轧钢车间热处理炉设计——轧钢加热炉
轧钢车间热处理炉设计(design of heattreating furnace for rolling mill)
轧钢热处理炉主要有间断式热处理炉和连续式热处理炉两大类。前者包括炉外装出料机室式热处理炉、车底式热处理炉、缓冷坑和罩式炉。后者包括辊底式炉、步进式炉、链式炉、环形炉和钢带连续热处理炉等。
炉外装出料机室式热处理炉通常称为外部机械化炉(图1)，用于管材、棒材、板材的退火或正火。轧钢加热炉炉子呈长室式形，其一端设装出料炉门，炉子宽度由装料量决定，一般为1．8～3．0m。炉子长度为被处理钢料长度加0．9～1．0m。炉子分单室式和双室式两种，双室式是两个单室式并在一起中间用一公用墙相隔而成。所用燃料一般为煤气，也可为油。烧嘴布置在侧墙上。单室式炉烧嘴可以布置在炉膛两侧，双室式炉烧嘴只能布置在每个室的一侧。
炉子装出料使用在地面或架空轨道上行走的装出料机。几个炉室可以共用一台装出料机。根据炉子热处理周期时间、装出料作业占用时间和装出料机允许作业率计算确定装出料机台数。一般3～4个炉室配用一台装出料机。
这种炉子适宜于批数多，轧钢加热炉每批量不大，钢料长度适中(约4～10m)的情况下选用。炉子的生产能力随不同热处理工艺而有很大差别，一般约为100～300kg／(m2?h)。
炉子供热能力应用热平衡方法计算确定。也可以按炉底面积(内宽×内长)乘以炉底热强度求得。炉底热强度一般为90～150kw／m2。
车底式热处理炉这是一种通用性很强的炉型，广泛用于各种钢铁料的热处理，包括棒材、板材、钢坯甚至钢锭的热处理。
钢料装在砌有耐火材料的台车上，用吊车或专用机械将台车送入或拖出。台车与炉体之间用砂封或耐火纤维密封。燃料用煤气或油，也可以烧煤。烧嘴或燃烧装置安设在炉子侧墙下部：轧材热处理用车底式炉与一般用途车底式炉相比，其特点是炉子装料量大，装料比较规整，每米。车底面积可装2～5t。炉子较细长，其内长为轧材长度加0．5～0．8m。
炉子供热能力按炉底面积(炉内长×台车宽)乘以炉底热强度确定。炉底热强度可取110～160kW／m2。轧钢加热炉炉子产量与热处理种类关系较大，退火时单位炉底面积产量约为1.0～150kg／(m2?h)，正火时约为200～300kg／(m2?h)。
缓冷坑有加热缓冷坑和不加热缓冷坑两种。加热缓冷坑也称坑式炉，用于轧材的控制冷却、等温处理及硅钢连铸坯的热坯储存等。不加热缓冷坑用于轧材的缓冷和连铸坯的保温。
缓冷坑大多为半地下形式。大型缓冷坑的坑盖根据缓冷件分批装入和取出的要求，分成若干块，用吊车或专用揭盖机开闭。加热缓冷坑是在坑的两侧供热，燃料以煤气为好，也可以烧油。一般不设排烟设施，烟尘由坑盖缝隙或专设的开孔排入厂房内。
罩式炉是一种广泛用于轧材分批退火的炉子，轧钢加热炉钢料成堆放在炉台上，扣上加热罩(也称为外罩)进行加热。炉子形状和结构随轧材品种和堆垛方式而异。当对轧材表面氧化或脱碳有严格要求时，要设置耐热钢内罩或用电加热并按要求控制罩内气氛。成卷钢带的热处理常用单垛的圆形罩式炉，也有的用多垛长方形罩式炉，但70年代以后已很少采用。长件轧材和成垛板材用长方形罩式炉。为了改善罩内轧材的传热条件，有的在炉台上装设炉气循环风扇并配置如对流环等加强对流传热的器件。带内罩的罩式炉在炉料冷却到某一温度后，可将外罩移放到其他炉台上使用，以提高外罩的使用效率。