强对流气体保护退火炉

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

强对流气体保护退火炉

东北特殊钢集团大连钢丝制品公司 徐效谦

内容摘要：本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项，同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式，为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

关键词：强对流， 退火炉，保护气体，热交换。

强对流气体保护退火炉是近年来开发并逐步推广使用的一种高效、节能、环保型退火炉，可用于带材、线材和丝材的退火处理。如果保护气体有足够的纯度，退火工艺得当，经这种炉退火的特殊钢钢丝和盘条显微组织均匀、力学性能稳定、表面脱碳层也无加深的趋势。与一般退火炉相比，强对流气体保护退火炉的优势是整个退火过程中，炉内保护气体始终处于高速、有序运动状态。要正确地制造和合理使用强对流气体保护退火炉必须对退火炉的结构和特性有一定的了解。 1 热交換的基本方式

退火炉的热效率主要取决于炉体散热状况和炉内热交换状况，一旦选定退火炉，炉体散热状况也就固定了，要提高退火炉的热效率只有一条路：提高炉体与物料的热交换能力。炉内的热交換有三种基本方式：辐射传热、对流传热和传导传热。三种传热的基本公式分别为：

T1 4 T2 4

²辐射传热 Qf＝ － 12A1 （kcal/h） 公式1

100 100

式中： —导出辐射系数（kcal/m2²h²°K4）

T1和T2—传热双方的温度（°K）

12—钢材表面投向壁的角度系数，一般 12=1

A1—钢材的传热面积（m2）

导出辐射系数 = C0，其中 表示黑度，C0表示绝对黑体的辐射系数C0=4.88 kcal/m2²h²°K4。

²对流传热 Qd＝ A t （kcal/h） 公式2

式中： —对流给热系数（kcal/m2²h²℃）

t—炉气与钢材表面温度差（℃）

A—钢材的传热面积（m2）

²传导传热 Qda＝

A t

（kcal/h） 公式3

式中： —物体的导热系数（kcal/m2²h²℃）

A—物体的传热面积（m2）

t—物体的温度差（℃）

—物体的厚度（m）

以钢铁材料为例，将相关参数代入公式计算可以发现：在常规热处理中，辐射传热占主导地位，特别是在高温（＞900℃）条件下，几乎全依赖辐射传热；随着热处理温度下降，在600～900℃范围内，对流传热比例逐渐上升，最终占主导地位；温度进一步下降，传导传热的贡献逐步占上峰。特殊钢盘条和钢丝（奥氏体不锈钢除外）退火基本在600～900℃范围内，因此强化对流传热效果是提高退火炉热效率的有效途径。

2 强对流气体保护退火炉传热计算的经验公式

1

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

特殊钢退火过程中，传热发生在炉气与钢材表面之间，实际上已包含了对流和传导双重作用，所以强对流传热基本上由辐射给热和对流给热两部分组成，综合给热系数的经验公式为：

总＝ f＋ d （kcal/m2²h²℃） 公式4

Tjb4T

(l)4－()

100 （kcal/m2²h²℃） 公式5 ²辐射给热系数 f＝ 100

Tl－Tjb

式中Tl、Tjb表示炉温及钢的表面温度（°K），加热温度900～1300℃时， ＝3.0～3.5；加热温度≤900℃时， ＝2.5～3.0。

²对流给热系数按表1计算。

表1 退火炉对流给热系数计算公式

3 强对流气体保护退火炉的结构

近来年开发的强对流气体保护退火炉主要有两种类型：强对流气体保护罩式退火炉和强对流气体保护井炉退火炉，其结构如图1和图2。 3.1强对流气体保护罩式退火炉

强对流气体保护罩式退火炉由加热罩（外罩）、炉台总成、内罩、导流桶和冷却罩几部分组成。

加热罩用碳素钢板焊接成形，底部配有用陶瓷纤维制成的密封圈，用来与内罩下法兰端面压紧密封。加热罩分燃气加热和电加热两种类型，燃气加热炉选用天然气或煤气作燃料，炉子造价虽高，但运行成本低，在燃气充足条件下比较实用。电加热炉不受气源限制，无需考虑废气排放问题，造价也略低于燃气炉。电加热罩上部配有风机和可以控制流量和压力的空气管道，供加热时散压，冷却时通风用。加热罩是多炉台共用，加热时罩上，加热完吊走。

