電井爐熱平衡計(jì)算

1、<p>　　電井爐熱平衡計(jì)算及工藝參數(shù)確定</p><p><b>　　徐效謙</b></p><p>　?。|北特殊鋼集團(tuán)大連鋼絲制品公司）</p><p>　　鋼絲熱處理過程必須滿足兩個(gè)基本條件：必須提供足夠的熱量，把鋼絲加熱到預(yù)定的溫度；必須對(duì)單位時(shí)間內(nèi)提供的熱量實(shí)行有效地控制，使鋼絲保溫一段時(shí)間，完成組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變后，再以一定

2、的冷卻速度，冷卻到指定溫度出爐。因此，熱能的供給方式和控制水平，就代表熱處理爐的水平。</p><p>　　蘇州市東升電爐廠生產(chǎn)的RJQ-280-9型強(qiáng)對(duì)流氣體保護(hù)井式退火爐采用全纖維砌筑，爐體保溫條件較好，熱慣性小，升溫和降溫速度比較快。為防止鋼絲氧化、脫碳，爐內(nèi)配置內(nèi)膽，形成密封罐體，熱處理全過程通氮?dú)饣虬狈纸鈿怏w保護(hù)。內(nèi)膽中有一層導(dǎo)流桶，內(nèi)膽底部裝兩級(jí)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)鼓起的氣流沿導(dǎo)流桶與內(nèi)膽間的風(fēng)道直達(dá)爐頂

3、，然后從爐中心部位回流到風(fēng)機(jī)頁片中。由于氣體從四周向中心有規(guī)律的循環(huán)流動(dòng)，爐溫均勻性有根本性的改善。該爐投產(chǎn)后徹底扭轉(zhuǎn)了鋼絲制品公司成品鋼絲抗拉強(qiáng)同批差偏大的被動(dòng)局面。</p><p>　　強(qiáng)對(duì)流氣體保護(hù)井式退火爐設(shè)計(jì)裝爐量為8～16t，最高使用溫度為850℃。采用電阻帶加熱，加熱功率280kW。因供熱速度有限，不同退火溫度，不同裝爐量熱處理升熱時(shí)間差別較大，因此需要通過熱平衡計(jì)算為退火工藝的制訂提供依據(jù)。<

4、;/p><p><b>　　熱平衡計(jì)算方法</b></p><p>　?。?）計(jì)算加熱鋼絲或臺(tái)架等熱量消耗的基本公式為：</p><p>　　Q＝m(C1t1－C0t0) （1）</p><p>　　式中m—鋼絲或臺(tái)架等重量，kg</p><p>　　C1—加熱到預(yù)定溫度時(shí)的平均比熱，kcal

5、 / kg．℃</p><p>　　C0—裝爐時(shí)的平均比熱，kcal /kg．℃</p><p>　　t1—預(yù)定加熱溫度，℃</p><p>　　t0—鋼絲或臺(tái)架等原始溫度，℃</p><p>　　Q—熱量消耗，kcal</p><p>　?。?）爐體表面散熱計(jì)算公式</p><p>　　Q＝q

6、F （2）</p><p>　　式中：q—散熱系數(shù)，kcal/ m2·h</p><p>　　F—爐體外表面積，m2</p><p>　　公式（2）中的散熱系數(shù)(q)是與爐體外表面溫度相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表1中可以查出相應(yīng)數(shù)值。</p><p>　?。?）熱量消秏耗換算成單位時(shí)間的電耗—功率</p>

7、<p>　　N＝ （3）</p><p>　　式中：τ0—鋼絲加熱到預(yù)定溫度的時(shí)間，h</p><p><b>　　(4) 總電耗</b></p><p>　　N總=K(N1+N2+N3+……+Nn) （4）</p><p><b>　　式中：K—安全系數(shù)</b>

8、</p><p>　　公式（4）中的安全系數(shù)主要考慮電壓波動(dòng)、電熱元件接線孔和熱電偶觀察孔等造成的熱量損失。保溫條件較好的連續(xù)生產(chǎn)的電井式爐K取1.2～1.3。</p><p>　　表1 爐體外表面溫度與散熱系數(shù)(q)的關(guān)系1</p><p>　　注：其他溫度對(duì)應(yīng)的q值可用插入法求得。</p><p><b>　　電井爐的功率計(jì)