为了加快炉料在温度较低时的冷却作用，还可在内罩外面扣上带喷水和吹风的冷却罩，以减少占用炉台时间并缩短整个热处理周期。薄板垛罩式热处理炉。有普通薄板罩式炉、通氢电热罩式炉和真空电热罩式炉等。普通薄板罩式炉一般用煤气作燃料，烧嘴安装在外罩上，每个炉台通常装两个薄板垛，每垛装12～15t，外罩产量为0．8～1．0t／h。供热能力是每垛配置450～500kW。通常三个炉台配一个外罩。通氢电热罩式炉和真空电热罩式炉用于硅钢板垛的退火和某些特殊材料的热处理。轧钢加热炉每个炉台装1～2垛，每垛10～15t。外罩产量110～130kg／h。供热能力每垛配置170～180kW。
(2)棒材罩式炉。一般不设内罩，炉气通过棒材之间缝隙由炉台上的排烟孔排出，传热较快。单位装料量的供热能力可以比薄板垛罩式炉高一倍左右。多用煤气作燃料，供热能力可按炉台面积(装料覆盖面积)乘以供热强度计算，供热强度可取110～150kW／m2。炉子产量与热处理工艺关系较大，正火时单位炉台面积产量为200～300kg／(m2?h)，退火时产量较低，一般只有正火时产量的一半或低于一半。有些棒材罩式炉设内罩，用于光亮热处理或无脱碳热处理。棒材罩式炉，通常1．5～2个炉台配一个外罩。
(3)钢带卷罩式炉。用于冷轧钢带卷成品和半成品的退火。由外罩、内罩，炉台和冷却罩组成(图2)。外罩通常做成倒圆筒形。轧钢加热炉大多用煤气作燃料，成切线方向进入炉内燃烧，烧嘴安装在外罩的下部。外罩上还装有
空气换热器以回收烟气余热。炉台一般设有循环风扇和可控气氛循环冷却系统。钢带卷垛在炉台上，垛高达4～5m内罩用耐热钢板焊成，罩下部焊有密封环，用橡胶密封。冷却罩用于在揭去外罩后扣在内罩外面加速钢带卷冷却用。罩的顶部或下部切线方向有风扇以加强冷却。对流盘也是钢带卷罩式炉不可少的部件，用于垫在两个钢带卷之间，使钢卷与钢卷之间有气流通道。该通道是循环风扇使可控气氛循环的必经之路，钢卷加热热量大部分由此通道传入。轧钢加热炉对流盘的设计要点是，使对流盘中流体阻力和流量与循环风扇的风量风压特性相匹配，以发挥循环风扇的效果。
钢带卷罩式炉的供热能力必须与循环风扇对热量的输送能力和钢带卷对热量的接受能力相一致。对于功率为15kW的循环风扇，装料量为70～100t的罩式炉，其供热能力为700～800kw。对于功率为30kW的循环风扇，装料量为160t的罩式炉，其供热能力为850～950kw。70年代末，钢带卷罩式炉开始采用强对流循环风扇，功率达55kw，配以氢可控气氛，由于氢的热导率为氮的7倍，大大提高了炉内气氛的热传递能力，当装料量为85t时，外罩供热能力可增大到1400kw。供热能力的增大，也使炉子产量得到相应提高，特称为强对流全氢罩式炉。
钢带卷罩式炉的生产能力与钢带卷要求的质量、炉子的装料量及供热能力有关。炉台(或外罩)小时产量是以炉台的装料量除以炉台(或外罩)所占用的时间得出。普通薄板带卷和深冲薄板带卷退火的小时产量见表。轧钢加热炉其他用途钢种的退火小时产量，应根据要求达到的温度、允许温差和金相转变等要求，参照类似尺寸、类似物理性质钢带卷实际达到的加热时间和冷却时间决定，或通过试验求出。
计算钢带卷罩式炉外罩数量和炉台数量，要先按照产品纲领选出代表品种和代表规格，并确定各代表品种和代表规格的平均装炉量，据此计算出各代表品种和代表规格的外罩小时产量和炉台小时产量。再按上述计算出的小时产量分别计算出外罩的台时数和炉台的台时数，用允许的年工作小时除台时数，再加上必要的不均衡系数和富裕量便分别得到外罩和炉台的数量。轧钢加热炉年工作小时可为8000h。处理普通用途和冲压用途的钢带卷罩式炉，其炉台数与外罩数之比为2：1。
