退火炉热平衡计算与热处理工艺设置东北特钢集团大连特殊钢丝公司徐效谦内容摘要：通过热平衡计算，根据装炉量对电井炉升温工艺实行分段控制，能有效地改善退火钢丝加热过程的温差，显著提高退火后钢丝的力学性能均匀性。

关键词：退火炉热平衡计算均匀性退火炉热处理均匀性是一项重要指示，一般认为热处理均匀取决于热处理炉的上、中、下或前、后各区的加热能力的分布状况，实际上加热能力的均匀分布只是一个基本要求，热量的传输效率才是决定热处理均匀性的关键因素。

保证单位时间供给的热量与炉料吸收的热量基本平衡，是提高热处理均匀性唯一的控制要点，控制目标是单位时间热量的传输效率应大于95%。

热处理均匀性与热量的传输效率成正比关系，传输效率越低，热处理均匀性越差。

这个基本原理我们是通过长期实践才逐渐认识到的。

一Ⅲ型井式退火炉基本状况钢丝Ⅲ型强对流气体保护井式退火炉原设计为自动升温，即控制仪表一段控制温度直接设置为工艺规定的退火温度，由仪表控制升温时间。

第2和第3段同时设置温度和时间两项工艺参数。

实际运行结果是：退火钢丝抗拉强度偏高，以针丝为例，企业标准Q/LD30-2004中GCr15Ⅰ组要求抗拉强度为Rm:560～680MPa，而在生产过程中测得实验结果为Rm:670～730MPa，同炉钢丝软硬不均，抗拉强度差大。

为此需对退火炉进行热平衡计算，在升温阶段同时设定升温温度和升温时间，强化退火效果、改善钢丝抗拉强度均匀性。

Ⅲ型退火炉主要技术参数如表1，装料架计算参数如表2。

表1周期炉主要技术参数表2 装料架计算参数二Ⅲa型井式退火炉工艺参数及热平衡计算1.加热时间计算方法（1）配置功率除以安全系数1.2，即为有效使用功率。

有效使用功率中扣除N4～N6三项消耗功率，余数为加热功率，见第三节。

N有效=N总/1.2；N 加热=N 有效-N 4-N 5-N 6；（2）热量换算成单位时间的电耗—功率N ＝τ860Q 则 Q 加热=860 N 加热τ τ= Q 加热/860N 加热。

式中：τ—钢丝加热到预定温度的时间，h 。

（3）加热能耗主要用于钢丝、料架和内胆等加热能耗，内胆、导流桶和炉盖的能耗只取决于退火温度，是固定不变的。

料架与装炉量有对应关系，我公司料架重量平均为装炉量的15%，因此需要将钢丝加热能耗进一步分解成吨钢能耗W 与装炉量M 。

W=MQ 1可以导出 Q 1=W 1M 、Q 2=W 2M式中W —吨钢能耗，kcal/ t M —装炉量，t （4）N加热是用于加热钢丝、料架和内胆等的功率，要将炉中钢丝加热到预定温度，必须保证N加热在τ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=Q 1 +Q 2 +Q 3= Q 1=W 1M+W 2M+ Q 3=860N 加热τ； 可以导出： 加热N Q M W M W 860321++=τ2. 工艺参数（1）Ⅲa 型井式退火炉配置功率240kW ；（2）不锈钢内胆3.2t ，不锈钢导流桶1.8t ，炉盖1.2t ； （3）炉体外形尺寸：3125×3850mm ； （4）比热容计算取值（C p =kcal/kg·℃）如表3。

表3 比热容计算取值三 热平衡计算 1. 钢丝加热所需热量以700℃退火的碳素钢丝为例进行热平衡计算，查资料得知钢丝的C 25=0.113 kcal / kg ．℃，C 700=0.144 kcal / kg ．℃。

W 1= m(C 1t 1－C 0t 0)=1000×（700×0.144－25×0.113）=97975（kcal ）2. 装料架加热所需热量钢丝装在料架上退火，装料架材质为321不锈钢，4*装料架平均单重187kg ，15个料架总重2800kg 。

查资料得知321装料架的C 25=0.112 kcal / kg ．℃，C 750=0.15 kcal / kg ．℃。

计算时装料架总重量2000kg 。

W 2＝15%m(C 1t 1－C 0t 0)=150×（700×0.15－25×0.112）=15330（kcal ）3. 内胆及导流桶等加热所需热量内胆、导流桶及炉盖总重量3.2+1.8+1.2=6.2t ，材质310，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C 200=0.12 kcal / kg ·℃、C 750=0.15kcal / kg ·℃。

Q 3＝m(C 1t 1－C 0t 0)=6200×（700×0.15－200×0.12）=502200（kcal ）4. 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却，因此要消耗部分功率。

冷却水用量6t/h ，660℃、680℃退火时，预计每小时温升3.5℃；700℃、720℃退火时，预计每小时温升4.0℃；750℃、780℃退火时，预计每小时温升4.5℃；800℃、820℃退火时，预计每小时温升5.0℃；850℃、880℃退火时，预计每小时温升5.5℃；。

Q 4＝mC(t 1－t 0)=6000×（29－25）×1=24000（kcal/ h ） N 4=Q 4/860=24000÷860=27.9（kW ）5. 保护气体消耗功率电井炉退火时选用高纯氮作为保护气体，防止钢丝氧化。

