全氢罩式炉退火过程温度计算模型设计及退火工艺优化措施探究.pdf

第 8 期全氢罩式炉退火过程温度计算模型设计及退火工艺优化措施探究李晓晓（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃 嘉峪关735100）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 43 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.43 No.8Aug.2023摘要：优化全氢罩式炉退火工艺的主要目的是为了改善材料的性能，优化全氢罩式炉退火工艺可以减少材料表面缺陷、消除内部应力，提高材料硬度、强度和韧性等机械性能指标，同时还能提高材料的耐腐蚀性能。此次研究中，相关工作人员为提高钢卷制备效率，尝试引入全氢罩式炉退火过程计算模型，根据其温度分布特点，尝试对现有的退火工艺进行优化，并提高炉内的燃烧效率，进而提高钢卷的制备效率，以期为提高全氢罩式炉燃烧效率提供技术支持。关键词：全氢罩式炉；退火工艺；温度计算模型基金项目：青年科技基金计划项目（20-46）。作者简介：李晓晓（1988），男，甘肃白银人，主要研究方向：钢铁冶炼。全氢罩式炉退火过程是一种常见的金属材料热处理方法，其可以改善材料的力学性能和耐腐蚀性能。然而，在实际应用中，如何准确地计算温度、控制温度并优化退火工艺仍然是一个挑战。为提高全氢罩式炉退火过程的效率和质量，研究人员尝试设计一种可靠的温度计算模型，并通过对模型的优化来探究最佳的退火工艺措施。这将有助于提高材料的品质和加快生产效率，对于推动金属材料行业的发展具有重要意义。1构建退火温度计算模型1.1退火温度交换过程全氢罩式炉退火是一种在高温、大气压下利用氢气作为气氛，对金属材料进行热处理的工艺。此过程中，温度交换过程主要包括气体传热和辐射传热两个部分。在气体传热方面，氢气流经加热器后进入炉膛，在炉内形成一定的氢气气氛。当炉内金属材料的温度低于氢气气氛温度时，炉内氢气会通过对流传热的方式将热量传递给金属材料，从而使其升温。当金属材料的温度高于氢气气氛温度时，则会通过对流传热的方式将热量传递给氢气，从而使氢气升温。辐射传热是指热量通过辐射的方式进行传递。在全氢罩式炉退火过程中，炉内金属材料和炉墙均会发射热辐射，这些热辐射会被氢气吸收并转化为热能。同时，氢气也会发射热辐射，这些热辐射同样会被金属材料和炉墙吸收并转化为热能。在实际应用中，为确保全氢罩式炉退火过程的稳定性和效率，需要对温度交换过程进行精细的控制咱1暂。具体来说，可以通过控制氢气流量、炉内金属材料的摆放方式以及加热器的温度等因素来达到最佳的温度控制效果。同时，也可以通过优化炉膛结构、选择合适的炉墙材料等手段来提高辐射传热效率。1.2钢卷温度场的计算退火过程中，热量在高温烟道气与炉内罩之间传递，再经由内罩传递至保护气体，最终传递至钢卷处。此时，钢卷的卷层之间进行大量的热交换，依靠助燃空间对内罩进行冷却，直至炉内温度达到出炉温度，该过程停止。此次研究中，暂时不考虑其他因素，设定炉内气体温度与保护气体温度为时间函数，则钢卷在炉内退火过程中，其温度变化计算公式为：CpT子=姿rrrrTr蓸蔀+姿兹r22T兹2+姿z2Tz2（1）式中：姿r为钢卷径向导热系数；姿兹为钢卷环向导热系数；姿z为钢卷轴向导热系数；常量 p 与 C 分别为钢卷的密度以及比热参数；变量 T 为钢卷在炉中的温度；r 为钢卷半径；z 为钢卷的垂直高度。为方便计算，研究人员引入钢带导热系数 姿0，通过这种方式将异导热问题转变为同体导热问题，则公式（1）可化简为：t子=姿0Cp2Tr12+1rTr1+2Tz2蓸蔀（2）由于钢卷 3 个面（端面、外表面、内表面）均符合边界条件，因此在轧制钢带过程中，其温度的分布也呈现出对称特点。在计算退火温度时，研究人员可以将其在49冶金与材料第 43 卷罩式炉内的退火温度变化视为具有对称性。