9、算 </b></p><p>　　按鋼絲裝爐量9t(m)，10 h(τ0)加熱到700℃來計(jì)算電井爐配置功率：</p><p>　　2.1 鋼絲加熱所需功率</p><p>　　查資料得知，T9A鋼絲的C25=0.115 kcal / kg．℃，C700=0.147 kcal / kg．℃。</p><p>　　Q1＝m(C1t1

10、－C0t0)=9000×（700×0.147－25×0.115）=900225（kcal）</p><p>　　N1=Q1/860τ0=900225÷8600=105（kW）</p><p>　　2.2 裝料架加熱所需功率</p><p>　　鋼絲裝在料架上退火，裝料架材質(zhì)為304不銹鋼，裝料架規(guī)格、自重、裝爐量及每爐使用個(gè)數(shù)

11、如表2。查資料得知，304裝料架的C25=0.12 kcal / kg．℃，C700=0.168 kcal / kg．℃。計(jì)算時(shí)裝料架總重量取平均值：1800kg。</p><p>　　表2 裝料架規(guī)格、自重及裝爐量</p><p>　　Q2＝m(C1t1－C0t0)=1800×（700×0.168－25×0.12）=206280（kcal）</p&

12、gt;<p>　　N2=Q2/860τ0=206280÷8600=24（kW）</p><p>　　爐蓋及內(nèi)膽等加熱所需功率</p><p>　　爐蓋及內(nèi)膽總重量3.5t，材質(zhì)304，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，鋼絲出爐后內(nèi)膽等平均溫度能保持在200℃左右。查資料得知，304內(nèi)膽的C200=0.135 kcal / kg．℃。</p><p>　　Q3＝m(

13、C1t1－C0t0)=3500×（700×0.168－200×0.135）=317100（kcal）</p><p>　　N3=Q3/860τ0=317100÷8600=37（kW）</p><p><b>　　冷卻水消耗功率</b></p><p>　　電井爐強(qiáng)對(duì)流電機(jī)和爐蓋密封膠墊使用中必須通水冷卻，

14、因此要消耗部分功率。冷卻水用量5t/h，700℃退火時(shí)，預(yù)計(jì)每小時(shí)溫升3℃；800℃退火時(shí)，預(yù)計(jì)每小時(shí)溫升5℃。</p><p>　　Q4＝mC(t1－t0)= 5000×（28－25）×1=15000（kcal/ h）</p><p>　　N4=Q4/860=15000÷860=17.5（kW）</p><p>　　2.5 保護(hù)氣體消

15、耗功率</p><p>　　電井爐退火時(shí)選用純氮加4%的氫作為保護(hù)氣體，防止鋼絲氧化。保護(hù)氣體平均用量12m3/h，查資料得知，N2的比熱C200=0.248 kcal / m3．℃。</p><p>　　Q5＝mC(t1－t0)= 12×（700－25）×0.248=2009（kcal/ h）</p><p>　　N5=Q1/860=2009&

16、#247;860=2.4（kW）</p><p>　　2.6 爐體散熱消耗的功率</p><p>　　電井爐外形尺寸為Φ4.0×h4.05m，其外表面積F=76m2。650℃退火時(shí)，冬季表面溫度預(yù)計(jì)不超過50℃；700℃退火時(shí)，冬季表面溫度預(yù)計(jì)不超過53℃；800℃退火時(shí)，冬季表面溫度預(yù)計(jì)不超過60℃。</p><p>　　Q6=qF=340×7

17、6=25840（kcal/ h）</p><p>　　N6=Q6/860=25840÷860=30（kW）</p><p>　　2.7 預(yù)計(jì)配置功率</p><p>　　N總=K(N1+N2+N3+N4+N5+ N6))=1.25×(105+24+37+17.5+2.4+30)=270（kW）</p><p>　　電井爐實(shí)

18、際配置功率為280 kW。</p><p>　　電井爐退火加熱時(shí)間計(jì)算</p><p>　　鋼絲退火的先決條件是必須提供足夠的熱量，把鋼絲加熱到預(yù)定溫度。電爐供熱速度相對(duì)是比較慢的，要有相對(duì)較長的加熱時(shí)間。顯然，鋼絲裝爐量越大，加熱時(shí)間越長。在電爐功率及生產(chǎn)工藝穩(wěn)定條件下，就可以反向計(jì)算出不同裝爐量時(shí)的加熱時(shí)間(τ)。</p><p>　　3.1 加熱時(shí)間計(jì)算方法&