钢带卷罩式炉各消耗指标的设计值是：外罩燃料消耗量约为800～1000kw，可控气氛耗量每个炉台为30m3／h，耗水量每个炉台为16～30t／h，分流冷却电耗为8～12kW，冷却罩耗电为11kW。
(4)松卷罩式炉。是在每层钢带圈内卷入弯曲的金属丝或绞线，使每圈钢带之间保持一定间隙，气体通过间隙后可大幅度缩短加热和冷却时间。松卷罩式炉除可用于一般钢带卷的退火外，由于带钢表面与炉内气氛接触充分，还可以用于脱碳，气体合金化等处理。
松卷罩式炉的钢料垛高不能太高，通常只垛一卷或两卷。炉子构造原理与紧卷罩式炉(即普通钢带卷罩式炉)相同。
辊底式炉用于棒材、管材、板材、线材退火、正火和调质等热处理的炉子。其炉料有一定长度，无张力牵引、完全靠辊子旋转输送。炉子可以用煤气或轻油作燃料，也可以用电。炉子构造见图3。
辊底式炉适应性很广，可用于通可控气氛的光亮热处理和不通可控气氛的一般热处理。通可控气氛的光亮热处理辊底式炉采用辐射管间接加热或电加热。为了使炉料进出炉不致影响炉内气氛，在炉子出入口设有出入口通道，轧钢加热炉通道内设吹扫设施和密封设施。料在炉内须摆动或成批装出料的炉子则须设置装料室和出料室。光亮热处理辊底式炉的冷却段结构比较多样化，有同时装有加热和冷却设施的可控冷却结构、水冷套冷却结构和可控气氛循环喷吹冷却结构，可根据冷却速度的需要来选择。
不通可控气氛的辊底式炉结构要简单得多，工件与炉气直接接触，在大气中冷却或吹风冷却，有些淬火件则采用喷水冷却。
辊底式炉的辊面速度根据炉料需要的在炉时间进行计算。辊子速度的调节范围要满足各品种生产需要，为避免辊子在炉内产生下弯，有些炉子的辊子需要来回摆动，摆动角度为180。～540。，轧钢加热炉摆动速度为6～12m／min。有些炉料要求淬火或正火处理，需要整体快速出炉，出料速度根据炉料长度和厚度决定，一般为50～70m／min。
炉子的燃料消耗量由热平衡计算确定，对于炉子较长或有缓冷等工艺的比较复杂的炉子，须分别计算各段的供热量和冷却的散热量。对于工艺单纯的辊底式炉，其单位炉底面积的热耗指标为：不锈钢板淬火为200～220kw／m2，碳素钢淬火、正火为120～190kw／m2。再结晶退火为70～100kw／m2。
辊底式炉各段长度根据必要的加热时间和热处理工艺需要的各段时间确定。加热时间由钢料厚度乘以单位厚度加热时间确定。单位厚度加热时间，对于淬火、正火为1．5～2．5min／mm，再结晶退火取4～5min／mm。
步进式炉用于钢棒、钢管和钢板的正火、淬火、回火和球化退火等。由于步进式炉能达到较高的温度，所以可以进行要求温度达1050～1150℃的固溶热处理。钢料在炉内横向运送，即钢料长度方向与炉子运料方向垂直。轧钢加热炉横向运料允许钢棒或钢管单根出炉，适合于冷却要求很均匀的喷水淬火热处理。例如石油钻探管的淬火和回火等。
炉子结构见钢管生产用炉设计。
链式炉用于叠轧薄板单张正火或固溶热处理。特殊钢厂使用较多。适宜于小批量生产，用来代替昂贵的辊底式炉。
环形炉用于处理辊底式炉或步进式炉较难处理的钢带卷、车轮、轮箍等异形件的热处理。轧钢加热炉炉子结构见钢管生产用炉设计。
钢带连续热处理炉见带材连续热处理炉设计。