由此可以得到钢卷边界热交换计算公式：r=Ri，0z臆W，HRi=姿rTr=hRi（Tg-Ts）（3）r=Ro，0z臆W，HRo=姿rTr=hRo（Tg-Ts）+qRo（4）Z=0，Rir臆Ro，Ho=姿zTz=ho（Tg-Ts）（5）Z=W，Rir臆Ro，Hw=姿zTz=hw（Tg-Ts）（6）上述公式中，HRi为钢卷内径表面局部热流；HRo为钢卷外径表面局部热流；Ho为钢卷边缘下表面局部热流；Hw为钢卷边缘上表面局部热流；hRi为钢卷内表面对流换热系数；hRo为钢卷外表面对流换热系数；ho为钢卷边缘下表面对流换热系数；hw为钢卷边缘上表面对流换热系数；Tg为保护气体温度；Ts为钢卷温度。基于上述公式，研究人员可以根据现场实际情况，确定制备钢卷过程中对流交换热值的具体参数，再将该计算参数与现场实际测量得到的温度进行对比，为退火工艺优化提供数据支撑。2退火工艺优化措施2.1全氢罩式炉温度分布特点由于加热器和炉墙的存在，导致炉内温度分布不均匀，具体特点如下：（1）温度分布呈现梯度状。全氢罩式炉中，由于加热器的作用，炉内顶部温度较高，而底部温度较低，因此整个炉内呈现出一个温度梯度；（2）炉膛中心温度较高。由于加热器在炉膛中心位置，且采用直接加热方式，因此炉膛中心的温度较高；（3）温度分布不均匀性较大咱2暂。在全氢罩式炉中，氢气传热和热辐射传递会受到金属材料形状、数量及气氛流动状态等因素的影响，从而导致温度分布不均匀。2.2现行退火工艺介绍全氢罩式炉退火时，其温度保持在 705。实际工作中，相关工作人员基于具体的钢带生产需求，灵活调整升温速度，确保钢带能够被加热到一定的温度并进行保温。之后再利用水冷或风冷的方式对钢带进行冷却，最终达到出炉温度，退火工艺曲线如图 1 所示。分析图 1 可以发现，全氢罩式炉的退火温度稳定在 705左右，炉内升温时间为 11h，保温时间为 12h，炉内冷却时间为 29h。为了避免钢带退火时出现氧化现象，需要在全封闭空间内进行退火，并定时进行吹扫，确保钢带表面清洁。图 1全氢罩式炉退火工艺曲线炉内时间/h8007006005004003002001000048121620263034384246502.3退火过程对钢带冲压性能的影响及退火工艺优化2.3.1退火对钢带冲压性能影响此次研究中，工作人员设最低再结晶温度为 Tr=aTm（K），其中 Tm为金属的熔点，K 为温度，a 为钢带金属纯度。工作人员进行冷轧时，炉内的冷硬组织在达到退火温度后，有再结晶以及渗碳体析出，其原理如图 2 所示。图 2罩式炉退火再结晶原理示意图时间/h700600500400300200100004812162026303438424650AIN 粗化回复、亚晶形成固溶体碳析出再结晶长大 AIN 粗化AIN 在亚晶界析出2.3.2退火工艺优化针对罩式炉退火过程中存在外圈温度超过设定温度的问题，研究人员通过多点测温曲线分析，发现其主要原因是由于炉内温度按照炉底温度进行控制，升温速度越快，炉顶温度与炉底温度温差越大，导致中上位的钢卷外圈温度过高咱3暂。同时，在罩式炉退火升温过程中，外圈升温快，焊缝升温慢，且升温过程中温差较大，这也给产品性能均匀性带来了挑战，需要将温差控制在 25以内。为了解决这个问题，研究人员尝试采取以下优化方式：一方面，降低升温速率。通过控制加热功率和时间，逐步提高炉内温度，避免炉内外温差过大，从而减少外圈温度超过设定温度的情况。另一方面，增加中间保温平台。在炉内设置中间保温平台，使钢卷自下而上均匀受热，减小内外温差，降低外圈温度过高的风险。以上两种方法的实施，将有效减少罩式炉退火过程中外圈温度超过设定温度的情况。此外，在实际工作中，相关从业人员还需要注意以下问题：第一，加强监50第 8 期测。在罩式炉退火过程中，需要对各个部位的温度进行多点测量，及时发现问题，并采取相应措施进行调整；第二，优化工艺参数。根据不同材料和产品要求，对加热功率、时间、升温速率等进行优化调整，以达到更好的产品性能和均匀性（见表 1）。