强对流罩式热处理炉温度均匀性测量及控制点确定.doc

强对流罩式热处理炉温度均匀性测量及控制点确定强对流罩式热处理炉是目前钢铁冶金行业应用的先进退火炉之一 , 主要用于黑色金属和有色金属材料的光亮退火 , 由于内罩充注惰性气体对加热钢坯进行保护 , 所以退火质量高 , 特别适用于各种带材、线材、矽钢片等的无氧化光亮处理。强对流罩式热处理炉内装有大风量、高功率的热流风机 , 使炉内保护气氛形成强对流循环 ,达到强化传热 , 并使炉内温度更趋均匀。炉温均匀性直接关系到产品最终的组织性能 , 因此 , 炉温均匀性是热处理炉的主要性能指标 , 是保证热处理产品质量的重要工艺参数 , 也对热处理炉温度均匀性测试提出了更高的要求 , 文章就炉温均匀性测试及控制点确定提出基本方法。1基本结构强对流罩式热处理炉结构如图 1所示 , 主要有下面几个部分组成。图 1强对流罩式热处理炉结构1) 炉台: 其底板由型钢加强钢板制成 ,用于承载热处理钢卷。底部大功率大叶轮的风机使炉膛内的保护气体强烈循环对流, 在加热周期和冷却周期中获得最佳的气体循环效果。炉座绝热材料采用硅酸铝耐火纤维毯 , 使炉座外表面温度保持在 60以下。底座大法兰上加工一个特制的水冷燕尾槽 , 槽内装有硅橡胶密封圈 , 使内罩和底座之间的密封达到严格的气密性要求 , 内罩和底座之间用液压缸夹紧。2) 加热罩: 外壳采用普通碳钢板制成 ,并使用结构钢加固。加热罩上安装有燃烧器、点火电极、火焰监测器、预热器、燃气管线、助燃空气管线、起重梁、导向臂和电控箱等。在加热罩的罩体底部 ,装有陶瓷纤维制成的密封件 ,使加热罩与内罩间的连接达到密封 ,以减少废气和热能损失。燃气总管上装有自动快速接头。动力线路和控制信号采用手动插头与炉台电气柜连接。图 1强对流罩式热处理炉结构3 )燃烧系统: 由双平面切向安装的燃烧器组成 , 在两个平面上 , 上层布置 6个燃烧器 ,下层布置 6个燃烧器 每个加热罩共 12个燃烧器 。火焰结构被设计成引向内罩和加热罩间的中线位置 , 以避免火焰对内罩的冲刷。每个燃烧器配置高压点火变压器、点火电极、火焰监测器、燃烧控制器、电磁阀等 , 燃气管和助燃空气管与燃烧器。燃气管线系统配置总电动切断阀调压阀、电磁阀、压力开关、压力表、快速接头。4) 内罩: 其钢结构采用精加工的水冷大法兰 , 密封法兰压紧在炉台上 密封内罩 。筒体材质采用 310S 优质 耐热钢 , 吊环部位采用 309S耐热钢 , 压制成深波纹式罩体 , 增加了对流传热面积和内罩的强度。封头压制成型 , 筒体、封头、底部为耐热钢板。5) 冷却罩: 采用普通碳钢板制成 , 并用结构钢加固。在罩顶部安装 2台大流量的风机 ,高温冷却时 , 启动风机风冷。2运行强对流罩式热处理炉运行一般有五个步骤。1 )退火工艺曲线计算: 一个退火周期开始时 , 操作人员将退火的钢卷参数输入到过程计算机系统 , 退火模型计算出退火过程参数 , 经操作人员确认后下载到 PLC。操作人员将需要退火的钢卷按堆垛要求堆放在炉台上。2 )内罩密封: 完成炉台装料后 对流板放置在钢卷之间 , 设置内罩 , 操作液压装置自动将内罩压紧在水冷炉台法兰上 , 使其密封完好。然后在环境温度下进行氢气阀和炉台 /内罩系统的冷态密封试验。如果密封试验失败 , 控制系统给出相应报警 , 人工进行报警确认后 , 控制系统自动重新进行密封试验。3) 气体置换: 密封试验成功后 , 通入氮气。炉内氮气达到设定压力后 , 扣上加热罩 , 启动助燃风机 , 用空气吹扫加热罩的炉膛空间。当内罩氧含量 015%后 , 通入氢气并启动循环风机。4)点火升温: 随后进行加热罩天然气总管的密封试验并准备点火。加热罩点火从上到下各排烧嘴分别自动进行 , 火焰检测装置检测烧嘴的燃烧状况。当炉温达到设定值后, 同时向炉内补充氢气 , 保持炉压稳定 内罩内压力由压力传感器和压力开关连续检测 。该过程持续约1h, 结束后 , 循环风机速度从 520r/min连续增加到 2100r/min。循环风机连续在 1500r/min到2100r/min的高速下运转直到冷却结束。高效的循环风机使得炉内保护气体高速循环 , 保证钢卷得到均匀的加热。在适当温度下由加热升温转为均热 , 确保钢卷的机械性能和晶粒尺寸均匀。均热时间由数学模型计算给出。5)冷却阶段: 均热结束前 , 自动进行炉台热态密封试验。热态密封试验完成后 , 系统进入冷却阶段 , 冷却分风冷和水冷二种方式。3炉温均匀性测试1 )测试目的炉温均匀性通常用炉温的空间和时间分布特性来表征。炉温的空间分布特性就是温度在炉膛要求各测点位置区域的分布情况 , 用这个参数描述温度的均匀性。温度的时间分布特性 , 就是温度在工艺过程中的变化情况 , 用这个参数描述温度的稳定性。