保护气体平均用量15m 3/h ，查资料得知N 2的比热C 200=0.248 kcal / m 3.℃。

Q 5＝mC(t 1－t 0)= 15×（700－25）×0.248=2511（kcal/ h ） N 5=Q 5/860=2511÷860=2.92（kW ）6. 炉体散热消耗的功率电井炉外形尺寸为Φ3125×H3850m ，其外表面积F=53.41m 2。

660℃、680℃退火时，冬季表面温度预计不超过50℃、q 取294；700℃→51℃、q 取306；720℃→52℃、q 取318；750℃→53℃、q 取330； 780℃→54℃、q 取342；800℃→55℃、q 取355；820℃→5 6℃、q 取367；850℃→57℃、q 取379；880℃退火时，冬季表面温度预计不超过58℃、q 取391。

Q 6=qF=306×53.41=16343.5（kcal/ h ） N 6=Q 6/860=16343.5÷860=19.0（kW ）表4 炉体外表面温度与散热系数(q)的关系根据公式： 加热N Q M W WM 86032++=τ加热N Q M W WM 86032700++=τ89.388.018.1508605022001533097975+=⨯++=M M计算数值汇总如表5。

同理可以求出：τ(500℃时)=0.58M+2.30τ(660℃时)=0.79M+3.49 τ(680℃时)=0.83M+3.64τ(700℃时)=0.88M+3.89τ(720℃时)=0.91 M+4.05 τ(750℃时)=0.97M+4.39 τ(780℃时)=1.02M+4.65 τ(800℃时)=1.08M+4.95τ(820℃时)=1.11M+5.11τ(850℃时)= 1.19M+5.55τ(880℃时)= 1.24M+5.83式中：τ—加热时间，h；M—装炉量，t。

四升温速度分段设置的意义从表3可以看出：钢铁材料的比热容随退火温度升高而增大，这就意味着在功率固定的退火炉中，钢丝在低温段升温快，在高温段升温速度要慢得多。

如果按一段设置升温速度，自动控温仪表往往把升温速度均匀的分配到各时间段中，这样退火炉在低温区经常停电（或降压）控温，进入高温区后往往在预定时间内升不到预定温度。

如果选用滿功率升温，因为退火炉内温度是从外圈向内圈传递的，靠近外圈钢丝的温度长时间高于内圈钢丝的温度，势必造成退火钢丝组织和力学性能严重不均。

根据多年生产实践，我们摸索出退火炉分段设置控温模式：首先通过热平衡计算，算出不同装炉量钢丝，各温段所需升温时间，然后分成装炉～500℃和500℃～预定退火温度两段控制升温速度，彻底解决了上述两大控温难题，使强对流井式退火炉热处理后的钢丝抗拉强度偏差控制在30MPa以内。

根据以上分析，Ⅲa型井式退火炉升温时间计算值如表6。

因为升温过程是累计自动控制的，第一段未升到预定温度，自动调整到第二段开始计温时间中，通常可将第一段升温时间缩短一点，保证第二段有足够的升温时间，调整后的Ⅲa型井式退火炉升温时间设置如表7。

表5 Ⅲa型井式退火炉热平衡计算数据汇总表表6 Ⅲa型井式退火炉升温时间计算值（单位：min）5表7 Ⅲa型井式退火炉升温时间设置（单位：min）67五 Ⅲb 型井式退火炉热平衡计算同样以700℃退火的碳素钢丝为例，对Ⅲb 型井式退火炉进行热平衡计算，计算数值汇总如表8。

以表8数值为准，按公式加热N Q M W WM 86032++=τ计算不同退火温度时装炉量与升温时间的对应关系如下：τ(500℃时)=0.68M+2.74 τ(660℃时)=0.95M+4.47 τ(680℃时)=0.98M+4.66τ(700℃时)=1.04M+5.31τ(720℃时)=1.09 M+5.49 τ(750℃时)=1.17M+6.35 τ(780℃时)=1.23M+6.73 τ(800℃时)=1.32M+7.83 τ(820℃时)=1.37M+8.11 τ(850℃时)= 1.48M+9.44τ(880℃时)= 1.61M+10.36 式中：τ—加热时间，h ；M —装炉量，t 。

按上式可以计算出Ⅲb 型井式退火炉不同装炉量、不同退火温度下理论升温时间如表9。

因为升温过程是累计自动控制的，第一段未升到预定温度，自动调整到第二段开始计温时间中，通常可将第一段升温时间缩短一点，保证第二段有足够的升温时间，调整后的Ⅲb 型井式退火炉升温时间设置如表10。

表8 Ⅲb 型井式退火炉热平衡计算数据汇总表表9 Ⅲb型井式退火炉升温时间计算值（单位：min）表10 Ⅲb型井式退火炉升温时间设置（单位：min）8六、结论Ⅲ型井式退火炉热处理工艺按热平衡计算结果调整后，钢丝抗拉强度降到正常水平，以GCr15钢丝为例，国际GB/T18579-2001规定，退火状态钢丝的抗拉强度（R m）应为590～760MPa。

随意抽取50炉热处理后钢丝，对抗拉强度实测结果进行统计，抗拉强度（R m）均在650～690MPa之间，同炉抗拉强度差≤30MPa，达到预期效果。

公司是特殊钢丝生产厂，日常生产中钢丝牌号始终保持在40个以上。