不锈钢拉丝机分级加热退火阻氧系统

技术领域

本发明涉及一种钢丝拉丝过程中的退火技术。

背景技术

不锈钢热处理一般是在退火炉中采取固溶热处理，也就是人们平常所谓的“退火”，温度范围为1040~1120℃。退火气氛一般都是采用纯氢作为退火气氛，气氛纯度最好是99.99%以上，如果气氛中另一部分是惰性气体的话，纯度也可以低一点，但是绝对不能含有过多氧气、水汽。

2014107925319的发明提供了一种不锈钢焊丝用原丝的退火工艺，在拉丝之前，将原丝的盘圆在退火炉中进行退火热处理，使得炉温逐步升至工艺所需温度后降温冷却。该技术可作为本发明技术的参考内容。

2021.9《化工管理》中刊登了“冷轧不锈钢退火酸洗线的几种工艺”，文章中介绍目前行业中主要采用氢气作为保护气体，由于氢气是一种强还原剂，故在冷轧不锈钢退火处理时，炉内的保护气体越纯、浓度越高，退火后的带钢表面也就越清洁光亮。但由于氢气的易爆炸，目前行业中普遍采取氨分解气，导致了保护气体在纯度上的可变因素较大，这就需要在设备的设计和使用过程中更多去从气密性上控制，确保保护气体的浓度达到要求，达到再结晶光亮退火的目的。但是对于氨分解气的使用设备仅仅局限于退火炉，成本较高，周期较长。

发明内容

发明目的：

提供一种多段加热、阻氧、环保、内在质量和外观质量都能够提高的不锈钢拉丝机分级加热退火阻氧系统。

技术方案：

本发明的不锈钢拉丝机分级加热退火阻氧系统，具有多根平行设置的不锈钢丝，按照行走路线，每根不锈钢丝依次穿过各自的烘箱管段、裸露段、进丝管段、退火炉管段、冷却管段、出丝管段。

进丝管段、退火炉管段、冷却管段、出丝管段为相互连通连续的管路。

另外，在冷却管段与退火炉管段之间连接有还原性气体管路（还原性气体管路通过流量阀控制流量或压力，保证压力大于大气压，便于逆向流动）。

在冷却管段与退火炉管段之间连接有高于大气压的还原性气体管路，还原性气体为与不锈钢丝的行走方向逆向流动，使得不锈钢丝在退火温度热处理过程中同时被氢化热处理，还原性气体然后从进丝管段与裸露段连接处的敞口处流出。

出丝管段的出口处为束口（基本密闭，进丝管尾端的管径逐渐缩小至不锈钢丝直径略大的尺寸，并且在尾端的内部设置有阻气堵料；只能供不锈钢丝传出，不能供还原性气体流出）。

使得保护性气体只能朝向进丝管段方向流出，不能朝向出丝管段流出。

所述的还原性气体为氨气分解炉分解的氢气和氮气，氮气是惰性气体（氢气和氮气无需分离，在退火炉管段，其分解后不具有再次合成为氨气的条件），可以保护不锈钢丝。或者，还原性气体为比较纯净（纯度高也不易爆炸）的烷烃气体（燃烧值较高，安全性优于氢气，而且化学性质比较稳定，没有烯、炔类活泼）；优选烷烃气体为丁烷，丁烷的燃烧值高于其他常见还原气体（氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙稀、丁烯、乙炔。戊烷燃烧值虽高于丁烷，但常温为液体，不能作为还原性的保护性气体，所以不予考虑），远高于氢气，其瞬间燃烧产生的热量能够使得不锈钢丝在下述第二次加热过程中快速升温150-350℃。还原性气体与空气接触时能够被点燃燃烧，给予出丝管段加热，传热给不锈钢丝。

上述还原性气体，在退火管段中的高温，可以给予不锈钢丝表面渗氢，在其内部退火热处理的同时，进行表面氢化处理。

同时逆向行走后排出的高于大气压的还原性气体，能够阻止大气中的氧气从敞口处进入进丝钢管内部，保证其中的被加热到较高温度的不锈钢丝不会接触氧气被氧化，还原性气体逆行阻挡氧气进入，同时氧气被氢气燃烧消耗，进一步确保不锈钢丝在进丝管中不会被氧化。

