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1、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)N=(3)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
2、胆底部装两级强对流风 机，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850C。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。1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Q=m(C1t1-C0t0)(1)式中m一钢丝或台架等重量，kg
3、c1加热到预定温度时的平均比热，kcal / kg.CC0一装炉时的平均比热，kcal /kg.CJ预定加热温度，Ct0一钢丝或台架等原始温度，CQ一热量消耗，kcal(2) 炉体表面散热计算公式Q=qF(2)式中：q散热系数，kcal/ m2 hF一炉体外表面积，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) 热量消耗耗换算成单位时间的电耗一功率Q8600式中：t。一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
4、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1.2 1.3。式为：表1炉体外表面温度与散热系数(q)的关系i表面温度散热系数表面温度散热系数表面温度散热系数表面温度散热系数/Ckcal/ m2 h/Ckcal/ m2 h/Ckcal/ m2 h/Ckcal/ m2 h253850294806901201740308360416908471402170401827055010010101602660注：其他温度对应的q值可用插入法求得。1.电井炉的功率计算按钢丝装炉量9t(m), 10 h(T 0)加热U700C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
5、C25=0.115 kcal /kg.C, C700=0.147 kcal / kgC。Q1=m(C1t1C0t0)=9000 X (700 X 0.147一25X0.115) =900225 (kcal)N=Q/860t 0=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.C, C700=0.168 kcal / kg .C。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
6、/kg装炉量/kg/个使用个数/个/炉11300X770/800X14001951350 140062810X500/530X14001359000950163770X350/380X1250115650 75018Q = m(C t Ct )=1800 X( 700 X 0.168 25 X2110 00.12) =206280 (kcal)N2=Q2/860t o=206280：8600=24 (kW)2.3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200C左 右。查资料得知，304内胆的C200=0.135 kcal /
7、kg.C。Q3 = m(C1t1 C0t0)=3500 X( 700 X 0.168 一 200X0.135) =317100 (kcal)N3=Q3/860t 0=317100：8600=37 (kW) 2.4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 5t/h，700C退火时，预计每小时温升3C； 800C 退火时，预计每小时温升5 CoQ4 = mC(t1 10)= 5000 X ( 28 25 ) X 1=15000(kcal/ h)N4=Q4/860=15000-860=17.5 (kW)2.5保护气体消耗功率电井炉退火时选用纯氮
8、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。200=0.248 kcal / m3.C。Q5 = mC(t1 t0)= 12 X ( 700 25 ) X0.248=2009 （kcal/ h）N5=Q1/860=2009：860=2.4 (kW)2.6炉体散热消耗的功率电井炉外形尺寸为4.0Xh4.05m,其外表面 积F=76m2。650退火时，冬季表面温度预计不 超过50； 700C退火时，冬季表面温度预计不超 过53C； 800C退火时，冬季表面温度预计不超过 60 CoQ6=qF=340X 76=25840 (kcal/ h)N6=Q
9、6/860=25840：860=30 (kW)2.7预计配置功率N =K(N+N+N+N+N + N )=1.25 X总 1 2 3 4 56(105+24+37+17.5+2.4+30)=270 (kW)电井炉实际配置功率为280 kWo3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(T )o3.1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)o有效使用功
10、率中扣除N4N6 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有效一吨咯吨(6)从公式3可以得出：Q加热=860N加热T(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WoW= M可以导出Q1=WM(8)式中W一吨钢能耗，kcal/ tM一装炉量，tN 加热是用于加热钢丝、料架和内胆的功率， 要将炉中钢丝加热到预定温度，必须保证N加热在 T 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
11、加热T从公式(3)可以导出：WM + Q + Q2860N（9）加热3.2加热时间计算首先计算700C退火时，不同装炉量钢丝加 热到700 C所需时间。N 有效=N 总/1.25=280/1.25=224 （kW）N 加热=N 有效一N4N5N6=224 17.5 2.4-30=174.1 （kW）W= g =900225/9=100025 （kcal/t）MWM + Q + QT （700 C时）=-23860N加热100025M + 206280 + 317100=860 x 174.1= 0.67M+3.5当 M=8t 时T =8.9h，当 M=13t 时T =12.2ho 同理可以求出
12、：T （650C 时）=0.61M+3.1T （700C 时）=0.67M+3.5T （750C 时）=0.75M+4.0T （800C 时）=0.86M+4.5T （850C 时）=0.93M+5.1式中：T 一加热时间，hM一装炉量，t计算结果如表3 退火温度/C装炉量/t89101112-31415166508.08.69.29.810.411.111.712.312.97008.99.610.210.911.612.212.913.614.375010.010.811.512.313.013.814.515.316.080011.412.313.114.014.915.715.617.
13、418.385012.613.514.415.416.317.218.219.120.0表3不同退火温度、不同装炉量时的预计加热时间/h注：其他温度对应的h值可用插入法求得。4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，
14、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U400C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一Ac1以下， 温度越接近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450500C） 就开始了。大装炉量的电炉加热也是一个
