CN101235432A - 金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法，金属物料或工件加热工艺包括加热炉和轧制线，在加热炉之前增设涂料喷涂机系统，其流程为：a.给金属坯或工件涂覆涂料；b.将金属坯或工件入炉加热；c.金属坯或工件出炉；d.去除金属坯或工件涂覆层；e.使金属坯或工件进入轧制线。本发明技术采用将待加热工件表面涂覆功能涂料后，再放入炉膛加热，是一种新方法，即给工件“穿上衣服”后加热，起到了保护金属、强化传热的作用。按本发明的方法，在给被加热金属工件表面涂覆功能涂料后加热，具有降低金属氧化烧损率，降低金属中微量元素脱失率，提高加热速度，提高现有加热设备产量和生产率等优点。

Description

金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法

技术领域

本发明涉及金属物料或工件加热工序，特别涉及一种金属物件加热工艺例如金属铸坯后热加工前、金属铸坯切割分段后至入炉前的加热工序，尤其指一种金属物料或工件加热工艺中保护金属强化传热的方法。

背景技术

金属物料或工件如钢锭、钢坯、钢板以及其它金属物品，在热加工工序中需要将工件放入工业炉内加热。目前采用的是将工件裸露放入工业炉内加热的方式，此种加热方式存在着下列二个缺点：

1、金属物料在加热过程中与炉内气体发生传质。

(a)金属与炉内氧气发生化学反应，即金属从炉气中吸入氧元素，在金属表面生成氧化物，俗称“烧损”，降低金属收得率。

(b)金属内的微量元素被炉内气体带走，在金属表面形成微量元素流失层。例如硅锰弹簧钢，该种物料淬透性好，用来制造高应力弹簧，在汽车制造等行业中应用广泛。但是硅锰弹簧钢在加热过程中表面容易产生氧化脱碳，形成脱碳层，降低弹簧的弹性和疲劳强度。这就导致后续工序需要对金属工件进行扒皮处理或渗碳处理，由此增加工序，降低生产率和金属收得率。

2、金属物料的加热时间相对较长，即在炉内接受热量的速度低。

在500℃以上的工业炉内，传热以辐射传热为主。工业炉内火焰空间的传热是一个十分复杂的综合传热过程，炉子种类较多，不同炉子内综合传热是不同的，其情况复杂。在一个充满火焰或高温炉气的炉子内，存在着三个不同的温度区域：炉气(火焰)、炉衬(炉墙及炉顶)、物料。因为火焰温度很高，所以炉内主要的传热方式是辐射，而传导及对流在热流量中只占较小的比重。此外，炉墙对于外围空气还会散失热量，这个热损失对炉内温度也有一些影响。黑度ε_m代表物料的辐射传热性能，ε_m值越大，辐射传热性能越好。由于金属物料黑度较低，如钢坯的表面黑度ε_m≤0.8，加工后的光滑金属工件表面黑度远低于这一数值。而某些物料的黑度值为：1＞ε_m＞0.9。因此，裸露的金属物料加热时间相对较长。

因此，要用数学分析方法来精确计算炉子内的热交换，是非常复杂和困难的。只有结合实际情况进行一些简化的假设，才使近似的计算成为可能。

常用的简化假设是：

A、炉气(火焰)有一个平均温度T_g在炉子的各处部是相同的；

B、受热物料表面的温度各处都是一样的，等于T_w；

C、炉墙及炉顶的温度均匀一致而且也是不变的；

D、炉气(火焰)可以看成是一个灰体，它的吸收率或辐射率不因辐射来的波长或温度不同而变更，其值为ε_g，它是根据气体的温度T_g而求得的；

E、受热的物体也是灰体，它的吸收率或辐射率ε_m是一个定值；

F、炉墙及炉顶的热损失恰好等于由炉气以对流方式传给炉墙及炉顶的热量。

参看图1，图中表示了炉膛中各项热流的传送情况。对于物料来说，它所接受的热量有三部分：

(1)气体以辐射方式传给物料的净热量Q_gm；

(2)气体以对流方式传给物料的热量Q_gmc；

(3)炉墙以辐射方式传给物料的净热量Q_wm。

物料所接受的总热量： $Q_m=Q_{\mathrm{gm}}+Q_{\mathrm{gm}}^c+Q_{\mathrm{wm}}$

其中 $Q_{\mathrm{gm}}={\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_g{C}_0[{\left(\frac{T_g}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_m}{100}\right)}^4]F_m\left(W\right)$