保护性还原气氛（氢气或烷烃气体）在惰性气氛（氮气）保护或者纯度较高时，也可以不需要惰性气体保护，不爆炸不氧化。

氢气或烷烃气体燃烧加热产生的水蒸气和氮气可以直接排空，或者其中的热量可以会用于烘箱中预热。

所述的烘箱管段预置并穿越于烘箱中，烘箱中的高温烟气给烘箱管段预热，并将其管壁的热量传递给在烘箱管段中行走的不锈钢丝，使得不锈钢丝被第一次加热（温度为100-150℃），表面的水汽被烘干，同时不锈钢丝不接触烘箱中的腐蚀性烟气。

裸露段为较短的一段，使得不锈钢丝被第一次加热产生的水汽散发到大气中，而且由于第一次预热的温度较低，不锈钢丝不会被周围空气中的氧气所氧化。

进丝钢管的直径约为不锈钢丝直径的5-12倍，优选为5-6倍（太小时还原性气体的量较小，燃烧产生的热量不够；太大时，需要燃烧气体的量过大，资源消耗较多，而且容易产生回火，影响系统安全；而且燃烧的温度过高，不利于分阶段加热使得不锈钢丝的金相组织趋于合理）。

还原性气体排出，在出气孔处被点燃，与空气中的氧气反应，产生热量，使得不锈钢丝被第二次加热，给予不锈钢丝在线的瞬间加热升至退火需要的第二阶段温度（控制还原性气体的气压为2-10atm、不锈钢丝的直径1-2.5mm、不锈钢丝行走的速度1-5米/秒，通过还原性气体的数量和燃烧值，以及不锈钢丝的比热单位时间行走的质量等参数，结合不锈钢丝在烘箱管道中被预热的温度，就可以计算控制不锈钢丝被第二次加热升温100-400℃，达到温度200-550℃）。

由于焊接用不锈钢丝经过粗拉以后的不锈钢丝的直径已经比较细（第二次加热退火的温度更容易精确控制），其经过氢气或烷烃气体燃烧瞬间（在进丝管中行走的时间）所产生温度可以减少在退火炉中加热需要的时间和热量，减少了生产周期。

不锈钢丝继续在退火炉管段行走，被退火炉中的燃料（如煤气或天然气与空气的混合气体）从退火炉钢管外进行加热（第三次加热），使得行经其中的不锈钢丝继续升温至1000-1100℃，达到不锈钢丝退火所需要的最高温度，实现退火过程。

然后，不锈钢丝行经设置在冷却池中（其中储放有大量的水溶液）的冷却管段，被快速冷却降温至常温。最后，从出丝管段的出口引出。

退火炉中煤气或天然气燃烧产生的废气通过废气管反流到烘箱中，其中残余的热量用于给烘箱中的烘箱管段预热（不直接接触不锈钢丝，避免不锈钢丝被高温废气腐蚀），进而使得在烘箱管段中行走的不锈钢丝被预热（第一次加热）达到一定的初始温度；再接受后续第二次和第三次加热的热量，热量叠加使得不锈钢丝达到退火需要的高温，废热充分利用，减少氢气（氨气）或烷烃类气体的消耗，经过烘箱中余热利用后的烟气从烘箱上方的排气管直接排空，可减少废热的排放，基本不影响车间的环境温度。

有益效果：

本发明的不锈钢丝退火加热分为三阶段：（1）烘箱预热烘箱管段第一次加热，使得不锈钢丝在前面工序的清洗中的水分蒸发；（2）裸露段与进丝管段敞口处，点燃管内从出气孔出来的还原性气体后加热，不锈钢丝第二次加热；（3）退火炉钢段加热，通过煤气等燃料在管子下方加热，传热到其内部的不锈钢丝，使得加热温度达到1000-1100℃。

三级加热，使得温度逐级提升，退火后的不锈钢丝的金相组织更好，便于进行后续的精细拉丝过程（能够再次拉丝为直径0.3mm-1.2mm，尤其达到0.3-0.6mm），传统退火工艺不能拉丝到如此细小的直径。

