罩式炉结构与应用.doc

罩式炉结构与应用摘要：高温退火是决定取向硅钢表面质量优劣的关键工艺，了解罩式炉结构是保证高温退火稳定进行的重要前提。本文从结构和应用的角度对罩式炉进行分类，简要陈述了罩式炉结构特征及其应用范围，为取向硅钢高温退火罩式炉的选择和应用提供参考。关键词：罩式炉结构 高温退火 取向硅钢1 前言表面质量一直是取向硅钢工艺中的瓶颈，而高温退火是决定取向硅钢表面质量优劣的关键性工序。为了改善表面质量，提高取向硅钢磁性能，众多科研人员投入到高温退火工艺的研究中。取向硅钢高温退火工艺主要在环形炉或罩式炉内完成。考虑到成本问题，在高温退火工艺成熟、取向硅钢批量化生产前，大多工厂均采用罩式炉生产取向硅钢。2 罩式炉简介罩式炉属于间断式变温工业炉1，炉膛不分区供热，炉温按规定的加热制度随时间变化。主要用于工件的光亮退火，也用于锻件、铸件或焊接件的退火、正火、消除应力以及去氢处理的加热。罩式电阻炉则主要用作高温热处理加热。和台车式炉相比，罩式炉容易保持气密性，可以通入可控气氛；外罩转移时表面温度只降低150200，热损失较小，炉子热效率亦高；罩式炉不需要炉门及其升降机构，一般也不需要各种机械传动机构，因而造价较低。另外，一罩两台罩式炉的占地面积仅和一座台车式炉相当，但产量较大。因而罩式炉已取代了部分台车式炉，并且其应用范围愈加广泛。按照装料情况不同，罩式炉分为圆形罩式炉和矩形罩式炉；按照规格范围不同，罩式炉可分为小型罩式炉和大型罩式炉，小型圆形罩式炉内径为1.52m，大型炉子达5m；小型矩形罩式炉炉台尺寸为0.91m1.30m，大型炉子则达3.65m14.78m，炉内容积高达150m3；按照供热方式不同，罩式炉分为燃料罩式炉（煤气）和罩式电阻炉。燃料罩式炉成本低，结构灵活，在妥善操作和科学管理的条件下有利于降低生产费用。但燃料炉难于实现精确控制，易造成环境污染，热效率也较低。罩式电阻炉的最大特点是炉温均匀，便于实现自动控制，加热质量好。电阻炉一般没有烟尘和噪声危害，但限于我国供电量不足和电费较贵而不能广泛采用，即使如此也仍然有许多加热工艺要采用电炉。3 罩式电阻炉结构罩式电阻炉主要用于高温热处理加热，如取向硅钢的高温退火。由于炉温高，一般不使用炉台风机，而在炉台上配置电热元件以促使温度均匀。罩式炉由外罩，内罩及炉台三部分组成，但根据工艺要求不同，有些罩式炉没有内罩，而有些在这三部分的基础上又添加了冷却罩。由于工件在热处理加热过程中一般要在内罩中进行冷却，生产中往往将多座装好料的炉台组合成一组共同使用一个外罩（加热罩），依次轮流供热。料堆内的最终温度和温差达到规定值后，加热过程结束。将外罩移到另一个已装好料并扣上内罩的炉台上，开始新的一轮热处理加热周期。原来炉台上的工件在内罩中继续冷却，冷却时间取决于最终冷却温度。有可控气氛时最终冷却温度为120250；无可控气氛时为300400。冷却过程结束后移走内罩，工件在炉台上冷却到室温后再卸料，再装入下一批工件，扣上内罩，等待下一轮加热周期。3.1 外罩罩式电阻炉的外罩又称作加热罩。外罩主要由炉壳（钢结构）、炉衬和加热元件三部分组成。根据工艺需要，选用不同材质的钢板制作炉壳，如果炉衬的耐热和保温能力较高，炉壳一般采用普碳钢制作；炉壳的主要作用是固定炉衬并承担其部分重量，因此对炉壳的强度有一定的要求；为了承受拱顶砌体的拉力及炉内砌体的热膨胀力，炉壳两侧均设有导向柱，并通过滑轮与炉壳相连，导向柱的另一个作用是用于炉壳的起吊，因此，外罩炉壳的顶端焊有带吊孔的横梁，吊孔位置与外罩重心位置一致。炉衬，或称砌体，是用耐火材料、隔热材料和某些建筑材料砌筑或敷设成的炉膛、燃烧室、排烟道等炉体部位。炉衬的作用是使罩式炉在加热过程中能承受高温热荷、抵抗化学侵蚀，减少热量损失并具有一定的结构强度，以保证炉内热交换过程的正常进行。目前采用耐火纤维、岩棉和微孔硅酸钙等轻质炉衬后，外罩自重已不再是增大车间起重能力的影响因素。炉衬厚度根据加热温度和炉衬材质的不同而不同。由于在生产过程中往往多座炉台共用一个外罩（加热罩）进行依次轮流供热，加热元件一般放在外罩上，不仅减少了热量损失，也简化了炉台结构和维修工作。一罩一台的罩式炉将加热元件放在炉台上比较适宜。罩式电炉的炉台和外罩均配置电热元件。3.2 内罩内罩的作用是将烟气流动空间与工件所处的可控气氛流动空间隔开。同时又是传热过程中得热交换面，因此内罩必须是密封性的、耐高温抗氧化的，并且还要具有一定刚度，否则在长期受热过程中极易变形甚至发生塌陷和破裂。因此罩式电阻炉内罩的材质非常关键，一般采用耐热钢板焊制，个别情况下用铸钢件。