$Q_{\mathrm{gm}}^c={\mathrm{\α}}_{\mathrm{gm}}(T_g-T_m)F_m\left(W\right)$

$Q_{\mathrm{wm}}={\mathrm{\ϵ}}_w{\mathrm{\ϵ}}_m(1-{\mathrm{\ϵ}}_g)C_0[{\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_m}{100}\right)}^4]F_m\left(W\right)$

图1中：Q’＝式中：Q^c

式中：

ε_m—物料黑度；

ε_g—炉气黑度；

ε_w—炉墙黑度；

α_gm—炉气与物料间的对流换热系数，W/m²·℃；

F_m—暴露于炉气中的物料表面积，m²。

通过以上分析，可得出物料所接受的总热量与物料黑度ε_m成正比关系。

在金属物料常规使用中，涂料或油漆保护应用非常广泛。如家电产品、汽车、工程机械、钢结构、屋面钢板等，均采用涂料或油漆对金属进行保护，同时具有美观的效果。

高温涂料在高温热工设备上的应用也相当广泛。在国外，英国CRC公司生产的ET-4涂料，美国生产的CRC-10A、G-125、SBE涂料，日本生产的CRC1100、CRC1500涂料，涂料黑度(发射率)ε_m达0.9，用于冶金、机械、石化、电力等行业的高温炉窑内壁涂覆，达到保护炉子内壁即延长炉子内壁寿命、提高辐射传热强度的作用。

在我国，已开发了多种高温辐射涂料，例如：常温固化磷酸盐耐高温涂料、有机硅耐高温涂料、含铬有机硅耐高温涂料、锆石/氧化锆混合料作耐高温涂料和耐高温印剂、锅炉除尘器耐酸耐高温涂料、含碳耐火材料抗氧化涂料、炉窑内衬高温红外辐射涂料粘结剂、以及提高风机效率的碳化硅涂料，等等。这些涂料多数用于高温炉窑内壁涂覆，达到保护炉子内壁即延长炉子内壁寿命、提高辐射传热强度的作用。少数用于保护使用中的金属，延长金属使用寿命。

但是上述国内外应用的高温涂料产品，仅用于冶金、机械、石化、电力等行业的高温炉窑内壁涂覆，少数用于保护使用中的金属，还未用于金属物料或工件加热工序，例如金属铸坯后热加工前、金属铸坯切割分段后至入炉前的工序。

目前，连铸工艺的常规金属加热工艺流程为：

金属铸坯→铸坯矫直→铸坯切割→金属坯入炉加热→金属坯出炉→去除金属坯表面氧化层→进入轧制线。

模铸工艺及冷金属工件的常规金属加热工艺流程为：

工件入炉加热→工件出炉→去除金属工件氧化层→进入轧制线。

传统加热工艺基于在没有精炼技术支撑的情况下，金属坯表面易产生缺陷，而且是在低成本生产金属的时代形成的工艺技术。这是利用金属氧化层来去除金属坯表面缺陷，利用金属氧化层提高发射率或吸收率来提高传热效率。

发明内容

本发明的任务是提供一种金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法，它解决了现有高温涂料产品未能用于金属物料或工件加热工序以保护金属、强化传热的问题，以及上述传统加热工艺所带来的问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法，金属物料或工件加热工艺包括加热炉和轧制线，在加热炉之前增设涂料喷涂机系统，其流程为：

a、给金属坯或工件涂覆涂料；

b、将金属坯或工件入炉加热；

c、金属坯或工件出炉；

d、去除金属坯或工件涂覆层；

e、使金属坯或工件进入轧制线。

当今由于精炼技术的发展和进步，金属坯表面几乎不再产生缺陷。另外，制造金属的原材料大幅涨价，金属制造进入了高成本时代。这就使得本发明成为可能和必要。本发明所述的金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法，其实质是采用我国易得的廉价涂料资源，置换出较稀缺的金属资源，减少微量元素脱失，提高金属收得率。本发明通过涂层特性来提高金属表面发射率或吸收率，以提高传热效率。