炉台总成由炉台、强对流风机、耐热钢分 流器及耐热钢托料盘、液压卡紧油缸组成。炉台底部用型钢和钢结构件焊成形，上面固定耐热钢

支撑件，用硅酸铝耐火纤维制品隔热保温。高热 图1 强对流气体保护罩式退火炉结构 面用板和分流器均选用310S耐热钢板焊接成形。最上面是耐热钢铸造或焊接成形的托料盘。炉台外围设有带水冷套的法兰盘，法兰盘的梯形槽内装配耐热硅橡胶密封环，用来与内罩密封配合。

强对流循环风机是炉台核心部件，要在密封的保护气氛中高速运转，要承受和加热温度相同的高温，转速高达1400转/min，风量达4³104m3/h，对密封、冷却、耐热强度、动

2

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

平衡精度要求极为苛刻。由于加热和冷却过程中气体比重变化较大，风机一般选配多速电机或变频电机。

内罩用耐热钢板（310S或253 MA）焊接成形，为增加内罩热交换面积，提高强度，罩体压制成波纹形。内罩底部焊有钢质法兰盘及冷却水套，可与炉台实现密封配合。导流桶是用耐热钢（304）焊接成形的圆桶，悬挂在罩体内部，起非常重要的导流作用。

冷却罩用不锈钢板焊接成形，顶部两侧各装一台轴流风机，顶部配有喷水系统。热处理进入冷却阶段时，移开加热罩，扣上冷却罩，可以对炉料实施不同速度的快速冷却。

热处理过程中，强对流循环风机鼓起的强大的气流在导流桶的引导下，沿内罩壁上行，气流快速升温，到炉顶后折回，从钢丝料架中间穿过，将热量传递给炉料，再返回风机进风口（见图1中的箭头指向）。由风机、内罩和导流桶配合工作，钢丝在强热流中完成热处理，炉温的均匀性是一般退火炉无法比拟的。

强对流气体保护罩式退火炉的装炉量一般为24-40t，适用于热轧盘条和钢丝专业生产线（品种单一，批量较大）的成品和半成品热处理。缺点是炉体基本安装在地平线以上，再加上吊罩预留高度，厂房吊车标高要大于14m，起重能力一般大于20t，厂房和设备投资较大。这种炉子奥地利艾伯纳（EBNER）、德国洛伊（LOI）公司（分厂在天津）和北京北方东升工业炉公司均可生产。 3.2强对流气体保护井式退火炉

电加热式强对流气体保护井式退火炉结构如图2，强对流气体保护井式退火炉由炉体(图2中序号4、5)、炉胆(2)、强对流风机(8)、导流桶(3)和炉盖(1)几部分组成。

3

图2 强对流气体保护井式退火炉结构

炉体外壳(4)采用6 mmQ235钢板焊按成形，上面板和底板用25 mmQ235钢板加固。炉膛采用250mm厚的全纤维压制成型的高铝针刺毡(5)构筑，固定件焊接在炉壳内壁上，用横销将高铝针刺毡固定内壁上。加热元件采用Cr20Ni80优质电阻带，制成波形线，用耐高温螺旋式陶瓷钉锁挂在高铝

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

针刺毡上。电阻带总功率300kW，分上、中、下三区自动控温。炉体下部两侧装有2台1.5kW冷却风机(6)，热处理进入缓冷或快冷阶段，程序温控仪按给定工艺，自动控制降温速度，冷风由下向上吹扫炉膛，热气在炉体上部4个风口汇总(10)，集中排放。热处理后可将冷却风机打到手动挡，快速降温。

炉胆是一个密闭的圆柱形容器，盘圆或钢丝装在炉胆中热处理。炉胆用8mm厚1Cr23Ni13或1Cr18Ni9Ti不锈钢板焊接成形，圆柱面压成波纹形，以增强炉胆耐压性能。炉胆底部封头用10mm 310S耐热不锈钢板旋压成形，封头中用同材质的钢板焊出14条放射形导流通道，如图3，导流通道对胆底同时起加固作用。导流通道上方装配一个杯状导流筒，导流筒底板为12mm304不锈钢板，底板上焊出放射形导流通道，如图4，在上面覆盖一张12mm多孔的不锈钢板(9)，作用是将气流汇总到中间的气道中。导流筒上部焊接一圈网格式法兰盘，用来固定导流筒与炉胆内壁的相对位置，使两者保持同心。

