1、第三篇 罩式炉第一章 概述罩式炉最初用于铜合金的退火，以后才被用于冷轧钢板的退火。当时退火用的保护介质是氮氢混合气体，但传统罩式炉有退火时间长、生产效率低、产品质量差等缺点。在结构上，内罩为光壁式，冷却为自然冷却，后来开发小功率风机作为冷却的主要设备，但是功率太小，退火时间很难缩短。2O世纪7O年代初奥地利EBNER公司开发了高对流全氢罩式退火炉(HICONH2)，20世纪8O年代后被大量用于冷轧板卷的光亮退火。德国LOI公司也开发了以强对流和全氢气为特色的HPH(High Performance Hydrogen)罩式炉。这两种罩式炉对传统罩式炉结构进行了很大的改进和完善，主要表现在以下几个
2、方面：(1)加热罩烧嘴由径向布置改为切向布置；(2)内罩结构由的光壁式改为波纹型；(3)冷却方式由自然冷却改为强对流换热的冷却风机和喷淋冷却。现代罩式炉不但广泛应用于冷轧带钢、不锈钢的退火，还广泛应用于棒材、线材和大型高精度、高表面质量要求的机械设备的退火。对钢卷在罩式炉中的退火过程进行研究，分析温度场规律和影响加热时间的因素，建立温度场模型，为缩短加热时间，提高钢卷质量，防范粘结的发生提供理论依据，并为改进控制模型和制定温度制度提供基础是现在罩式炉研究发展的主要方向。第二章 热处理原理第一节 热处理定义及分类热处理是通过加热、保温和冷却的方法，来改变钢的内部组织结构，从而改善钢性能的一种工艺
3、。温度和时间是影响热处理过程的主要因素，制订热处理主要工艺参数重点参考铁-碳相图。在实际生产中必须考虑相变进行的速度、转变产物的组织以及转变机理等，所以时间和速度也是热处理的重要工艺参数。根据目的不同，钢加热和冷却方法的不同，以及组织和性能的变化的不同，钢的热处理工艺通常分为回火、退火、正火、淬火和化学热处理。除去这些常规热处理方式外，经常还用到的有：热机械处理和表面淬火。钢经热处理后，既可以改善工艺性能，也可以提高使用性能，从而可以充分发挥钢材的性能潜力。因此，无论在冶金生产和机械制造工艺中热处理都占有重要的地位。热处理不同于其它工艺，它只改变产品的性能，而仍保留产品的形状和尺寸。这一特点，
4、可使工件的成型和赋于所要求的性能两道工序分开，在实际生产中这是十分有利的。在生产工艺流程中，经过切削加工等成型工艺而达到工件的形状和尺寸后，再进行赋于工件所需要的使用的热处理，称为最终热处理；如果为随后的冷拔、冲压和切削加工或进一步热处理作好组织准备的热处理，称为预备处理。第二节 退火的定义及分类把钢加热至临界点 AC1以上的一定范围的温度，保温一定时间后，使其缓慢冷却以获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为退火。退火是冶金最常用的热处理工艺，多数属于预备热处理，其目的是改善和消除前道工序所带来的组织和性能上的缺陷，并为下道工序作好组织和性能上的准备。根据退火的加热温度和目的不同，退火方法
5、可分消除铸件、锻轧件的内应力及降低硬度的软化退火，消除冷加工硬化的再结晶退火，均匀成份和组织、以及重结晶细化晶粒的完全退火、不完全退火、扩散退火。回火的目的是加速淬火组织的转变、消除内应力并得到较稳定的组织。回火过程中，随着温度的升高发生四个转变：马氏体分解、残余奥氏体分解、碳化物转变为渗碳体、渗本的聚集长大和 固溶体的再结晶。 除了软化退火和再结晶退火，其余退火处理都要求将温度加热到奥氏体单相区，由于在该区域钢的成份完全均匀化，第二相质点和渗碳体都熔入基体中，从组织控制方面对加热速度没有要求。所以对这几类的退火过程中，加热速度取决钢件的形状和尺寸，以及对温度和压力分布的要求。第三节 再结晶退
