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