根据加热温度不同，内罩材质亦不同，温度越高，材质的长期工作温度就越高，价位就越高；考虑到成本问题，为延长内罩使用寿命，很多厂家在内罩形状上做了改变：根据罩内气氛的流动方向，将内罩中段设计成横向或纵向波纹，这样可以增大换热面积，同时能减少变形并延长使用寿命；考虑到热变形，内罩顶部一般设计为拱形。在尺寸设计上，圆形罩式炉内罩直径比炉料直径大0.250.50m，料垛顶面与内罩顶部之间应留0.2m以上间隙；外罩顶部内衬与内罩顶部之间留0.200.45m的间隙，为了保证安全起吊，外罩侧面内衬距内罩的净距离0.20.4m。3.3 炉台炉台主要由钢结构、砌体和加热元件组成，起着承重和保温的作用，因此炉台的砌体要有足够的厚度，以保证在长时间高温工作时有足够的强度和保温功能。同时，炉台还肩负着密封内罩和外罩，供排气等功能。为了保证炉料受热均匀，通常在炉台顶端嵌入加热元件。3.4 密封外罩及内罩与炉台之间要求密封。通可控气氛并强制循环时，内罩和炉台之间的密封要求更高。密封结构形式有砂封、水封、胶封和耐火纤维密封等多种形式，通常多组合使用。内罩和炉台之间常用两种密封结构：一种是将内罩和炉台之间锁紧，供排气均从炉台底部进行；另一种采用砂封，炉台底部供气，外罩的烧嘴燃烧废气。前者密封效果好，后者气氛流动均匀，造价低，严密性差，对砂质要求高。根据钢种对工艺要求的不同，密封结构不同。外罩和炉台之间采用水封和砂封复合结构，效果较好。3.5 自动化与安全系统罩式电阻炉自动化系统主要包含对温度的控制和对炉压的控制两个方面。前者主要是工艺的要求，后者是工艺和安全方面的双重要求，如果炉内出现负压，且炉内可控气氛含有氢气时，将会出现氢气聚积进而爆炸的事故状况。因此，为了保证罩式炉的安全操作，炉压控制是至关重要的。一般情况下，当气氛中含有氢气时，在炉压自动化控制方面，首先保证进气和排气之间压差的正值，同时配置出现负值情况时的应急措施，如事故氮气系统；其次，要保证气体接点处的气压，当气压为零即无气体时应及时报警并采用紧急措施，如关闭排气阀或吹扫氮气等。另外，在温度控制方面，除需满足工艺基本需求外，还需配置过热报警装置及相应的补救措施。4 罩式电阻炉的应用4.1 全氢罩式炉的特点按照炉内气氛不同，罩式炉可分为无气氛、氮气、氮氢混合气和全氢罩式炉。无气氛罩式炉主要用于黑带钢的退火，如主要用于焊接件的碳素结构钢Q195等；其它气氛罩式电阻炉根据钢种工艺具体要求，采用气体比例不同，主要用于去应力和光亮退火，其中全氢罩式退火炉是20世纪70年代奥地利EBNER公司在氮氢混合气的基础上开发出来的2，传统罩式炉用氮氢混合气体作为保护介质，氢气相对于氮气具有导热性号、密度小、动力粘度小、还原强等优点，逐渐代替了传统氮氢混合气体作为保护气体，20世纪80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罩式炉。这两种罩式炉对传统罩式炉结构进行了很大改进和完善，缩短了退火时间，提高了生产效率，改善了产品质量。4.2 取向硅钢高温罩式炉的选择和应用取向硅钢高温罩式炉用于取向硅钢高温退火工艺，主要完成取向硅钢底层的生成、二次再结晶和高温净化等功能，采用新鲜的氮氢混合气保护气氛，反应后的废气通向大气或直接燃烧。高温退火对取向硅钢表面质量和磁性能意义重大。该工序加热温度高，流程长，对气氛的流动性和炉况的稳定性要求较高，因此，用于高温退火的罩式炉在退火工具材质的选择，炉体的密封结构，自动和控制和安全系统方面要求都极为严格，目前国内大型钢厂使用的大型取向硅钢高温退火罩式炉大都购自国外。取向硅钢高温罩式炉在选型和应用方面应特别注意以下几项内容：（1）内罩：由于是高温加热，不仅要考虑内罩材质的耐热性，同时从成本的角度考虑，为延长使用寿命，内罩形状（波纹内罩）的选择也很重要。（2）炉衬：除了要考虑炉衬工作面材质的耐热性之外，还要兼顾炉衬的总厚度，以保证高温加热时炉体具有良好的隔热性能和抵抗热变形的强度；另外，为了保证外罩的正常起吊，外罩用炉衬应朝轻质化发展。（3）加热元件：为实现高温加热和保证炉温的均匀性，加热元件在材质选择和布置上都很重要。另外，要保证内外罩之间具有一定的间距，以防加热元件在外罩起吊时受到损伤。（4）密封系统：密封装置是取向硅钢罩式炉的技术诀窍，它不仅起到隔离气氛的作用，还直接决定着炉压的大小，进而影响取向硅钢的表面质量。因此，在选择罩式炉时要重点考虑厂商是否具有实际生产取向硅钢的经验即业绩。（5）自动化控制系统：就取向硅钢而言，