6、火过程中组织和结构的转变金属经冷加工变形后，原先的等轴晶组织，随着塑性变形量的增大，其晶粒沿变形方向逐渐伸长，伸长也越显著；当变形度很大时，组织呈纤维状。随着组织的变化，金属的性能也发生改变，强度硬度增高，塑性逐渐下降，即产生了“加工硬化” 。经冷变形后的金属加热到再结晶温度时，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒而性能也发生明显变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称之为再结晶。再结晶晶核的形成与长大都需要原子的扩散，因此必须将冷变形金属加热到一定温度之上，足以激活原子，使其能进行迁移时，再结晶过程才能进行。通常把再结晶温度定义为：经过严重冷变形（变形度在 40%）以上的金属，在约一小时
7、的保温时间内能够完成再结晶（95%转变量）的温度。再结晶温度与金属变形度、杂质含量、保温时间、材料的原始晶粒度等有关。由于再结晶加热温度较低，没达到发生相变温度的要求，所以再结晶退火时温度达到最高点时，钢中组织不发生变化，只存在结构重组。第四节 罩式炉退火的目的及控制因素冷轧带钢的罩式炉退火是为了消除冷轧过程中产生的加工硬化现象，改善带钢的力学性能，为后工序或用户提供良好的加工性能。控制再结晶过程的主要工艺参数有：加热温度、加热速度、保温时间和冷却速度。在再结晶退火过程中，会发生第二相质点析出和渗碳体转变，这些变化会影响再结晶完成后带钢的结构，从而影响带钢的力学性能，所以对冲压变形要求较高的带
8、钢要合理控制加热速度。由于带钢以卷的状态安放于炉内，必然会导致温度分布不均，退火过程中必须保证温度最低点也能完全完成再结晶过程，要保证加热温度和保温时间。在高温冷却时，钢卷内应力很大，带钢在高温、高压作用下，极易产生层间粘结，必须控制冷却速度。第三章 罩式炉机组工艺及设备第一节 生产工艺1、罩式退火工艺过程2、工艺过程说明：2.1 放卷/安装内罩钢卷堆垛完成后，安装内罩，内罩安装完毕，由一个位于距内罩密封 100mm处的接近开关（004）来检测。内罩密封前，为了防止管路压力波动造成检测仪表损坏，氮气放散阀（702）要打开。2.2 H2 阀密封测试接着进行 N2吹扫前的氢气阀门密封性测试：通过下
9、两个氢气入口阀（504，505）和泄漏实验装置（508）来完成该 H2阀密封测试，在测试期间气体压力由 508 上的马达驱动泵将其升到高于氢气入口阀（504）3040mbar（34KPa） ，当马达停止时，如果压力保持 30 秒钟， “氢气阀密封OK”信号产生，这样在阀不密封时可以防止内罩内有氢气存在。如果（504，505）发现阀泄漏时，测定阀泄漏的事故报警装置将报警，同时必须立即手动关闭氢气入口手动阀，并对相关阀门进行检查。如果炉台就地操作箱上的绿色“H 2阀密封”灯闪烁，表示测试不成功，如果该灯常亮表示测试成功。2.3 内罩夹紧当氢气密封阀测试成功后，由操作人员将冷却水管连接好，流量开关（
10、106）检测冷却水流量是否正常。如果冷却水管在内罩装上 30 分钟后还没有联好，控制系统将产生一个“内罩未夹紧”信号，同时炉台上的两个指示灯（夹紧和未夹紧）闪烁。只有当冷却水流量开关检测到信号时，操作人员才能操作内罩夹紧。为了防止操作员人员被夹伤和便于现场观察内罩是否夹紧成功，操作人员手动按下”内罩夹紧”带灯按钮。通常内罩的夹紧和松开只会出现在第 3 或第 12 阶段。如果氢气密封阀测试（第 2 阶段）或内罩/炉台的密封性测试（第 4 阶段）成功，夹紧动作也允许在这两个阶段之外可以执行，例如移开内罩和重新安装内罩。内罩夹紧通过液压缸（204）来完成，压力开关（206）检测夹紧状态，当达到夹紧压
11、力，高压阀关闭，液压泵 20 秒钟后停止。“未夹紧”状态由压力开关（205）检测，在炉台上有灯显示。如果压力检测降低到设定值以下（206） ，液压泵会再次启动，并在压力再次达到设定值（206）后，运行 20 秒钟。当在规定的时间内达不到设定值， “夹紧故障”信号产生。一旦内罩夹紧成功，控制系统自动执行第 4 阶段。2.4 内罩/炉台密封性测试为了进行内罩及与之连接的炉台设备的密封性测试，前提条件：氮气放散阀（702）打开，氮气入口阀（408）和氢气入口阀（504，505）要关闭。首先要使内罩无压力，通过压力变送器（601）以及压力开关（602）来检测。炉台必须装好钢卷，内罩必须夹紧。极限开关指
