CN104775021A - 碳钢薄板连退产线快速加热方法及装置 - Google Patents

碳钢薄板连退产线快速加热方法及装置 Download PDF

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侯晓光
李俊
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Abstract

本发明涉及连退工艺中的钢板加热领域，尤其涉及一种薄板快速加热方法及装置。一种碳钢薄板连退产线快速加热方法，首先根据被加热带钢的材质确定被加热带钢的居里点温度，然后将加热分别成3个阶段，一阶段加热从常温至中介温度采用热交换加热方式，二阶段加热从中介温度至居里点温度以下采用纵磁感应加热，三阶段加热采用横磁感应加热直至目标温度。一种碳钢薄板连退产线快速加热装置，由沿带钢的走向顺次设置的热交换加热段、纵磁炉和横磁炉构成，所述纵磁炉与横磁炉内设置有马弗罩，带钢在加热时穿过马弗罩的内腔。本发明充分发挥了三种加热方式各自的长处，其适应性和带钢温度均匀性均大幅度提高；最大程度的满足了加热速度和经济性的需求。

Description

碳钢薄板连退产线快速加热方法及装置
技术领域
本发明涉及连退工艺中的钢板加热领域，尤其涉及一种薄板快速加热方法及装置。
背景技术
上世纪70年代以后，日本企业发明并采用冷轧带钢的连续退火工艺，逐步替代了钢卷罩式炉退火方式。退火时间也从罩式炉退火的几十小时大幅缩短至几分钟内，开创了带钢高效退火的新时代。连退工艺也因此发展为今天全世界钢铁企业普遍采用的一种带钢退火方式。
但现代连退工艺并不完美，主要存在以下不足：现代连退工艺是建立在传统加热方式，比如气体直接加热、燃气辐射管加热、电阻丝辐射管加热等的基础上。这些加热方式在低温段<500℃的加热效率比较高，其加热速率最快也能达到30～50℃/s，而在高温段加热，尤其在材质再结晶温度区间600～850℃左右，其加热速率一般在10℃/s以下，因而造成现代连退机组非常长，少则几个PASS多则几十个PASS才能满足加热工艺的要求。连退机组越长越复杂，炉内设备繁多，占地和投资大，同时，带钢炉内接触多易于造成表面质量损伤和断带以及设备损伤等诸多问题；另外，由于不同带钢规格和品种的热处理工艺路线并不一致，常常需要调整炉子加热、保温等诸多参数，而现代连退工艺的机组惯性大，工艺灵活性差，一旦调整往往造成过多板材浪费；通过试验机，国内外有大量研究表明，材料快速热处理工艺有利于开发新产品新工艺。材料以50℃/S～1000℃/s加热速率和100～1000℃/s的快速冷却工艺结合，即可形成更高晶粒度等级的高强高韧性带钢新产品，而现有连退工艺无法实现，尤其是现有连退工艺中的加热方式抑制了新产品新工艺的革新。
日本在中国申请的专利中公开过一种钢板连退的方法，其采用焦耳热的加热方式，即电阻直接加热方式或感应加热方式加热金属板材。但该专利的权利要求太宽泛，在实际的工程应用中基本不具备可操作性，原因在于：电阻直接加热方式需要外部导电极、导电刷或导电辊对带钢直接送电，易于造成带钢表面擦伤，尤其制约了高温段带钢产品的表面质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种碳钢薄板连退产线快速加热方法及装置，充分发挥了三种加热方式各自的长处，解决了单独利用纵磁加热无法加热到居里点温度以上和通常热交换加热升温速度慢的缺陷，并能保证带钢温度的均匀性，最大程度的满足了加热速度和经济性的需求。
本发明是这样实现的：一种碳钢薄板连退产线快速加热方法，该方法用于加热5mm厚度以下的薄钢板，设定加热的目标温度，首先根据被加热带钢的材质确定被加热带钢的居里点温度，然后将加热分别成3个阶段，一阶段加热从常温至中介温度采用热交换加热方式，二阶段加热从中介温度至居里点温度以下10～50℃采用纵磁感应加热，三阶段加热采用横磁感应加热直至目标温度。
所述热交换加热方式为气体直接加热、燃气辐射管加热或电阻丝辐射管加热。
所述的中介温度为400～600℃。
一种碳钢薄板连退产线快速加热装置，由沿带钢的走向顺次设置的热交换加热段、纵磁炉和横磁炉构成，所述纵磁炉与横磁炉内设置有马弗罩，带钢在加热时穿过马弗罩的内腔。
所述纵磁炉内缠绕封装有螺线管电磁感应器。
所述横磁炉内设置有若干组平面电磁感应器，平面电磁感应器设置在带钢的两侧成对布置。
若干组所述的平面电磁感应器的跨度空间中还镶嵌套装有增强磁极，所述马弗罩与磁极之间的工作间隙内还设置有屏蔽磁极。
本发明碳钢薄板连退产线快速加热方法及装置将带钢的加热区间根据其特性分成三个阶段，起始阶段使用常规的热交换加热方式，居里点温度以下一定区间采用纵磁加热，最终加热段采用横磁加热，充分发挥了三种加热方式各自的长处，相比单独使用纵磁感应加热或横磁感应加热，其适应性和带钢温度均匀性均大幅度提高；最大程度的满足了加热速度和经济性的需求，对连退新工艺新产品开发有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明碳钢薄板连退产线快速加热方法的加热曲线示意图，I、II、III对应三个加热阶段；横坐标为时间，纵坐标为温度