表 1试验工艺试验退火工艺在原有退火工艺基础上，将升温速率降低至35益/h，保持705益温度11h650益保温平台期延长2h当炉内温度为515665益时，升温速率为36益/h，当温度为665705益时，升温速率为38益/h515665益时保温时间2h，665705益时，保温时间6h试验编号1234通过试验分析，研究人员得到了四种退火优化方式的具体参数（见表 2）。表 2试验数据统计保温结束冷点温度/益671679682686保温结束冷热点温差/益34282520最高温度/益742735727720试验编号1234分析表 2 可以发现，延长中间保温平台期，减低退火后半段升温速率，能够有效缓解钢带在退火过程中出现的超温问题，冷热点温差下降。2.4退火工艺对带钢表面质量影响及优化冷轧带钢在制造过程中，罩式炉退火是一个非常重要的环节。然而，在这个过程中，可能会出现粘结问题，导致带钢变形或撕裂，从而影响产品质量和进一步的加工进程。同时，这也会对平整机轧辊造成损害，增加生产成本。因此，避免粘结问题发生对于冷轧厂来说是至关重要的咱4暂。带钢边部产生的粘结缺陷是钢材加工过程中的一种常见问题，称为边鼓粘结。该缺陷主要由卷形和对流盘挤压造成，在平整开卷前可以在带钢端面看到挤压和压倒痕迹。首先，卷形是边鼓粘结的主要根源之一。当带钢被卷起来时，由于内外层长度差异，导致两侧张力不均衡，从而形成卷形。这会导致边缘区域受到额外的拉力和挤压，从而引起边鼓粘结。因此，改善卷形，并减少装炉重量可以有效地减少该缺陷的产生。多点测温可帮助工作人员监控带钢表面和内部的温度变化，从而及时发现可能存在的问题。而温度场模拟则可以模拟出整个退火过程中的温度分布情况，帮助工作人员更好地理解各种因素对边鼓粘结的影响。根据退火过程中带钢温度变化特点，研究人员分析对比了不同升温/降温速率下，带钢的粘结情况（见表 3、表 4）。表 3不同升温速率带钢粘结情况保温温度705益705益705益升温速率72益/h52益/h36益/h跟踪卷数272266283粘结比例1.83%1.72%1.68%表 4不同降温速率带钢粘结情况待罩时间1h1.5h2h2.5h换罩时间681益663益642益615益跟踪卷数262256233234粘结比例1.68%1.05%0.65%0.64%基于上述数据，研究人员尝试制定退火优化措施，以期解决带钢粘结问题。首先，需要控制退火参数，如温度、时间和气氛等。合理的退火参数能够减少氧化物浓度，从而防止粘结问题的发生。其次，需要使用适当的带钢表面处理方法，例如酸洗和机械抛光等，以去除氧化层并提高表面光洁度。此外，在生产过程中，还需要加强设备维护和清洁，定期检查炉内温度分布及气氛变化等，保持设备运行的稳定性咱5暂。3结语此次研究中，相关工作人员尝试设计一种全氢罩式炉退火过程温度计算模型，并探究了相关的工艺优化措施。该模型能够准确地预测退火过程中的温度变化，为炉内温度控制提供了重要参考。同时，研究人员也发现了在退火工艺中需要注意的一些关键因素，如加热速率、保温时间和冷却速率等，这些因素对于保证退火效果和产品质量具有至关重要的作用。参考文献1 杨培培，温治，豆瑞锋.全氢退火炉炉内气体流动与换热特性的数值模拟 J.金属热处理，2014，39（12）：134-138.2 董广，孙喜龙，冯军虎，等.罩式炉过程控制系统开发 J.钢铁研究学报，2012，24（S1）：186-189.3 李卫杰，陆继东，张向，等.全氢炉在线退火性能评估及诊断仿真平台开发 J.系统仿真学报，2011，23（3）：480-485.4 汪月松.全氢罩式炉产生紧急吹扫的原因及预防措施 J.金属热处理，2010，35（3）：98-100.5 李卫杰，陆继东，张向，等.全氢罩式炉在线退火状态评估仿真平台的开发 J.华中科技大学学报（自然科学版），2009，37（11）：122-125.李晓晓：全氢罩式炉退火过程温度计算模型设计及退火工艺优化措施探究51