12、示正常。然后按如下顺序执行：1)所有信号准确后，立即关闭氮气放散阀（702） 。2)氮气放散阀（702）关闭后（极限开关指示） ，氮气进口阀（408）立即打开。3)当内罩压力达到 25mbar（2.5Kpa）时，氮气旁通阀（409）打开，氮气入口阀（408）关闭。如果在氮气注入期间（通过 408 阀） ，30 秒钟内压力达不到预定值，泄漏信号产生。4)当内罩压力达到 40mbar（4Kpa）时，旁通阀（409）关闭。如果加压到40mbar 的时间超过 3 分钟，密封测试失败，并产生信号。5)另外，当压力平衡建立 3 分钟后，任何时候压力不能低于 20mbar，如果发生，则泄漏信号产生。6)如果
13、压力没有低于 20mbar，实际压力在压力平衡建立后达到预定值，并存储。允许 4mbar 的偏差，超过 4mbar 的偏差将产生泄漏信号。7)3.5 分钟后压力再次检测（通过压力变送器 601） 。8)如果压力升到高于 f 项存储值 2mbar，一个新的压力平衡建立点又将产生。9)如果压力再继续升高 2mbar“密封泄漏失败”信号产生。10)如果没有压力继续升高，在 3.5 分钟内压力值也正常，冷密封测试完成。测试结束后，密封或泄漏信号要指示：密封 ok：炉台上的灯常亮泄漏：炉台上的灯闪烁2.5 N2 预吹扫如果氢气阀和内罩/炉台都已经密封测试完毕，内罩里的空气将被氮气置换。氮气入口阀（408
14、）和氮气放散阀（702）打开。PLC 检测到下列下述三个条件都满足时：1)内罩中氧含量必须低于 1。由二氧化锆检测装置（603，604）来完成，1的氧含量对应 50mv 输出。2)已达到最小的吹扫时间 18 分钟。3)最小的 N2 总量已进入到内罩。在最短时间内吹入所需氮气的量取决于内罩空间，但是这个空间计算需要放大 3 倍以上。出于安全原因考虑，参考的最低流量是 40 m3/h。在此期间，氮气瞬时流量由流量变送器（404）来检测，并由 PLC 完成流量累计，累计流量应达到 40 m3/h。另外还有 1 个信号需要监控,氮气出口压力差动开关（703） 。在氮气吹扫和退火、冷却整个过程中，内罩压
15、力（601）必须保持在10mbar（1Kpa） ，如果压力低于 10mbar， “内罩压力太低”信号就会产生，必须继续吹扫。如果所有条件（特别是氧含量低于 1）在开始吹扫 60 分钟内不能达到要求，吹扫停止，产生报警，退火炉台停止工作束。一旦 5 m3的氮气被吹入，炉台循环风机开始以低速启动。1)氮气流量： 140 m3/h2)氮气吹扫量： 40 m 3/h3)吹扫时间： 18 分钟氮气入口阀（408）保持打开状态，直到用氢气置换氮气时，氢气入口阀（504，505）打开后，氮气入口阀才关闭。如果吹扫结束后，加热罩还没有装上，炉台循环风机停止。一旦加热罩安装上去后，炉台循环风机以低速启动。一旦
16、5 m3的氮气被吹入，加热罩就可以安装，在 PLC 及监控画面上显示“安装加热罩” 。2.6 加热罩安装/点火加热罩可以在吹扫期间或吹扫后安装，加热罩安装完毕后，接近开关（006）检测器安装到位信号，电气插座必须连接完毕。PLC 将用助燃空气以最大流量吹扫加热罩 5 分钟。如果加热罩是在氮气吹扫过程中安装，吹扫过程将继续进行，直到吹扫结束完成。如果内罩氧含量大于 1，加热罩继续用空气吹扫。一旦内罩氧含量低于 1，烧嘴就可以点火,当加热罩点火按钮按下后，自动点火将进行。2.7 加热、均热/注氢/热密封测试在此阶段，氢气迅速置换氮气，为此：氢气入口阀（504，505）首先打开，氮气入口阀（408）
