.1 钢丝加热所需功率查资料得知，T9A钢丝的C25=0.115 kcal / kg，C700=0.147 kcal / kg。 Q1m(C1t1C0t0)=90

5、00（7000.147250.115）=900225（kcal）N1=Q1/8600=9002258600=105（kW）2.2 装料架加热所需功率钢丝装在料架上退火，装料架材质为304不锈钢，装料架规格、自重、装炉量及每炉使用个数如表2。查资料得知，304装料架的C25=0.12 kcal / kg，C700=0.168 kcal / kg。计算时装料架总重量取平均值：1800kg。表2 装料架规格、自重及装炉量装料架号规 格/mm自重/kg装炉量/kg/个使用个数/个/炉11300770/80014001951350140062810500/530140013590009501637703

6、50/380125011565075018 Q2m(C1t1C0t0)=1800（7000.168250.12）=206280（kcal）N2=Q2/8600=2062808600=24（kW） 炉盖及内胆等加热所需功率 炉盖及内胆总重量3.5t，材质304，连续生产时，钢丝出炉后内胆等平均温度能保持在200左右。查资料得知，304内胆的C200=0.135 kcal / kg。Q3m(C1t1C0t0)=3500（7000.1682000.135）=317100（kcal） N3=Q3/8600=3171008600=37（kW） 冷却水消耗功率电井炉强对流电机和炉盖密封胶垫使用中必须通水冷

7、却，因此要消耗部分功率。冷却水用量5t/h，700退火时，预计每小时温升3；800退火时，预计每小时温升5。Q4mC(t1t0)= 5000（2825）1=15000（kcal/ h）N4=Q4/860=15000860=17.5（kW）2.5 保护气体消耗功率电井炉退火时选用纯氮加4%的氢作为保护气体，防止钢丝氧化。保护气体平均用量12m3/h，查资料得知，N2的比热C200=0.248 kcal / m3。Q5mC(t1t0)= 12（70025）0.248=2009（kcal/ h）N5=Q1/860=2009860=2.4（kW）2.6 炉体散热消耗的功率电井炉外形尺寸为4.0h4.0

8、5m，其外表面积F=76m2。650退火时，冬季表面温度预计不超过50；700退火时，冬季表面温度预计不超过53；800退火时，冬季表面温度预计不超过60。 Q6=qF=34076=25840（kcal/ h）N6=Q6/860=25840860=30（kW）2.7 预计配置功率N总=K(N1+N2+N3+N4+N5+ N6)=1.25(105+24+37+17.5+2.4+30)=270（kW）电井炉实际配置功率为280 kW。电井炉退火加热时间计算钢丝退火的先决条件是必须提供足够的热量，把钢丝加热到预定温度。电炉供热速度相对是比较慢的，要有相对较长的加热时间。显然，钢丝装炉量越大，加热时间

9、越长。在电炉功率及生产工艺稳定条件下，就可以反向计算出不同装炉量时的加热时间()。3.1 加热时间计算方法配置功率除以安全系数1.25，即为有效使用功率，见公式（5）。有效使用功率中扣除N4 N6三项消耗功率，余数为加热功率，见公式6。N有效=N总/1.25 （5） N加热=N有效N4N5N6 （6）从公式3可以得出：Q加热=860 N加热 （7）加热功率主要用于钢丝、料架和内胆等加热，内胆和料架的能耗只取决于退火温度，与装炉量基本无关，因此需要将钢丝加热能耗进一步分解成吨钢能耗W。 W=可以导出 Q1=WM （8）式中W吨钢能耗，kcal/ t M装炉量，tN加热是用于加热钢丝、料架和内胆的

10、功率，要将炉中钢丝加热到预定温度，必须保证N加热在内提供的热量能将钢丝、料架和内胆加热到预定温度，即：Q加热=Q1 +Q2 +Q3 = WM+Q2 +Q3=860N加热从公式(3)可以导出： = （9）3.2 加热时间计算首先计算700退火时，不同装炉量钢丝加热到700所需时间。 N有效=N总/1.25=280/1.25=224（kW） N加热=N有效N4N5N6=22417.52.430=174.1（kW） W=900225/9=100025（kcal/t） (700时)= 0.67M+3.5当M=8t时=8.9h，当M=13t时=12.2h。同理可以求出：(650时)=0.61M+3.1