本技术采用将待加热工件表面涂覆功能涂料后，再放入炉膛加热，是一种新方法，即给工件“穿上衣服”后加热，起到了保护金属、强化传热的作用。

涂覆的功能涂料具有保护金属、强化传热的双重功能，也可以是一种单功能涂料，仅在工件表面形成致密保护层，阻隔工件与炉膛气体之间传质，如石墨、SIC质涂料可防止工件氧化和脱碳，或者仅在工件表面形成高辐射涂层，以提高加热速度，例如一种Gr2O3质涂料；也可以是复合功能涂料，兼具前述两种功能，例如采用一种微纳米高温远红外节能涂料，该涂料的颗粒超细化，达到纳米级颗粒，在工件基体上形成较致密的超薄防护层，附着力强，不易脱落，有效阻隔工件与炉气发生传质，减少氧化和微量元素脱失，该涂料黑度大，黑度ε_m＝0.93，涂层能更快地从炉内接受热量，然后以传导传热方式向工件内部导热，强化了工件传热。在推钢式加热炉中，被加热的钢坯有时发生粘钢，在涂覆本功能涂料后可防止粘钢。

按本发明的方法涂覆功能涂料，可以采用涂刷、浸泡、辊涂或喷涂等涂覆方式，在给被加热金属工件表面涂覆功能涂料后加热，具有降低金属氧化烧损率，降低金属中微量元素脱失率，提高加热速度，提高现有加热设备产量和生产率等优点。

附图说明

图1为炉膛中各项热流的传送情况。

图2是按本发明的方法布置的2150mm轧机生产线的工艺流程图。

具体实施方式

参看图2，图中标号：1为1号加热炉，2为2号加热炉，3为3号加热炉，4为E1立辊轧机，5为R1粗轧机，6为E2立辊轧机，7为保温罩，8为飞剪，9为精轧前立辊轧机，10为精轧机组，11为层流冷却装置，12为卷取机，13为涂料喷涂机系统，由此构成新的生产线工艺流程。

按本发明的金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法，金属物料或工件加热工艺包括加热炉和轧制线，在加热炉之前增设涂料喷涂机系统，连铸工艺的金属加热流程为：a、将金属铸坯矫直；b、切割金属铸坯；c、给金属坯涂覆涂料；d、将金属坯入炉加热；e、金属坯出炉；f、去除金属坯涂覆层；g、使金属坯进入轧制线。

按本发明的金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法，金属物料或工件加热工艺包括加热炉和轧制线，在加热炉之前增设涂料喷涂机系统，模铸工艺及冷金属工件的金属加热流程为：a、给金属工件涂覆涂料；b、将金属工件入炉加热；c、金属工件出炉；d、去除金属工件涂覆层；e、使金属工件进入轧制线。

按本发明的方法，将功能涂料应用于金属铸坯后加工过程中的加热工艺，即金属铸坯后热加工前、金属铸坯切割分段后至入炉前的工序，增加了给物料或工件涂覆涂层的步骤，在给被加热金属物件表面涂覆功能涂料后进行加热。本发明将功能涂料的涂覆应用在生产线工艺上，提高了金属收得率，减少了金属中微量元素脱失。

当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法，金属物料或工件加热工艺包括加热炉和轧制线，其特征在于，在加热炉之前增设涂料喷涂机系统，其流程为：

a、给金属坯或工件涂覆涂料；

b、将金属坯或工件入炉加热；

c、金属坯或工件出炉；

d、去除金属坯或工件涂覆层；

e、使金属坯或工件进入轧制线。

2.根据权利要求1所述的金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法，其特征在于，连铸工艺的金属加热流程为：

a、将金属铸坯矫直；

b、切割金属铸坯；

c、给金属坯涂覆涂料；

d、将金属坯入炉加热；

e、金属坯出炉；

f、去除金属坯涂覆层；

g、使金属坯进入轧制线。

3.根据权利要求1所述的金属物件加热工艺中保护金属强化传热的方法，其特征在于，模铸工艺及冷金属工件的金属加热流程为：

a、给金属工件涂覆涂料；

b、将金属工件入炉加热；

c、金属工件出炉；

d、去除金属工件涂覆层；

e、使金属工件进入轧制线。