图2为本发明碳钢薄板连退产线快速加热装置的结构示意图；
图3为本实施例中并联布置的螺线管电磁感应器；
图4为本实施例中串联布置的螺线管电磁感应器；
图5为本实施例中并联布置的平面电磁感应器；
图6为本实施例中串联布置的平面电磁感应器。
图中：10带钢、11跨度空间、1热交换加热段、2纵磁炉、3横磁炉、4马弗罩、5电源。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所示，一种碳钢薄板连退产线快速加热方法，该方法用于加热5mm厚度以下的薄钢板，首先根据被加热带钢的材质确定被加热带钢的居里点温度，然后将加热分别成3个阶段，
一阶段常温至中介温度采用热交换加热方式，常规的热交换加热方式，例如气体直接加热、燃气辐射管加热或电阻丝辐射管加热等加热在500℃以下的加热区间内，加热速率能达到30～50℃/s，加热效率30～50％甚至更高，所以基本满足连退加热工艺的要求，因为加热效率高，设备成本低，所以具有经济性，同时常规的热交换加热方式的带钢温度均匀性很高，基本控制在几度以内，对产品的质量影响小；中介温度通常为目标温度的一半，在本实施中加热最终的目标温度为1000℃，中介温度设定为500℃。
二阶段加热从中介温度至居里点温度以下10～50℃采用纵磁感应加热，纵磁感应加热的电磁场方向基本平行于工件表面。纵磁感应加热的基本工作原理是基于电磁集肤效应的，其电磁感应涡电流聚集于工件表面，涡电流透入深度用现有公式计算                                               ，式中，为涡电流透入深度，为角频率，为材质电导率，为磁导率；考虑加热工件厚度与涡电流透入深度的比值，充分保证必须的电效率，对碳钢产品而言，材质的居里点温度通常为730℃作左右，当温度高于居里点温度时，材质磁滞效应消失，即磁导率变为1即真空磁导率；举例：1mm带钢，磁导率为1，电阻率（电导率倒数）约为1e-6欧米，按电效率比值的参考要求可计算出所需要的电磁频率高达1000kHz，这样高频率的大功率逆变电源经济效益太差，所以本发明中利用纵磁感应加热的二阶段只将被加热带钢加热到其居里点温度以下10～50℃为止，例如在本实施例中，所需加热的带钢居里点温度为730℃，那么采用纵磁感应加热的二阶段加热通常加热到680℃～720℃为止。
三阶段加热采用横磁感应加热直至目标温度，横磁感应加热的特点是不受材质居里点、厚薄等因素的影响，均可实现带钢的快速加热。由于横磁感应加热温度均匀性低于纵磁感应加热，所以仅仅在纵磁加热失效的三阶段才去采用横磁感应加热。
如图2所示，一种碳钢薄板连退产线快速加热装置，由沿带钢10的走向顺次设置的热交换加热段1、纵磁炉2和横磁炉3构成，所述纵磁炉2与横磁炉3内设置有马弗罩4，带钢10在加热时穿过马弗罩4的内腔，马弗罩4为抗电磁性耐火和隔温材质构成的一个气密性空腔，用于隔断加热工件的热辐射并通入保护性或还原气体，带钢10在加热时快速穿过马弗罩4的内腔，在还原性气氛或保护性气氛作用下完成加热；在本发明中，所述热交换加热段1采用现有常用的气体直接加热的燃气喷嘴、燃气辐射加热的燃气辐射管、电加热的电阻丝辐射管或其他直接利用热交换对带钢10进行加热的设备。
所述纵磁炉2内缠绕封装有螺线管电磁感应器20，加热时电磁场方向与带钢表面平行；其中螺线管电磁感应器20可分为2～10段，在本实施例中，螺线管电磁感应器20分为两段，两段螺线管分别独立设置纵磁正负电极201、202，两段螺线管即可以如图3所示的并联后由一套电源5供电，也可以如图4所示，串联后由一套电源5供电，电源5通常采用高频电源，根据钢板厚度于10～500kHz之间选择。
所述横磁炉3内设置有若干组平面电磁感应器，平面电磁感应器设置在带钢10的两侧成对布置，加热时电磁场方向垂直穿透带钢表面，若干组平面电磁感应器沿带钢10的运行方向顺次布置，通常布置2～5组，在本实施例中设置2组平面电磁感应器，分别为第一平面电磁感应器31、31′和第二平面电磁感应器30、30′，其中位于带钢10两侧的电磁感应器分别按串联或并联连接，然后由同一套电源5通过逆变器的电路分配供电。
即可以如图5所示分别将感应器30和31的一对横磁电极301和302与311和312并联，也可以如图6所示将感应器30和31的一对横磁电极301和302与311和312串联；电源5通常采用中频电源，根据钢板厚度于10～50kHz之间选择；通过设置多组平面电磁感应器，降低每一组平面电磁感应器的加热温度区间，充分保证加热的温度均匀性问题。
若干组所述的平面电磁感应器的跨度空间11中还镶嵌套装有增强磁极32，用于增强电磁强度；跨度空间11即为平面线圈实体结构外的空间，比如如图2所示的箭头标示出的空间，所述马弗罩4与磁极32之间的工作间隙内还设置有屏蔽磁极33，用于屏蔽带钢10边部磁场，优化电磁场分布。