本发明中，不采用价格较高体积较大（放置钢丝卷）的退火炉，而是采用一根根独立的进丝管和退火炉钢管代替退火炉炉膛，减少设备投入费用。

退火后的不锈钢丝行走到冷却管段浸渍在冷却池的水溶液中（不是空冷或者惰性气体冷却），减少冷却消耗的时间和热源，使得拉丝生产能够不停顿地连续进行，燃料成本较低。

本发明的不锈钢丝退火系统设备，结构简单，设计巧妙，使用成本低。拉丝生产效率高，安全可靠，节能环保。

氨气分解气中的氢气或烷烃气体具有四种用途：燃烧产生退火需要的高温；维持进丝管中还原气氛；消耗敞口处的氧气，并隔绝氧气进入高温的退火管段，避免对不锈钢丝的氧化腐蚀；形成水蒸气或及二氧化碳可以直接排放到大气中，没有环境污染。

而退火炉中燃气产生的热源二次利用，进一步节约燃料消耗，减少热量排放。冷却水溶液不与不锈钢丝直接接触，不易污染成品，也不易泄漏保证车间良好的生产环境。

附图说明

图1是本发明的一种系统立体结构示意图；

图2是在本发明的一种钢丝在几个管段中的剖面结构示意图。

图中，1-钢丝；2-烘箱；3-裸露段；6-出丝管段；8-还原气体管；9-退火炉管段；10-进丝管段；11-排气管；12-出气孔；13-废气管；14-煤气管；15-空气管；16-堵料；20-火苗；22-烘箱管段。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示的不锈钢拉丝机分级加热退火阻氧系统，具有多根平行设置的不锈钢丝1，按照行走路线，每根不锈钢丝1依次穿过各自的烘箱管段22、裸露段3、进丝管段10、退火炉管段9、冷却管段、出丝管段6。

进丝管段10、退火炉管段9、冷却管段、出丝管段6为相互连通的管路。

在冷却管段与退火炉管段9之间连接有还原性气体氢气的管路8，进丝管段10的入口处为具有供还原性气体流出敞口，供还原性气体排出，并与空气中的氧气反应，在出气孔12处被点燃产生热量，给予管壁加热，使得不锈钢丝1被第二次加热，给予不锈钢丝1在线的瞬间加热升至退火需要的第二阶段温度。氢气燃烧产生水汽直接排空，没有污染。

出丝管段6的出口处为束口，只能供不锈钢丝1传出，不能供还原性气体流出。

实施例二：

如图2所示，

在实施例一中，第二次加热使用的还原气体换成正丁烷。

通过控制钢丝1行走速度、进丝管10的直径数据、钢丝1直径数据、丁烷气体的压力或流量等参数，可以控制钢丝三段被逐段加热，最后的温度达到退火所需要的温度。

正丁烷燃烧时产生的热量计算公式：Q=Cm1ΔT=m2q（或者V2q，视q单位而定）。

其中C为不锈钢丝1的比热460J/kg*℃，m1为进丝管段10长度内行走的不锈钢丝1及可折算部分管壁的质量，ΔT为第二段加热不锈钢丝1提升的温度；m2为进丝管段10长度内流出的正丁烷气体的质量，V2为正丁烷气体的体积，q为正丁烷的燃烧值。

进丝钢管的内径约为6-10mm（壁厚0.4-0.6mm），进丝管段10长度100-200mm，正丁烷气体的气压为2-5atm（常温时的压力）、不锈钢丝1的直径1.0-1.5mm、不锈钢丝1行走的速度1-3米/秒，通过还原性气体以及不锈钢丝1的各种参数、传热效率、进丝管段10管壁持续被加热（有部分热流散失，可假1/3的管壁需要持续加热升温，其余管壁为基本恒温）以及其热量散失等因素。

再应用气体的德拉克龙方程PV=nRT，就可以近似计算不锈钢丝1被第二次加热升温150-250℃。

加上第一次预热后的温度，在进丝管段10的不锈钢丝1温度达到200-400℃，在第三段的退火加热只需要升温600-800℃，即可达到退火需要的温度1000-1100℃，第三次加热需要消耗的燃气得以节约。

而且，分段加热，使得不锈钢丝1的金相组织得以优化，晶粒较细，排列均匀，冷却后可以再进行细拉丝，拉丝的直径可以达到0.4-0.6mm左右。