双速强对流风机安装在炉胆底部，其叶轮装配在封头导流通道中间，叶轮中间吸风孔正对着导流筒的中间气道，叶轮和电机轴均采用耐热不锈钢制作，电机(7)配有冷却水套。

炉胆内侧还装配了保护气体输入管道和热电偶导入孔。炉胆上部法兰盘采用40mmQ235钢板焊接成形，法兰盘上面镶有一条耐高温橡胶密封圈，密封圈下设有水冷套，法兰盘四周配置了18个压紧螺栓，用来与炉盖密封连接。

图3 炉胆俯视图 图4 导流桶俯视图

拱形炉盖(1)外面用12mmQ235钢板压制成形，里面封头用的是6mm1Cr18Ni9Ti不锈钢板，中间填充硅酸铝保温材料。炉盖上方设有抽真空管道、抽气接头、压力表、安全阀（起跳压0.05MPa）、限压（0.0025MPa）单向排气阀、冷却水活接头和防爆排气孔。还设有4个起吊攀，配备了一套专用吊具。

在热处理全过程，炉中通入保护气体。当强对流风机打开时，保护气体始终处于快速流动中，气体的流动方向是沿炉胆与导流筒的间隙（100mm）从下向上流动，同时被加热成热气流，升到炉盖时受阻，从四壁向中心汇聚；由于导流筒内整个装料区都与强对流风机的吸风口相通，升顶的热气流从上向下回流，将热量均匀地传递给钢丝，所以保护气体的强对流是实现钢丝均匀加热的关键。可以想象，保护气体纯度不够，即使含有微量氧气和水也会造成钢丝灾难性氧化和脱碳。

电热式强对流气体保护井式退火炉主要特点是：①采用电加热，温度控制精度高，热处理过程实现自动化；②炉底安装强对流风机，在热处理全过程中实现稳定的环流传热，炉温均匀性好，设计温控精度±5℃，实际达到±3

℃；③采用氨分解气体或高纯氮气等作为保护气体，实现无氧化、

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

无脱碳热处理，金属损耗少；④装载量适中，中型炉装料一般在8～16t左右，与特殊钢丝品种多、批量小（≤10t/批）的特征相适应，生产组织方便；⑤井式结构，可以深埋地下，能适应老厂房吊车标高不很高的基础条件；⑥设备结构简单，要达到同样的生产能力，设备投资仅为强对流气体保护罩式退火炉的50%左右；⑦操作方便，装、出料时只要吊走炉盖，就可以操作，无需配备大吨位吊车，安全可靠。

强对流气体保护井式退火炉型号较多，小型炉装炉量2t，大型炉装炉量可达20t，各类金属制品加工厂可根据品种结构和厂情选购。目前苏州东升和东盛，嘉兴三翁(台资企业)等电炉厂生产的强对流气体保护井式退火炉质量已过关、工艺成熟、使用性能也较好。 4强对流气体保护退火炉的特性

使用风机在退火炉中建立强制对流的气氛，提高炉子对流传热能力，提高热效率，是强对流气体保护退火炉的基本特性，可以说“强对流”是该炉型的灵魂。要发挥强对流的作用，还必须解决以下几个方面的问题： 4.1 保护气氛

在常规热处理中气体流动速度加快，势必造成炉料的氧化和脱碳加剧。要发挥强对流的作用，首先需要严格控制炉气中的氧含量，将装料空间密封起来，再通入保护气体，是实现强对流退火的前提条件。无论是罩式退火炉，还是井式退火炉，装料空间的气密性，保护气体的种类和纯度，钢丝和盘条表面的洁净度，与退火后钢丝和盘条表面的氧化和脱碳有直接对应关系。 4.2 气体流动状况

保护气体的流动必须是有序和稳定的，气体的流动方向就是热传导方向，从图1和图2可以看出，强对流风机均安装在炉底，鼓起的风在导流桶的引导下，首先沿热源——内罩或炉胆上行，抵达炉顶后折回，从中间装料区返回风机吸风口，形成有规律的环流传热。由于通风道截面是等宽的环状，四周气体的流量和流速也是等同的，在加热区各部位炉料接受的热量当然是等同的，这就是用强对流气体保护退火炉退火后，钢丝或盘条性能均匀性优于其它炉型的原因。对强对流气体保护退火炉而言，提高传热速度靠增大气体流量，改善炉温均匀性靠改善气体流动状况。不难看出，导流桶的破损和缺失，对退火的均匀性和热效率将产生致命的影响。 4.3 强对流风机特性