Claims (7)

1.一种碳钢薄板连退产线快速加热方法，该方法用于加热5mm厚度以下的薄钢板，设定加热的目标温度，其特征是：首先根据被加热带钢的材质确定被加热带钢的居里点温度，然后将加热分别成3个阶段，一阶段加热从常温至中介温度采用热交换加热方式，二阶段加热从中介温度至居里点温度以下10～50℃采用纵磁感应加热，三阶段加热采用横磁感应加热直至目标温度。
2.如权利要求1所述的碳钢薄板连退产线快速加热方法，其特征是：所述热交换加热方式为气体直接加热、燃气辐射管加热或电阻丝辐射管加热。
3.如权利要求1所述的碳钢薄板连退产线快速加热方法，其特征是：所述的中介温度为400～600℃。
4.一种用于实现如权利要求1、2或3所述碳钢薄板连退产线快速加热方法的装置，其特征是：由沿带钢(10)的走向顺次设置的热交换加热段(1)、纵磁炉(2)和横磁炉(3)构成，所述纵磁炉(2)与横磁炉(3)内设置有马弗罩(4)，带钢(10)在加热时穿过马弗罩(4)的内腔。
5.如权利要求4所述的碳钢薄板连退产线快速加热装置，其特征是：所述纵磁炉(2)内缠绕封装有螺线管电磁感应器(20)。
6.如权利要求4所述的碳钢薄板连退产线快速加热装置，其特征是：所述横磁炉(3)内设置有若干组平面电磁感应器，平面电磁感应器设置在带钢(10)的两侧成对布置。
7.如权利要求6所述的碳钢薄板连退产线快速加热装置，其特征是：若干组所述的平面电磁感应器的跨度空间(11)中还镶嵌套装有增强磁极(32)，所述马弗罩(4)与磁极(32)之间的工作间隙内还设置有屏蔽磁极(33)。
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