19、lt;/p><p>　　配置功率除以安全系數(shù)1.25，即為有效使用功率，見公式（5）。有效使用功率中扣除N4～ N6三項(xiàng)消耗功率，余數(shù)為加熱功率，見公式6。</p><p>　　N有效=N總/1.25 （5）</p><p>　　N加熱=N有效―N4―N5―N6 （6）</p><p><b>　　從公式3

20、可以得出：</b></p><p>　　Q加熱=860 N加熱τ （7）</p><p>　　加熱功率主要用于鋼絲、料架和內(nèi)膽等加熱，內(nèi)膽和料架的能耗只取決于退火溫度，與裝爐量基本無關(guān)，因此需要將鋼絲加熱能耗進(jìn)一步分解成噸鋼能耗W。</p><p>　　W=可以導(dǎo)出 Q1=WM （8）</p><p>　　式中

21、W—噸鋼能耗，kcal/ t</p><p><b>　　M—裝爐量，t</b></p><p>　　N加熱是用于加熱鋼絲、料架和內(nèi)膽的功率，要將爐中鋼絲加熱到預(yù)定溫度，必須保證N加熱在τ內(nèi)提供的熱量能將鋼絲、料架和內(nèi)膽加熱到預(yù)定溫度，即：</p><p>　　Q加熱=Q1 +Q2 +Q3 = WM+Q2 +Q3=860N加熱τ</p&g

22、t;<p>　　從公式(3)可以導(dǎo)出：</p><p>　　τ= （9）</p><p>　　3.2 加熱時(shí)間計(jì)算</p><p>　　首先計(jì)算700℃退火時(shí)，不同裝爐量鋼絲加熱到700℃所需時(shí)間。</p><p>　　N有效=N總/1.25=280/1.25=224（kW）</p><p&g

23、t;　　N加熱=N有效―N4―N5―N6=224―17.5―2.4―30=174.1（kW）</p><p>　　W==900225/9=100025（kcal/t）</p><p><b>　　τ(700℃時(shí))=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　= 0.67M+

24、3.5</p><p>　　當(dāng)M=8t時(shí)τ=8.9h，當(dāng)M=13t時(shí)τ=12.2h。</p><p><b>　　同理可以求出：</b></p><p>　　τ(650℃時(shí))=0.61M+3.1</p><p>　　τ(700℃時(shí))=0.67M+3.5</p><p>　　τ(750℃時(shí))=0.7

25、5M+4.0</p><p>　　τ(800℃時(shí))=0.86M+4.5</p><p>　　τ(850℃時(shí))=0.93M+5.1</p><p>　　式中：τ—加熱時(shí)間，h</p><p><b>　　M—裝爐量，t</b></p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果如表3。</b>

26、;</p><p>　　表3 不同退火溫度、不同裝爐量時(shí)的預(yù)計(jì)加熱時(shí)間/h</p><p>　　注：其他溫度對(duì)應(yīng)的h值可用插入法求得。</p><p><b>　　退火工藝的確定原則</b></p><p>　　通過熱平衡計(jì)算得出的預(yù)計(jì)加熱時(shí)間僅代表把鋼絲加熱到預(yù)定溫度的時(shí)間，如前所述，熱處理的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)材料的組織結(jié)構(gòu)

27、的轉(zhuǎn)變，獲得理想的性能。鋼絲退火的工藝參數(shù)包含5個(gè)因素：升溫速度、退火溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度和控制冷卻區(qū)間。實(shí)際退火工藝，結(jié)合退火爐的特性可能演變成4段或6段控制因素。</p><p>　　以RJQ-280-9型強(qiáng)對(duì)流氣體保護(hù)井式退火爐為例，鋼絲退火過程由PID程序自動(dòng)控制，</p><p>　　PID可預(yù)置8條工藝曲線，每條曲線可設(shè)置5～6個(gè)臺(tái)階。鋼絲裝爐后爐蓋密封好，開始抽真空，抽到