炉温均匀性测量的目的是分析炉膛内温度的空间分布特性和时间分布特性以及温度波动的大小 , 从而确定炉内钢卷是否达到热处理的性能要求。2 )检测方法被测罩式热处理炉的内罩结构为圆柱形 , 气流从炉台的对流风机出风口喷出 , 贴内罩内壁向上流动 , 一边吸收来自内罩壁面传入的热量 , 边通过气流将得到的热量传递至钢卷外侧 , 热气流上升至内罩顶后 , 沿罩顶折入钢卷内孔 , 放出热量至钢卷内侧 , 最后导入风机入口 , 进行下一个循环。所以其具有中心轴对称性 , 可认为在中心轴横截面外周上和内周上的温度也相同 , 所以热电偶探头只需布置在中心轴的一侧即可 , 各热电偶测试点布置如表 1。表 1内罩各位置热电偶布置标号层次内侧中间外侧上层789中层456底层1233 )仪器设备根据炉温均匀性检测的要求需要选择合格的仪器设备才能保证检测的准确性 , 热电偶、对应补偿导线、显示仪表的选择必须符合相应的国家标准 , 测试对相关仪器设备的性能要求如表 2。表 2炉温检测主体设备要求仪器名称目的型号数量规格要求备注柔性热电偶测定炉内各布置点温度K型, II级010009支符合 GB/T 3772、GB/T 2614、GB/T 4993、GB/T1683912校验合格补偿导线热电偶与显示仪表连接9根符合 GB/T 3772、GB/T 2614、GB/T 4993、GB/T 1683912记录仪表温度值记录DX1000 日本横河12点符合 GB/T4989、GB/T4990校验合格 4) 炉温检测由于强对流罩式热处理炉内罩底部热流风机的作用 , 气流速度大 , 空炉状态时 , 炉内温度比较均匀 , 所以其空载状态的炉温均匀性测试一般没有实际意义。该次测试考虑装载负荷条件下的炉内各布置点的温度状况。罩内放置 4卷钢卷 , 导流板安置于各钢卷之间 , 使部分热气流能通过导流板进入对流风机吸入口 , 加强钢卷轴向传热 , 热电偶安装于各钢卷上、中、下部的内、中、外 3点 , 共计 3层 , 合计 9个测试点 , 通过补偿导线连接至温度记录仪 , 对测试数据进行记录。从强对流罩式热处理炉点火开始即进行跟踪检测 , 升温曲线按照工艺曲线进行 , 温度测定值每隔 20s记录一次并保存到记录仪的内存中 , 至炉子加热停止测量结束。4数据分析及控制点确定1) 测试数据分析按退火工艺要求 , 整个炉子加热运行时间33h 包括升温、保温 , 根据强对流罩式热处理炉炉内温度分布跟踪记录。炉子保温结束时各测试点的温度数据表明: 钢卷的整个加热过程 ,通过罩内氢气流的外侧向上流动、中心向下流动完成热量的传递。氢气流由循环风机提供动力 , 1将氢气流喷出进入外侧上升通道 , 在通道内一边吸收内罩壁以对流和辐射方式传入的热量 , 同时其中一部分热量又立即释放给被加热钢卷; 在上升通道中 , 又一部分热氢气流经钢卷间导流板 ,将热量传递至钢卷间空隙 , 对钢卷进行轴向加热; 氢气流愈上升经过导流板的个数就愈多 , 分出的氢气流量就愈多 , 上升通道内流动的氢气流量就愈少 , 上升流得到的热量就减少。气流达到罩顶后进入钢卷中心下降通道 , 下降通道内氢气流随着气流的下降不断地放出热量, 总趋势气流温度下降 , 至炉底风机入口处温度最低。在加热开始阶段 , 钢卷与氢气流的温差最大 , 钢卷的吸热最强 , 随着加热时间的延长 , 温差逐渐减小 , 钢卷吸热减少。随着时间的增加 ,上升流放热量的减少 , 必然引起下降流的热量增加 , 在气流下降过程中有更多的热量释放给钢卷内圈区域 , 逐渐减少钢卷内外侧的温度差 , 使钢卷温度趋于均匀 , 随着温差的缩小, 外侧气流的最高温度点向上移动 , 最高温度由腰间移动至罩顶 , 而且将一直保持至保温结束。数据显示: 上部钢卷温度最高, 而且其各温度点的差值也最小。下层温度最低, 并且其底层中各温度差值最大 , 中间层居中。外侧各测点的温度在同层中为最大 , 而外侧温度差反而最小。中间各测温点的温度差为最大 , 炉内温度不均匀性最大值主要表现在高度方向。测试表明: 在规定工艺要求时间内加热、保温结束后 , 同侧最大温差和同层最大温差等所有测试点的最大温差 20, 根据技术质量标准 ,符合钢卷温度均匀性要求。2) 控制点确定控制点: 在炉窑运行时 , 必须保证炉内各部位的温度都能达到工艺要求的特征温度点 , 是用于控制炉子运行状态的关键点。通过测试看出 , 温度最低点在炉子底部 , 并在半径的中点 , 当该点的温度达到工艺设定温度时 , 其它各部位的温度也一定达到工艺温度要求。同时 , 通过对内罩循环气流热量传输进行分析 , 炉台出风口处的温度为最低 , 只要该处的温度满足钢卷退火温度要求 , 则一定能保证其它部位的温度条件 , 所以 , 应