全氢罩式炉的技术特点及其在不锈钢生产中的应用

强对流全氢罩式炉的技术特点及其在不锈钢生产中的应用李钧（宝钢股份不锈钢分公司冷轧厂，上海200431）摘要：介绍了强对流全氢罩式炉的一般结构，分析比较了强对流全氢罩式炉技术特点，阐述了强对流全氢罩式炉在不锈钢带材冷轧生产中的具体应用。关键词：强对流全氢罩式退火炉技术特点不锈钢生产ThetechnicalcharacteristicsofHPHfurnaceandtheapplicationinstainlesssteelproductionLIJun(BaosteelStainlessSteelBranch,ColdRollingmill,Shanghai200431China)ABSTRACTThebasicconfigurationandtechnicalcharacteristicsofHPHfurnacewerediscussed,anditsmainapplicationwasalsosimplyintroduced.KEYWORDSHPHfurnacetechnicalcharacteristicsstainlesssteelproduction1引言强对流全氢罩式炉是目前世界上最先进的间歇式退火炉之一，它采用氢气作为保护气体，利用高速循环风机，使氢气在内罩内快速对流传热，达到快速、均匀地加热和冷却退火材料，产品性能均匀、生产效率高，被广泛地应用于钢铁、有色金属的退火处理。2强对流全氢罩式炉的基本结构图1强对流全氢罩式炉结构示意图图1为强对流全氢罩式退火炉的结构示意图，强对流全氢罩式退火炉主要由强对流炉台、加热罩、内罩、冷却罩、炉台阀站等部分组成。(1)强对流炉台炉台是罩式炉的基础部分，退火钢卷放置在炉台上，同时内罩也扣在上面，形成密闭的退火空间。设有高功率的耐高温循环风机，在钢卷加热和冷却时，保持内罩内保护气体的强循环。1-加热罩2-内罩3-钢卷4-中间对流板5-炉台6-炉台阀站7-循环风机(2)加热罩由壳体、烧嘴、换热器、耐火材料及配管组成。它主要作用是与内罩形成燃烧空间，使燃气与空气在燃烧空间混合燃热，对内罩加热。(3)内罩由耐热铬镍钢焊接成的圆柱形罩体，其作用是将钢卷与燃烧空间隔离开，使钢卷在保护气氛下进行退火处理。(4)射流冷却罩钢板焊接成的圆筒结构，四周及顶部布置空气喷嘴，上部安装冷却风机，用于对内罩进行快速冷却。(5)炉台阀站每个炉台配置一套阀站，由公辅管道、控制阀门和仪表组成。用于公辅介质的输入与输出、以及压力和流量的控制。3强对流全氢罩式炉的技术特点3.1强对流全氢罩式退火炉和连续式退火炉的特点比较(1)产品种类在罩式炉中，由于是以静止的方式进行热处理，其加热、冷却及保温时间均可方便的控制。特别是针对特殊性能钢种的特殊工艺要求，罩式炉便显示出优越性。而连续式退火炉常常受到带钢宽度、厚度和钢种的制约，产品范围比较窄。(2)加工产品性能罩式退火炉加热时间长，氢气在炉内强对流循环，加热均匀性好，冷却速度可控。而连续退火炉是连续作业，加热和冷却速度迅速，表现在加工后的产品性能上：罩式炉退火产品的深冲性能、塑性要比连续炉产品好。(3)生产工艺和能力罩式炉退火时为了充分保证钢温的均匀性通常要进行长时间的均热过程，加上装卸料占用时间，生产周期较长。而连续退火炉生产周期极短，大批量生产，生产效率高。(4)投资及运营成本罩式退火炉一次性投资少，并且可分阶段进行模块化扩建，而且运行维护成本低，连续退火炉技术复杂，投资费用高，维护费用也高。3.2强对流全氢罩式退火炉和传统罩式退火炉的特点比较(1)生产能力比较表1是强对流全氢罩式退火炉与传统罩式炉产能对比表，可以看出强对流全氢罩式炉的炉台小时产能比传统罩式炉炉台小时产能提高一倍以上。表1强对流全氢罩式炉与传统罩式炉产能对比炉子类型传统HNX罩式退火炉强对流全氢罩式炉循环风机转速1000rpm最大2500rpm，变频循环风量20000m3/h130000m3/h保护气体H2、N2混合气体100%H2炉台产能0.5~1.2t/h2.0~2.4t/h从表中还可以看出，其产能提高的主要原因是采用了强对流技术和全氢作为保护气体。这是因为钢卷在罩式炉内退火传热主要受对流换热系数和钢卷径向等效导热系数影响。