目前工业生产中使用的强对流气体保护退火炉，都是借助于离心式风机和导流桶配合建立强对流气氛的，在热处理过程中，保护气体的密度、热容和导热性能的变化必然带来气流状况的很大变化，下面以电加热强对流气体保护井式退火炉（如图2）为例，分析温度对气流特性的影响规律。 （1）风机性能参数的換算

强对流风机的性能参数是在风机进风处空气绝对压力为760mm汞柱、空气温度为20℃的条件下标定的，在使用中随着气压和气温的变化，风机的性能参数会发生很大变化，变化后的性能参数可按下式进行換算：

²气压不变，气温变化后的风机风量：V1＝

1

TS

VS （m3/h） 公式7 T1

TS

NS （kW） 公式8 T1

²气压不变，气温变化后的风机功率：N1＝²转速变化时风机风量：V1＝

n1

VS （m3/h） 公式9 ns

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

n1 ²转速变化时风机风压：P＝1 ps （mmHg） 公式10 n s

n1 ²转速变化时风机功率：N1＝ （kW） 公式11 n Ns s 式中：Vs、Ps、Ns—风机标定风量、风压和功率；

V1、P1、N1—升温后的风量、风压和功率；

ns—调整前的转速，r/min；

n1—调整后的转速，r/min； Ts—风机标定温度，293K； T1—实际炉温，K。

从公式7和8可以看出：在转数和压力不变条件下，风机的风量随温度的上升而平稳下降，电机的运行功率随风量同步下降。为保证高温下有足够的风量，电机功率又不至于过大，强对流气体保护退火一般都配置多极风机，而且高速风机在温度升到规定度数时才允许启动。哈尔滨金龙电器技术有限公司生产的双速风机性能如表2。

表2 国产双速风机性能参数

4

2

3

（2）退火炉在热处理全过程始终通保护气，维持微正压状态，可以认为在热处理全过程中炉中气压是不变的，图2中强对流风机和退火炉相关参数如表3。

表3 强对流循环基本参数

（3）退火炉选配双速离心式强对流风机，退火开始时首先启动风机低速挡，炉温升到300～400℃时再切换到高速挡，所以计算加热过程中对流及给热状况时，低速挡计算到400℃，高速挡从300℃起算。给热系数按公式4、5、6计算，计算辐射给热系数时设定钢温Tjb＝0.7T（炉温），650℃、700℃、l750℃、800℃、850℃、900℃时的 分别取2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0，计算结果如表4。

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

表4 加热过程中对流及给热状况

计算结果显示：在转数和压力不变条件下，风机的风量随温度的上升而平稳下降，炉温达300℃时风量只有标定风量的一半（51%），炉温达900℃时风量只有标定风量的1/4。表中換气次数是保护气氛控制常用的一项指标，指额定温度下，实际风量与加热区容积之比。在900℃退火时要保证加热区换气次数不小于7，则风机标定的最大风量应不小于加热区容积的28倍。

从表4中还可以看出：强对流气体保护退火炉在高温条件下辐射给热系数(αf)大于对流给热系数(αd)，随退火温度降低，对流传热的贡献逐渐加大，到585℃左右，对流给热系数开始超过辐射给热系数。 4.4 装料区的尺寸

退火炉装料区的尺寸是炉子设计的最重要参数，德国洛伊（LOI）公司提供的测算方法简单明瞭，值得借鉴，见图5

3卷

4卷

5卷

7卷

8卷

9卷

10卷

12卷

13卷

图5 钢丝盘径与退火炉装料区尺寸的关系

2

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

图5中d表示装料架底部直径，D表示退火炉装料区直径，实际多采用双层料架或3层料架，据此可以确定加热区高度。 4.5 电加热功率

电井炉的加热功率需根据预定退火温度、装炉量、热处理周期、保护气体种类来确定，通常用热平衡计算方法确定配置功率。在使用过程中不同退火温度，不同装炉量热处理升温时间差别较大，也需要通过热平衡计算为退火工艺的制订提供依据。热平衡计算方法如下：

(1) 计算加热钢丝或台架等热量消耗的基本公式为： Q＝m(C1t1－C0t0) 公式12

式中m—钢丝或台架等重量，kg

C1—加热到预定温度时的平均比热，kcal / kg．℃ C0—装炉时的平均比热，kcal /kg．℃ t1—预定加热温度，℃ t0—钢丝或台架等原始温度，℃ Q—热量消耗，kcal