28、一定程度再通保護(hù)氣體，同時(shí)送電升溫，進(jìn)入自動(dòng)控制程序。運(yùn)行到控制冷卻區(qū)間的下限，熱處理完成。此時(shí)開啟爐蓋可能造成鋼絲氧化，特別是如使用帶氫的保護(hù)氣氛會(huì)引起爆炸，必須實(shí)施強(qiáng)制冷卻。安裝在爐體兩端的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，向爐膛與內(nèi)膽之間鼓風(fēng)，當(dāng)溫度降到400℃以下后，再開啟真空泵將膽內(nèi)氫排凈或用氮?dú)鈱溱s凈，才能開爐出料。</p><p>　　一般說來，鋼絲規(guī)格細(xì)，很容易“透燒”，無需擔(dān)心加熱速度快使鋼材產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋，可以“熱

29、裝”，也可以盡可能快的速度升溫。升溫到預(yù)定退火溫度開始保溫，保溫時(shí)間與熱處理方式、鋼種和退火溫度密切相關(guān)。</p><p>　　再結(jié)晶退火是鋼絲最常用的退火方式，退火目的是消除冷加工硬化，以利于再加工或使用。再結(jié)晶退火溫度一般選在鋼的相變點(diǎn)—Ac1以下，溫度越接近Ac1點(diǎn)，完成再結(jié)晶所需保溫時(shí)間越短。因?yàn)殡娋疇t有氣體保護(hù)，不用擔(dān)心氧化和脫碳，退火溫度可以適當(dāng)高點(diǎn)，以縮短保溫時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。鋼的再結(jié)晶是連續(xù)的過

30、程，當(dāng)退火溫度超過鋼的再結(jié)晶溫度時(shí)（約450～500℃）就開始了。大裝爐量的電爐加熱也是一個(gè)慢長的過程，所以在升溫過程中再結(jié)晶已開始進(jìn)行了，當(dāng)溫度升到預(yù)定溫度時(shí)，再結(jié)晶差不多已經(jīng)完成了。所以上面算的預(yù)計(jì)加熱時(shí)間，可以算作加熱時(shí)間+保溫時(shí)間。即使退火溫度偏低，再加上0.5h的保溫時(shí)間，已足以完成再結(jié)晶退火。然后爐冷（停電冷卻）到650℃以下，再實(shí)施強(qiáng)制冷卻，到400℃以下，停氣、出爐。</p><p>　　球化退火

31、也是鋼絲最常用的退火方式之一，球化退火的目的是獲得粒狀珠光體的顯微組織。具有粒狀珠光體組織的中低碳結(jié)構(gòu)鋼，抗拉強(qiáng)度低，有優(yōu)良的冷加工塑性，特別是粒狀珠光體組織鋼的頂鍛或冷鐓性能是其他組織的鋼無法比擬的，所以冷鐓（ML）鋼絲對(duì)顯微組織的球化度有嚴(yán)格的要求；對(duì)于中高碳彈簧鋼或工具鋼，粒狀珠光體的顯微組織，除了有利于繼續(xù)冷加工外，還是對(duì)淬回火最有利的顯微組織。細(xì)粒狀珠光體組織鋼在淬火時(shí)，碳化物能迅速、均勻地溶入奧氏體中，淬火溫度范圍寬，淬裂傾

32、向小，淬后鋼的硬度高，均勻性好。實(shí)現(xiàn)鋼絲組織球化的方法有多種，但最常用的方法是球化退火。球化退火是將鋼加熱到相變點(diǎn)—Ac1以上10～30℃，此時(shí)珠光體中鐵素體已轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，但碳化物仍然存在；保溫一段時(shí)間，使碳化物逐步溶解到奧氏體中；然后緩慢冷卻(20～30℃/h)到Ar1以下，在緩慢冷卻過程中，析出的碳化物以尚未溶解的碳化物為核心，聚積成球。只有加熱到Ac1以上，鋼中碳化物才開始溶解，但溶解必須有個(gè)過程，保溫時(shí)間是必不可少的，控制冷卻

33、速度同樣也是非常重要的。對(duì)球化退火而言，上面計(jì)算出的預(yù)計(jì)加熱時(shí)間只能算作升溫時(shí)間。根據(jù)加熱溫度，至少要再加上1～</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)</p><p>　　1 機(jī)械工業(yè)部第一設(shè)計(jì)院主編，工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，1981年10月第一版。</p><p>　　2 合金鋼鋼種手冊(cè)，第四冊(cè) 耐熱鋼，冶金工業(yè)出版社，1993年8月第一版。</