图2显示了退火过程中炉内对流换热与辐射换热热流密度之比，可以看出对流换热在炉内起决定性作用，开始和将近结束阶段，热流密度之比可达250，在均热阶段也保持在20倍。而对流换热系数与保护气体的流速和特性密切相关。氢气密度仅为氮气的1/14，动力粘度仅为氮气的一半，因此使用纯氢气，再提高循环风机转速，可以显著提高炉内对流换热系数。另一方面钢卷层与层之间存在间隙，会降低径向导热系数，径向传热主要通过保护气体的导热、带钢间辐射换热及通过接触点的导热。钢卷径向传热是带钢金属导热和带钢层内气体传热的综合效应。因此增加保护气体的导热系数，能有效提高径向导热系数，而氢气的导热系数是氮气的7倍，因此采用氢气作为保护气体也能显著提高钢卷的径向等传热能力。图2炉内对流换热与辐射换热热流密度之比随退火过程的变化(2)产品质量比较强对流全氢罩式炉处理的钢卷表面质量的温度比较均匀，外圈和芯部的温差可以缩小到20℃以内，因此性能更加均匀，塑性和深冲性能优良，而传统罩式炉处理钢卷时则存在外圈过热和晶粒粗化现象，由于保护气氛中氮气比重高，退火能造成一定程度氮化，降低产品的深冲性能。另外强对流全氢罩式炉处理的钢卷表面质量也优于传统罩式炉的产品。(3)能耗比较强对流全氢罩式炉由于热效率高退火周期大大缩短，与传统罩式炉相比缩短了30%~40%，能耗大大降低。另外强对流全氢罩式炉风机采用变频无级调速控制保证了风机速度与气氛气体的比重和温度相匹配，显著降低了电耗。4强对流全氢罩式炉在不锈钢生产中的应用400系列不锈钢，如430、420、409等，是强对流全氢罩式退火炉重要的处理对象。一般不锈钢带材在冷轧过程中要经历两次退火，分别是冷轧原料卷退火和冷轧成品卷退火，有时在轧制过程中还需要中间退火。(1)冷轧原料卷的退火热轧后带钢会发生塑性变形，各晶粒顺着轧制方向伸长，压扁，破碎，在晶界形成大量位错，晶格变形，导致加工硬化。对于碳、氮含量较高的400系列不锈钢来说，热轧后在冷却过程中组织发生马氏体相变，常温下得到全部或部分的马氏体组织。因此采用罩式退火炉将材料加热到马氏体相变点以上，经过长时间保温和缓慢冷却，以消除轧制内应力和加工硬化，使被拉长的晶粒变为等轴晶粒，获得良好的冷加工性能。马氏体组织也分解为铁素体基体上均匀分布球状碳化物，带钢变软，利于后续加工。图3是430不锈钢罩式炉退火的典型工艺曲线。430不锈钢热轧后，组织中含有部分马氏体，导致材料变硬，不利于后续加工。通过加热到相变温度以上，约850℃，消除组织内的马氏体，得到较低的硬度。为了防止由于冷却速度过快，重新生成马氏体组织，通常带加热罩缓慢冷却到760℃以下，再扣上冷却罩进行快速冷却，当芯部温度冷却到350℃，将钢卷吊至终冷台进行最终冷却。0100200300400500600700800温度,℃510203035400时间,h850℃760℃90015254550350℃图3430不锈钢罩式炉退火的典型退火工艺曲线(2)冷轧不锈钢的中间退火400系列不锈钢冷轧过程中发生硬化。变形量越大，加工硬化的程度也越大。对于较厚的钢带来说，需要经过两次轧制甚至多次轧制才能获得需求的厚度，因此需要中间退火。这类退火可以在连续炉中进行，然后酸洗处理，除去氧化铁皮，也可以采用强对流全氢罩式退火炉进行退火，由于保护气氛为纯氢，露点低，可以获得光亮的、光滑的表面，省去了酸洗工序，而且机械性能优良。这类退火一般加热温度不超过马氏体相变点，否则弥散分布的球状碳化物会再次溶解。至于不锈钢冷轧成品卷的退火，一般不用罩式退火炉处理，这是因为冷轧卷长时间退火后表面都会略微氧化，有不均匀的的退火痕迹，影响表面使用；另外冷轧成品卷通常很薄，退火温度较高时，容易发生粘结和层间擦伤等表面缺陷。5结束语随着国民经济的发展，我国的不锈钢的生产和消费量都在迅速上涨，对不锈钢的品种和质量都提出了更高的要求，强对流全氢罩式退火炉正是顺应这一趋势，在不锈钢制造领域不断发展壮大的，也必将在不锈钢生产制造领域发挥更重要的作用。参考文献：[1]陆世英等.不锈钢北京：原子能出版社，1995.7[2]林林等.全氢罩式退火炉退火过程传热的研究（Ⅱ）.北京科技大学学报,2003,(3):254~257[3]傅作宝.冷轧薄钢板生产(第二版).北京：冶金工业出版社，2005.6