(2 ) 炉体表面散热计算公式

Q＝qF 公式13 式中q—散热系数，kcal/ m2．h F—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5中可以查出相应数值。

表5 炉体外表面温度与散热系数(q)的关系

(3) 热量消秏换算成单位时间的电耗—功率

N＝

Q 公式14 860 0

式中：τ0—钢丝加热到预定温度的时间，h

(4) 总电耗

N总=K(N1+N2+N3+ +Nn) 公式15 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。强对流气体保护退火炉加热区空间有限，电加热配置功率过大，热量传不出去，往往造成电热元件频繁损坏，同时降低炉胆使用寿命。所以不能以最高使用温度和最大装料量作为热平衡计算基准，加热速度也不宜太快（≤80℃/h)。推荐以最常用的退火温度、平均装炉量、24小时热处理周期为基准进行热平衡计算。热平衡计算实例参见《强对流气体保护退火炉热平衡计算》（《金属制品》2006年第5期39～41页）。 4.6 炉胆壁厚

强对流气体保护退火炉是在密闭空间完成退火的，为彻底驱除炉胆或内罩里的残余空气，有的要进行抽真空处理；即使不抽真空，通保护气体时也要产生一定的微正压，为防止炉胆或内罩工作中变形，要对炉胆或内罩进行“失稳”计算，以确定选用材质和厚度。

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

圆柱体“失稳”临界压力计算公式如下1：

Et3

Q=(K－1) 公式16 23

12(1－ )R

2

式中：Q—临界压力，MPa。

K—圆柱一周中包含的余弦波(凹凸波)的波数。 E—杨氏弹性模量，MPa。 t—内胆壁厚，mm。 μ—泊松比。

R—内胆圆柱体半径，mm。

电井炉设计过程中常常是先确定炉胆或内罩的工作压力，然后计算出炉胆或内罩的壁厚。设内胆工作压力为P,，要保证内胆热处理过程不变形，必须保证P＜Q。从公式16可以导出：

Et3

P＜(K－1) 23

12(1－ )R

2

12(1 2)R3P

t＞ 公式17

(K2 1)E

式中：P—内胆允许工作压力，MPa。

炉胆或内罩的壁厚计算实例参见《气体保护退火炉内胆壁厚计算》（《金属制品》2006年第4期35（46）页）。 4.7 保护气的选择

按气体对钢材氧化和脱碳的影响，可将炉气中的气体分为5类：氧化性气体和还原性气体，脱碳性气体和渗碳性气体，以及中性气体。O2、CO2、H2O属于氧化性气体，H2、CO属于还原性气体，O2、CO2、水蒸气和湿H2属于脱碳性气体，CO、CH4属于渗碳性气体，N2和惰性气体属于中性气体。强对流气体保护退火炉要求在无氧化、无脱碳气氛中工作，选用的保护气体必然是中性气体或还原性气体，常用的保护气体有氮气、氨分解气、高纯氢气和甲醇裂解气，常用的保护气体的制备方法和成分如表6。

表6 常用的保护气体的制备方法和成分

5

氮气无毒、无味、安全可靠，是强对流气体保护退火炉的首选保护气体。对钢铁厂而言，炼钢需用大量的氧气，氮气是制氧的副产品，只要稍加净化就可利用，资源极为丰富。自然选用空分氮，其它厂可根据资源状况选用瓶装工业氮或碳分子筛制备的氮。碳分子筛制氮一次投资虽然高点，但其长期使用成本仅为瓶装氮的23%，可以推广使用。

6

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

一般说来，中低碳钢退火选用表6中的纯氮就可以达到无氧化、无脱碳的效果，但要达到光亮表面则需要在氮气中添加3%～5%的氢气。高碳钢、弹簧钢和合金工具钢为防止脱碳多在氮气中添加1%～6%的甲醇裂解气，1 kg的甲醇可产生1.66m3的裂解气，此时因炉气中含有CO和CH4，退火后的钢丝或盘条表面会覆盖一层碳黑。马氏体和铁素体不锈钢丝，以及要求以光亮状态交货的各类制针钢丝，通常选用氨分解气体或高纯氢气作保护气体。

凡是用保护气氛的热处理除了要严格控制气体纯净度以外，还要注意工作区空间密封，残余氧气驱赶，以及炉料的洁净度等环节，否则很难达到预期效果。以氮基气氛热处理为例，典型热处理工艺由四个阶段组成：