17、关闭，氢气通过叶形转子流量计（503）来检测，氢气通过放散阀（705，708）放散。在氮气置换期间，内罩压力一直检测。如果压力检测低于2.5mbar（0.25Kpa） （变送器 601 或压力开关 602） ，氮气放散阀（702）关闭，直到压力检测高于 2.5mbar（ 0.25Kpa） （变送器 601） 。氢气置换氮气必须在 60分钟内完成，否则报警产生。在加热期间，炉台循环风机（001）高速（2100rpm）运行。加热程序最多允许有 16 个时间段来对温度进行控制，设定每一个时间段的起始温度和结束温度，数据可以通过在 OP 操作盘和监控画面上来进行设定。在加热罩故障时（如燃烧空气或煤气流
18、量低） ，退火中断，一旦加热罩故障重新恢复，不能将以前计算的已退火时间算入，重新计算时间直到控制温度达到设定点。H2 流量控制：氢气流量控制由伺服电机（706）的打开和关闭来实现，通过预先选择的氢气流量起始时间和起始温度的设定值来完成。与加热程序一样，氢气流量控制也是最多允许有 16 个时间段来对流量进行控制，设定每一个时间段的流量，时间和起始温度，数据可以通过在 OP 操作盘或监控画面上来进行设定。氢气流量的控制是通过 706，流量检测通过 503（080 m3/h）来完成。在氢气流量控制表的执行的最后阶段，首先关闭 706。当极限开关检测到关闭时，氢气放散阀（708）关闭。氢气入口阀（50
19、4，505）仍然保持打开状态。2.8 热密封测试：退火结束加热罩吊走 12 分钟前，开始内罩/炉台的热密封测试， （如果此时氢气流量控制表中的时间段还没有完成，将继续进行氢气流量控制，直到氢气流量控制结束。 ）氢气放散阀（705）关闭，然后 60 秒钟氢气入口阀也关闭。10 秒钟后内罩压力值被 PLC 存储，如果在 5 分钟内压力值不超过这个存储值5mbar（0.5Kpa）或不低于 10mbar（1Kpa） ，就认为热密封测试成功。如果热密封测试失败，5 分钟内压力值超过存储值 5mbar（0.5Kpa）或低于10mbar（1Kpa） ，那么热密封测试中断并且产生一个报警。操作人员必须决定是否
20、启动事故吹扫。如果热密封测试失败，操作人员必须在加热罩移开前进行故障确认，因为在该故障严重的情况下最大可能产生2 m3/h 的 H2,退火和冷却将全部用氮气来完成，所有氢气放散阀和入口阀关闭，氮气阀打开。如果热密封测试成功，并且退火过程已经结束，开始进入下一个阶段冷却（带加热罩）：热密封测试成功，并且退火过程已经结束，通过预先选择是否带罩冷却（为了避免一些规格的钢种发生粘连） 。由于燃烧控制是多个烧嘴循环开关/控制，在冷却模式下当煤气阀门关闭时，空气阀逐渐打开，允许用最大助燃空气流量进行冷却。当冷却后，助燃空气风机关闭，控制系统仍然保持在第 8 阶段直到加热罩被操作人员脱开电气连接，将允许控制
21、系统自动进入第 9 阶段。2.9 吊走加热罩/热放散/安装冷却罩 当完成退火周期后，包括带罩冷却后，助燃空气阀必须关闭，加热罩移开信号产生后，操作人员脱开电源供电，用吊车吊走加热罩。加热罩移开信号通过接近开关（006）检测，热放散的时间通过预先确定的移开加热罩到安装冷却罩的时间来确认，当加热罩吊走后，炉台循环风机转为低速。冷却罩的安装完毕也是通过接近开关（006）来检测。操作人员必须迅速连接好供电插座，以启动冷却风机。如果 5 分钟内没有完成将产生一个报警。2.10 却罩冷却：热放散完毕，冷却罩安装完毕，一旦供电电源连接好，冷却风机自动启动。炉台循环风机在冷却罩冷却期间高速运行。2.11 淋水
22、冷却：当保护气体温度降到约 300时，冷却风机停止至少 20 分钟后，冷却风机（805）停止运行，冷却风机停机 2 分钟后，喷淋水冷却系统打开。喷淋冷却水的流量约为 35 m3/h。当冷却水阀（801）打开 5 分钟后，保护气体循环风机再次低速启动，30 分钟后转为高速运行。2.12 吹扫：当炉料温度降低到设定的出炉温度时（热电偶检测到大约 80，代表卷心温度大约 110） ，炉台循环风机转速降低到低速 520rpm，此时氮气入口阀（408）打开，然后氢气入口阀（504，505）关闭。同时氮气放散阀（702）打开。氮气流量 140 m 3/h（160 m 3/h 对应 20mA）氮气吹扫量 5