11、(700时)=0.67M+3.5(750时)=0.75M+4.0(800时)=0.86M+4.5(850时)=0.93M+5.1式中：加热时间，hM装炉量，t计算结果如表3。 表3 不同退火温度、不同装炉量时的预计加热时间/h退火温度/装 炉 量/t89101112131415166508.08.69.29.810.411.111.712.312.97008.99.610.210.911.612.212.913.614.375010.010.811.512.313.013.814.515.316.080011.412.313.114.014.915.715.617.418.385012.613

12、.514.415.416.317.218.219.120.0 注：其他温度对应的h值可用插入法求得。退火工艺的确定原则通过热平衡计算得出的预计加热时间仅代表把钢丝加热到预定温度的时间，如前所述，热处理的关键是实现材料的组织结构的转变，获得理想的性能。钢丝退火的工艺参数包含5个因素：升温速度、退火温度、保温时间、冷却速度和控制冷却区间。实际退火工艺，结合退火炉的特性可能演变成4段或6段控制因素。 以RJQ-280-9型强对流气体保护井式退火炉为例，钢丝退火过程由PID程序自动控制，PID可预置8条工艺曲线，每条曲线可设置56个台阶。钢丝装炉后炉盖密封好，开始抽真空，抽到一定程度再通保护气体，同时

13、送电升温，进入自动控制程序。运行到控制冷却区间的下限，热处理完成。此时开启炉盖可能造成钢丝氧化，特别是如使用带氢的保护气氛会引起爆炸，必须实施强制冷却。安装在炉体两端的风机启动，向炉膛与内胆之间鼓风，当温度降到400以下后，再开启真空泵将胆内氢排净或用氮气将氢赶净，才能开炉出料。一般说来，钢丝规格细，很容易“透烧”，无需担心加热速度快使钢材产生热应力裂纹，可以“热装”，也可以尽可能快的速度升温。升温到预定退火温度开始保温，保温时间与热处理方式、钢种和退火温度密切相关。再结晶退火是钢丝最常用的退火方式，退火目的是消除冷加工硬化，以利于再加工或使用。再结晶退火温度一般选在钢的相变点Ac1以下，温度

14、越接近Ac1点，完成再结晶所需保温时间越短。因为电井炉有气体保护，不用担心氧化和脱碳，退火温度可以适当高点，以缩短保温时间，提高生产效率。钢的再结晶是连续的过程，当退火温度超过钢的再结晶温度时（约450500）就开始了。大装炉量的电炉加热也是一个慢长的过程，所以在升温过程中再结晶已开始进行了，当温度升到预定温度时，再结晶差不多已经完成了。所以上面算的预计加热时间，可以算作加热时间+保温时间。即使退火温度偏低，再加上0.5h的保温时间，已足以完成再结晶退火。然后炉冷（停电冷却）到650以下，再实施强制冷却，到400以下，停气、出炉。球化退火也是钢丝最常用的退火方式之一，球化退火的目的是获得粒状珠

15、光体的显微组织。具有粒状珠光体组织的中低碳结构钢，抗拉强度低，有优良的冷加工塑性，特别是粒状珠光体组织钢的顶锻或冷镦性能是其他组织的钢无法比拟的，所以冷镦（ML）钢丝对显微组织的球化度有严格的要求；对于中高碳弹簧钢或工具钢，粒状珠光体的显微组织，除了有利于继续冷加工外，还是对淬回火最有利的显微组织。细粒状珠光体组织钢在淬火时，碳化物能迅速、均匀地溶入奥氏体中，淬火温度范围宽，淬裂倾向小，淬后钢的硬度高，均匀性好。实现钢丝组织球化的方法有多种，但最常用的方法是球化退火。球化退火是将钢加热到相变点Ac1以上1030，此时珠光体中铁素体已转变为奥氏体，但碳化物仍然存在；保温一段时间，使碳化物逐步溶解到奥氏体中；然后缓慢冷却(2030/h)到Ar1以下，在缓慢冷却过程中，析出的碳化物以尚未溶解的碳化物为核心，聚积成球。只有加热到Ac1以上，钢中碳化物才开始溶解，但溶解必须有个过程，保温时间是必不可少的，控制冷却速度同样也是非常重要的。