（1）残余氧气排除期：这阶段的主要目标是用大气量的氮气排除工作区空间的残留氧气，装料密封后，一般通入相当于工作区空间容积5倍的氮气，可以使炉胆或内罩内的氧含量达到0.1%左右，就可以送电升温了。

（2）加热期：炉温上升时，钢丝表面残留润滑剂开始蒸发，当炉温达到400℃左右时，润滑剂的蒸发最为剧烈，对钢丝的表面质量的影响最重，需要用一定流量（3～5m3/h）的氮气驱赶烟气。当烟气明显减少时，可将氮气流量控制到下限。

（3）保温期：钢丝进入保温阶段后，氮气流量可以控制在加热末期的下限水平。

（4）冷却期：气体流量只要能保证炉内处于微正压（120mmH2O水柱）即可，具体流量取决于炉子的气密性。

选用氨分解气体或高纯氢气作保护气体时，一般需要对钢丝进行预处理，彻底去除表面残留润滑剂及湿气；加热前，通常采用先抽真空的方法排除炉内残留空气，然后通入一定量的氮气洗炉，最后才接通氨分解气体或高纯氢气。冷却后期同样需要先通氮气赶净炉内氢气后才能出炉。此外，根据德国洛伊（LOI）公司提供的资料，使用氢气作为保护气体可以明显缩短热处理周期（见图7），原因是氢气的导热率远高于氮气（见图6），大大缩短均热时间。实践也证明了紧密盘卷的钢带和细钢丝，只有在高纯氢气中退火，才能达到里外卷同样光亮的效果，这可能与氢气具有更好的渗透性有关。

图6 氢气和氮气导热率 图7 保护气体对热处理时间的影响

5 强对流气体保护退火炉使用注意事项

强对流气体保护退火炉要实现高效、节能和优质的目标，掌握一些操作技巧，合理操作也是一个不可忽视的环节。 （1） 装料架的选择

选择装料架第一个原则是在强度够用的前提下，重量尽可能轻，以减少热量损失。推荐采用不锈钢（如304）料架，虽然一次投入成本高，但因料架重量轻，使用寿命长，经多年使用验证，成本消耗基本与Q235料架相当。不锈钢料架还有一个优点是：装在底部的钢丝退火后表面无局部氧化压疤。

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

第二个原则是尽可能选用多层料架套装。不管选用什么料架，钢丝在退火过程中全要落到底部，造成过度密集，不易透烧。分层套装可以充分利用炉膛上部热量，缩短钢丝保温时间，提高退火均匀性。对于装炉量2～3t的小型退火炉也可以不用炉架，将钢丝直接装入导流桶中。不管是否用料架都应将钢丝头部卷好，防止钢丝头插入底部风机叶轮中，损坏强对流风机。装料架实例如图8。 （2）工艺曲线的设置

热处理工艺曲线的设置对钢丝热处理后的性能均匀性有决定性影响。强对流气体保护退火炉工艺曲线的设置原则是：合理控制加热速度，采用较短的保温时间（2～4h）完成热处理。生产中常见的工艺曲线的设置方法是：满功率（快速）升温到规定退火温度，采用长时间保温来实现均热，选用这种不合理的加热方法的预期目标是提高生产效率和节约能源，实际上新式热处理炉的保温性能都比较好，无论选用哪种加热方式，钢丝热处理总能耗变化不大，提高生产效率和节约能源的效果不显著，反而使钢丝性能均匀性显著降低。因为强对流气体保护退火炉的控温热电偶均安装在炉胆或内罩的上、中、下部，快速升温时这些部位首先达到规定退火温度，靠近炉胆或内罩的钢丝也首先达到规定退火温度，远离炉胆或内罩的钢丝要达到规定退火温度还要等数小时，甚至十多个小时，显然，处在两个部位的钢丝组织和性能会有很大差距，尤其是低温退火（650～680℃）的钢丝性能差距更大。

合理的加热速度可通过热平衡计算，确定某一装炉量，升温到规定温度所需的大致时间，然后经过生产验证，确定最终升温时间。表7给出了电加热强对流气体保护井式退火炉加热时间设置的实例。表7中在500℃设置一个台阶的目的是强化低温均热效果，加快加热速度。

