带材连续热处理炉设计——轧钢加热炉
带材连续热处理炉设计(design of continuous heat treating furnace for strip)
轧制带材以展开方式连续通过炉膛进行热处理的炉子。常用于处理各种带材如硅钢带、不锈钢带、热镀锌钢带、普通冷轧钢带和其他金属带材。
设计原则 轧钢加热炉主要有:(1)连续热处理炉作为整个作业线中的主要组成部分,要与工艺要求的产量、品种、卷重等以及作业线配置的相应运行设备如开卷机、剪机、焊机、入口活套、防止带材跑偏装置、张力控制装置、出口活套和卷取机等相适应。80年代作业线机组的运行速度可达600m/min。(2)炉子要按照热处理工艺要求的升温速度、保温时间、冷却速度和气氛控制等分成若干功能段(或室)、配置相应的供热和冷却设施。(3)炉子中的带材运行,有水平运行的卧式(直通式或折叠式)和垂直运行的立式(一次通过的立式或多行程通过的塔式)。卧式直通式炉占用车间面积多,但穿带和断带处理比较容易。塔式炉适合带材高速运行,能满足高产量的要求。
带材连续热处理炉种类 常用带材连续热处理炉按照炉子的用途可以分为:硅钢带连续热处理炉为了改善热轧原料和冷轧硅钢带的金相组织结构、降低铁损、提高塑性等进行的脱碳退火,通常采用卧式直通式连续热处理炉。当产量要求较高时,直通式炉的作业线长度很长而造成车间布置困难,也可采用折叠式炉或塔式炉以缩短炉子长度,但由于硅钢带质地脆,轧钢加热炉通过转向辊时容易造成断带,穿带又比较困难,所以采用的不多。为了形成脱碳气氛,要向炉内通入氢或含氢20%~80%的氢氮混合气体,并在气体中加入水蒸气而使气体的露点为50~70℃。
不锈钢带连续热处理炉 不锈钢带的连续热处理,在50年代中期之前,绝大部分采用在直通式火焰炉内加热以后采用空气或水冷却的方法进行热处理。这种方法会使钢带表面氧化而需用机械或化学方法除去氧化皮。直通式火焰炉有辊底式牵引炉和悬索式炉两种。前者因钢带在高温下与炉内辊子接触会造成表面划伤,已很少采用。早期悬索式炉在炉内设有辊子,钢带在炉内呈悬垂状态通过,炉子进料和出料门外侧。各有辊子支托钢带,采用石棉辊不会划伤钢带表面。由于炉长受钢带垂度的限制,要求产量大时可将炉子分为若干炉段,在炉段之间设置支托钢带的石棉辊(图1a),这样就能控制钢带的悬垂度。随着炉辊结构和材料的改进,80年代已经发展了带炉内辊的整体悬索式炉(图1b),辊子用陶瓷耐火纤维代替石棉以承受炉内高温,并用同步传动以避免划伤和减少辊子的磨损。这样缩短了炉子长度,并能节省燃料17%。改进的整体炉还在进料端增加预热段(图1c),以进一步降低燃料消耗。

不锈钢带光亮热处理炉 由于用户对不锈钢带表面质量的要求越来越高,通过火焰炉加热处理的不锈钢带,其表面质量不能满足要求,因而发展了光亮热处理炉。这种炉子不仅能提高钢带表面质量和物理性能,还能提高金属收得率,控制尺寸和降低生产成本。光亮热处理炉的型式是一次垂直通过的立式炉(图2)。钢带在一个垂直行程中完成加热和冷却过程,轧钢加热炉因此在处理过程中不与辊子接触,避免表面划伤。由于不锈钢中所含元素极易氧化,为达到表面光亮处理要求在纯度极高的干氢或分解氨气氛(含氧量≤10×10-6,露点-40℃至-50℃)中进行,这种气氛还要求在高温下不受污染。初期在炉子的加热段采用高合金耐热钢制作隔焰罩(马弗)以免气氛受污染。但因金属隔焰罩的使用寿命短,而且宽度也受限制,因此在发展高纯度氧化铝轻质材料后,目前立式炉大都已不再装设金属隔焰罩而直接在高纯氧化铝砖砌筑的炉室内加热。这种砖的耐火度和荷重软化点高,在高温下有良好的化学稳定性,不会与氢发生作用而污染可控气氛。图2是立式炉的一种型式,钢带从左侧上行,通过转向辊后下行进入加热室,再经冷却室冷却后出炉。另一种类似的立式炉是向上运行先进入加热室和冷却室,然后通过转向辊下行出炉。这种型式的优点是炉顶转向辊处于低温区域可以不需水冷,钢带转向时已经处理软化,便于低张力运行,而且加热室位于炉子下部,降低了炉子重心而使炉体钢结构轻便稳定。但钢带在进入加热室之前不像下行式那样有一段时间经过可控气氛清扫表面。