23、0 m 3（对应最少钢卷 50T）氮气吹扫时间： 22 分钟 当下述条件满足时，吹扫结束：1)保证进入内罩内的吹扫氮气达最低要求总量 50 m3；2）满足吹扫的最短时间 22 分钟。上述两个条件都满足时，氮气入口阀（408）关闭，当内罩压力低于2.5mbar（0.25Kpa） ，氮气出口放散阀（702）关闭。如果吹扫时间超过 60 分钟后，一个报警产生，吹扫过程继续进行，直到到达预设的吹扫流量。当吹扫开始，氢气阀密封测试又将继续进行。这个过程与第 2 阶段一样，如果这个氢气阀密封性测试失败，吹扫停止。循环风机停止。留在内罩外表面的冷却水由冷却罩风机鼓入空气吹走。接下来移走冷却罩，断开内罩管线，
24、松开压紧装置，移走内罩。当内罩移走后，关闭所有的出口阀门，退火周期结束。当吹扫完成后，在脱开电源供电前，炉台循环风机和冷却罩风机停止。2.13 开冷却罩/松开内罩/移开内罩当冷却罩风机停止后，电源脱开后， “移开冷却罩”信号产生，冷却罩才能吊开。松开内罩只有当以下条件具备时，内罩才能松开：1)到达预设的出炉温度2)吹扫完成3)冷却罩已经移开4)氮气入口阀（408）和氢气入口阀（504，505）关闭。5)连接内罩的冷却水脱开6)内罩压力低于 2.5mbar（0.25Kpa）通过按下在就地操作盒上的带灯按钮，执行松开内罩，夹紧释放通过压力开关（205）来检测内罩吊走当操作人员人工判断内罩是否已经松
25、开，然后指挥吊车吊走内罩，关闭所有入口盒出口放散阀。2.14 卸料当内罩吊走后，通过吊车吊走钢卷和对流板，然后操作人员必须确认完毕后，按下“卸料完成”按钮。炉台具备再次装料条件。第二节 主要设备功能及参数1、翻钢机系统主要是将轧后的钢卷送到罩式炉并由卧卷翻为立卷，以供装炉退火。翻钢机设备主要由卧式运输机、卧立翻卷机、立式运输机组成。1.1 设备主要参数1.1.1 卧式运输机是从轧后将钢卷送到翻卷机；运送钢卷数量为：走行 12 个，静止 13 个；由 1 个主动链轮传动，电机功率为：30KW，传动比为：1：580；1.1.2 翻卷机是将钢卷由卧卷翻为立卷，主要由 1 个翻卷机本体和 1 个液压站
26、组成；液压站油箱为：4000L； 主泵功率为：37KW；主泵工作压力为：8MPa;主泵工作流量为：52L/min；循环泵功率为 5.5KW；主泵工作流量为：16L/min；2 个翻卷液压缸，2 个受卷液压缸。1.1.3 立式运输机是将翻为立卷的钢卷运走；运送钢卷数量为：走行 2 个，静止 3 个；由 1 个主链轮传动，带 1 个被动轮，电机功率为 7.5kw,传动比为：1：595；以上设备实行联锁控制，联锁条件满足时才能运行。2、炉台炉台是罩式炉的心脏，作为钢卷的承载台与内罩配合密封，保护钢卷在退火中不备氧化；每座炉台由炉台本体，隔热保温系统，阀站，内罩，液压系统组成；2.1 设备主要参数2.
27、1.1 炉台本体包括型钢加固、气密焊接地钢板结构及在该结构上安装了承载钢卷的平台，循环风机及其他炉台周围设备；1)炉台支撑平台设备：主要包括炉台水冷法兰,支撑柱、支撑环、扩散器,载荷板,炉台对流板、等；炉台最大堆垛高度（含对流板）：5480mm；炉台最大堆垛重量（不含对流板）：90 吨；退火温度（最高）：750；2) 循环风机使炉内保护气体进行强制循环，加速炉内热量传递，可大大缩短加热和冷却时间，同时使炉内温度均匀，还可保证在紧急情况下吹扫气体完全代替保护气体，保证设备安全；电机功率：22KW；风机转速 2100rpm；风量：90000m 3/h；气流温度（最高）750；2.1.2 炉台隔热保温材料为耐火纤维,安装在炉台内部,以保护炉台钢结构及循环风机电机；耐火纤维针刺毯密度：128kg/m 3；温度（最高）：1200；2.1.3 阀站主要由 N2、H 2、冷却水、消防水供排管道、液压管道所组成；主要用于炉内压力、气体流量的集中控制与显示。N2为吹扫气体，