表7 电加热强对流气体保护井式退火炉加热时间的设置（单位：min）

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

图8 不锈钢装料架

（3）双速风机的转换

风机的风压、风量和功率随温度变化的特性，决定了强对流气体保护退火炉必须选用双速风机或多速风机，也带来一个风机速度转換的问题。从加快加热速度角度考虑，尽早启动高速风机是有利的，但在低温下启动高速风机启动电流太大，频繁启动不仅造成电能浪费，还会降低风机电机的使用寿命，实践证明：当炉温升到300℃时，双速风机低速挡风量已降到标定风量的一半，升温速度已明显减慢，此时启动风机高速挡，运行电流也只有标定电流的一半，启动电流不至于影响电机使用寿命，建议将双速风机的速度转換温度选定在300℃。

尽管风机叶轮是用耐热不锈钢（310S）制造，但高温(750℃以上)高速运行时使用寿命一般在2年左右，为延长叶轮使用寿命，同时也为了节省能源，当退火进行保温阶段后1h时，已经不需要传输很大的热量了，可将风机转入低速挡运行。 （4）保护气体用量

保护气体用量与炉胆或内罩的密封性能，以及炉料的洁净度密切相关。选用耐高温密封胶垫和水冷密封圈，加强密封操作，实际上可以减少保护气体用量。装炉后，为排除炉内残余氧气，一般需要用5倍体积的保护气体来置換和清洗，如果配上一台真空泵，用10～15min可将炉压抽到－0.04MPa，然后通保护气体，至少可节省3倍体积的保护气。同理，如果炉料干净，可以减小加热时的保护气体用量，热轧盘条加热期的用气量一般要少于钢丝。因退火炉状况差别大，很难给出退火炉用气量标准，原则地说，容积2.2m3左右的退火炉，平均用气量为3～5 m3/h，最大用气量为10 m3/h。具体用气量要通过试验确定，以退火钢丝表面无氧化（少氧化）、无脱碳、或光亮为准。 （5）退火保温时间

退火保温时间可通过热平衡计算给出范围，再通过生产验证确定。要强调的是钢丝密实度对保温时间有很大影响，小规格钢丝的密实度大于大规格钢丝，冷拉钢丝的密实度大于热轧盘条，现场可以验证，密实度大的钢丝出炉冷却时冷却速度明显慢，可以推论，加热时密实度大的钢丝均温时间明显加长。制定退火工艺时，建议根据冷拉钢丝的直径调整保温时间，以直径＞5.0mm钢丝为基准，直径＞3.0～5.0mm的钢丝保温时间延长0.5h，直径＞2.0～3.0mm的钢丝保温时间延长1h，直径≤2.0mm的钢丝保温时间延长1.5h。 （6）躲峰电用谷电

现在我国不少地区用电分峰、谷、平3个时段计价，峰电的价格往往是谷电的1倍多，躲峰电用谷电是充分利用资源、降低生产成本的有效途径。生产中使用调整装炉量和合理安排不同品种的退火顺序等方法，将热处理周期控制在24h左右，使加热时间尽可能多地落在谷电时段，退火的成本会有明显下降。

总之，开动脑筋、及时调整生产工艺和计划，也是实现强对流气体保护退火炉节能、高效、优质、环保的重要环节。

2007年2月11日 参考文献

1 第一机械工业部第一设计院主编，《工业炉设计手册》，机械工业出版社出版，1984年3月第二次印刷。

2 德国洛伊（LOI）公司产品说明书。

3 苏州东升电炉厂《RJQ型强对流气体保护电阻炉使用说明书》。

4 哈尔滨金龙电器技术有限公司、哈尔滨飞龙特种电机厂产品说明书，《YL系列热处理炉用电动机》。

5樊东黎、徐跃明、佟晓辉主编，《热处理技术数据手册》，机械工业出版社出版，2006年4月第2

本文系统地介绍了强对流气体保护退火炉的类型、结构、特性、优势和使用注意事项,同时给出了与炉体设计和退火炉使用相关的计算公式和经验公式,为该类型退火炉的设计、制造和使用提供了理论依据和技术支持。

版第1次印刷。

6 北京科技大学马肇曾主编，《热处理化学》，冶金工业出版社出版，1989年11月第一版，第一次印刷。

7 东北工学院刘永铨主编，《钢的热处理》，冶金工业出版社出版，1987年11月第二版，第三次印刷。

获08年金属制品行业技术交流会一等奖论文。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2sr1.html