钢带连续镀锌机组热处理炉 冷轧钢带热镀锌是一种提高抗腐蚀能力的表面处理措施。原料钢带的热处理可以是离线的(即事先在其他热处理炉中进行),也可以是在线的(即热处理与镀锌工艺在一条作业线上实现)。在线热处理炉以前是卧式直通式炉,80年代开始一些高产量镀锌机组的热处理炉采用多行程塔式炉以减少占地面积。早期处理工艺为氧化还原法(森吉米尔法),冷轧钢带不经脱脂清洗就直接进入氧化室,用火焰将钢带表面的油脂烧掉并形成薄氧化膜,同时钢带也加热至460℃左右。从氧化室出来的钢带再进入通可控气氛的还原室,在此室内钢带按热处理工艺要求加热至750~900℃。靠还原室中含氢量不低于75%的还原气氛使钢带表面的氧化膜还原成纯铁层,再在冷却室中按工艺要求的冷却速度冷却到480~510℃后进入锌锅以取得与原板良好粘结的镀锌层。轧钢加热炉60年代开发的无氧化法(改进的森吉米尔法),将未经清洗的冷轧钢带在弱氧化气氛的高温火焰炉(1100~1250℃)内快速加热至接近要求的退火温度,并从加热室直接进入还原室而不与空气接触,所以表面只产生带很薄的氧化膜,还原室中气氛的含氢量可降低至10%~30%就能获得良好的镀层。由于一般不再要求在还原室中加热升温,钢带在还原室和冷却室内都有充分的保温和缓冷时间,以生产不同硬度的镀锌钢带。较新的结构是,利用高温火焰炉中排出的烟气中的可燃气氛经专门的燃烧装置进行燃烧来预热助燃空气,以降低火焰炉的燃料消耗。
对于经过长途运输提供的冷轧钢带原料,因表面涂的防锈油脂较厚,不能依靠在火焰炉中烧掉,必须经过脱脂清洗后才能镀锌。脱脂清洗后的钢带在可控气氛中按热处理工艺的要求加热并冷却到480~510℃进入锌锅。

普通钢带连续热处理炉 早期使用的普通钢带连续热处理炉用于镀锡钢带原板的退火,以消除冷轧钢带的加工硬化达到符合要求的硬度和韧性。除少数低产量折叠式炉外,绝大多数都用多行程的塔式炉进行处理。由于高速运行的钢带在炉内的时间短,没有充分的保温和冷却时间以满足各种性能的热处理要求,所以当时只能生产硬度较高,不要求深冲性能的产品,轧钢加热炉大量的产品还是在传统的分批式罩式炉中进行处理。随着生产的发展和用户对钢带质量的严格要求,传统罩式炉处理的产品不能完全满足要求,一些单位对热处理新工艺进行了大量的试验研究工作。从70年代开始,炼钢技术的发展使得能以合理的成本生产含碳和含氮量很低的钢种并在热轧和冷轧过程中采取适当措施,三家日本公司先后研制出连续热处理炉新工艺,通过连续热处理炉能够生产性能良好的冲压级和深冲级钢带和低合金高强度钢带。这三种新工艺是新日铁连续退火作业线(NSC—CAPL),日本钢管连续退火线(NKK—CAL)和川崎连续退火线(KM—CAL)。连续退室直接进入还原室而不与空气接触,所以表面只产生火炉的示意图见图3,其工艺简要说明见表。

炉体结构设计 带材连续热处理炉炉体结构各部分及其特点为:
炉体钢结构(炉壳) 要求密封性能良好,焊缝要进行严格的检漏试验,分段连接处要设置膨胀补偿装置,每段要留人孔以便检修。炉壳上要为安装带材运行和操作设施开出必要的孔洞,在这些设施安装完毕后要能保持炉壳的严密性。断面尺寸小的炉子也可将炉壳分为上下两部分,轧钢加热炉用法兰或其他密封方式连接,以便于安装炉内部件和检修。当炉壳的长度很长时,可只将一端与基础固定,其余部分在膨胀时允许在基础上滑动。
进出料口 通可控气氛的炉子,其进料和出料炉口在带材运行时要有良好的密封设施,以尽可能减少可控气氛的漏泄。常用的结构是设置石棉辊或橡胶辊等,辊子间的缝隙可调,且维修更换方便。辊子可以自由转动或与钢带运行同步传动。当冷却段出口带材温度很低时也可用毛毡密封。进出料口要设置排气罩,以便及时排除漏泄出来的可控气氛。使用含氢量高的可控气氛时,要将漏泄气体点燃。
预热段(室) 为了节省能源,轧钢加热炉充分利用加热段排出烟气的余热,采用适当措施将入炉带材进行预热。所用方法可以是将烟气加压后直接向带材喷吹加热,也可通过热交换器将空气预热后喷吹带材使其预热。
加热段(室) 按工艺要求分为明火加热和可控气氛中加热两种。明火加热用气体燃料烧嘴。如果要求炉阿保持弱氧化性气氛时,烧嘴要能在控制α=o.85的情况下稳定燃烧。在可控气氛中加热时,通常采用燃料56燃烧的辐射管或电热体作为热源,并按工艺要求进行分段控制。为了有利于高温快速加热,常在进料端配备较大的供热能力。炉壳内衬砌隔热性能良好的耐火材料,其品种取决于工作温度和所接触的气氛。带材在加热段内的时间和炉段长度按照工艺要求确定。轧钢加热炉保温段(室)又称均热段,带材在加热段加热到要求温度后,根据不同品种的热处理工艺制度,在一定温度下保持一段时间。保温段的长度须按要求的保温时间和带材运行速度计算确定。由于不需向带材提供热量,供热只是为了补偿散热损失,通常采用电热体供热。功率不大,也易于均匀布置和分段控制。炉壳内衬砌的耐火材料和加热段相同。
缓冷段(室) 又称调节冷却段,带材在此段内按工艺要求的速度,缓慢冷却到一定的温度。段内布置电热体或冷却风管或二者皆备,以调节冷却速度。如果不要求严格控制冷却速度,可只在炉壳内砌砖而不配置加热或冷却装置。
快冷段(室) 为了按照热处理工艺要求进行快速冷却,对光亮表面的带材大都用可控气氛循环喷吹冷却。冷却后的可控气氛经喷口高速喷吹带材表面以对流传热进行快速冷却。喷吹后温度升高的可控气氛经循环风机和间接冷却的水冷热交换器降温并提高压力后再从喷口喷吹带材。如此循环靠冷却水将带材的热量带走并使带材始终在可控气氛中保持光亮表面。这种喷吹冷却装置可以做成集中循环系统,即整个快冷段用一台或几台循环风机和水冷热交换器将可控气氛冷却加压后喷出;也可装设若干个单体喷吹冷却装置(图4)。每个单体都有循环风机和水冷热交换器,以便于单独维修和更换。喷口可在冷却装置的一侧,轧钢加热炉也可以在两侧,后者可以对双行程的带材同时喷吹冷却。在80年代新发展的连续退火热处理炉中,工艺要求采用极高的冷却速度,以防止钢中固溶体的碳析出成为碳化物。为此,有的直接入水冷却,有的用可控气氛和水同时喷吹,靠喷出气体将水雾化并喷向带材表面进行加速冷却,冷却速度可达100℃/s,对于厚度在1mm以下的钢带,冷却速度甚至可达400℃/s,以满足高强度低合金钢带特别快速冷却的要求。图5是这种冷却装置系统的示意图。直接入水或与水雾接触的钢带表面会产生轻微氧化,因此要有处理设施,包括轻度酸洗、水洗、中和、水洗和热风干燥设施等,以保证钢带热处理后的光亮表面。

过时效段(室) 钢带从快冷段进入过时效段后,以较长时间(120~180s)在400℃下保温(有的工艺将钢带入水快冷至室温,则进入此段前要先加热至400℃,然后在此温度下保温)。由于只补偿散热损失,轧钢加热炉一般在此段用电热体供热。炉体也要采取隔热保温措施。达到要求的保温时间后,用冷却管或可控气氛喷吹冷却使钢带冷却至120℃以下出炉。如果后部工序要求钢带温度更低时,要增设入水淬冷和干燥装置。
穿带和断带处理设施 对于直通式炉,穿带和断带处理比较方便。一般是用钢管制作的简单工具将钢带从进料口引入炉内,然后靠炉内辊子带动,到出料口引出,穿带工具的长度要能同时搭到三根炉辊。折叠式炉要在转向辊端头炉壳上留出能通过穿带工具的孔洞,正常生产时用盖板封住。单行程立式炉在炉顶转向辊上部设有带两根链条的卷扬机。穿带时两根链条分别从转向辊的两侧下垂到进料口和出料口,将两根引带用卷扬机拉到炉顶后焊接在一起,将工作钢带与进料端的引带互相焊接,然后用出料卷取机将引带拉出炉外,即完成穿带操作。断带时也用同样方式进行穿带。多行程的塔式炉内有几十根炉辊,穿带操作比较复杂。通常在炉顶上面和炉底下面都配备能沿炉长方向移动的小车,轧钢加热炉炉顶小车上有带两根链条的卷扬机和焊接设备。通过炉顶预留的穿带孔,将两条链条从辊子的两侧放到炉底。炉底的升降小车能将部分炉底卸下,再用若干条引带与炉顶垂下的链条连接后拉到炉顶逐条焊接,当全部引带焊完连接在一起后用卷取机卷取并将工作带钢引入炉内。有的炉子在炉内沿钢带运行的全行程装一根耐热钢穿带链条,有驱动装置能使其朝正反两个方向运转,将引带端部与链环固定后,靠运转链条就能完成穿带工作。当炉子在运行过程中发生断带事故时,需要确定断带的位置,为此在炉底上装有若干低压电触头,当钢带断裂落到炉底上时,就会与该处的电触头接触形成电通路,从而发出信号,因而能确定断带位置。在用氮气将炉内的可控气氛吹扫放散后,打开该处的炉底和相应的炉顶穿带孔,将断带的两端拉到炉顶进行焊接,即可恢复钢带的运行。