浅谈冷轧硅钢连续退火炉的设计及应用

一、引言：退火炉在硅钢生产中的核心价值

冷轧硅钢作为电力设备的 “心脏材料”，其磁性能（铁损、磁感应强度）、力学性能与表面质量直接决定电机、变压器的能效与可靠性。冷轧过程中产生的加工硬化（晶粒破碎、位错密度增加）与内应力，需通过连续退火炉的精准热处理消除 —— 退火炉通过控制加热、均热、冷却全流程，实现晶粒再结晶与均匀长大，同时完成脱碳、渗氮等关键工艺，是硅钢性能调控的核心装备。相较于传统罩式退火，连续退火炉具有生产效率高（设计产能可达 20 万吨 / 年）、性能稳定性强、能耗可控性好等优势，已成为高端冷轧硅钢生产的主流选择。

二、冷轧硅钢连续退火炉的设计核心
（一）总体结构设计：适配硅钢工艺特性
主流卧式连续退火炉采用密闭式结构，按功能划分为七大核心单元，形成 “密封 - 加热 - 均热 - 冷却 - 再密封” 的闭环系统，具体结构如下：
1.密封室：含入口 / 出口双重密封，采用氮氢混合气隔离外界空气，控制炉内氧含量≤2.0%，避免硅钢氧化与碳套辊损耗；
2.辐射管加热段（RTF）：作为核心加热单元，采用 “W” 型煤气辐射管或电磁感应加热装置，分多段精确控温（如 13 段分区控制），炉温最高可达 1150℃，满足高牌号硅钢的超高温退火需求；
3.均热段（SF）：通过电加热带实现 ±5℃的恒温控制，确保带钢在目标温度下保持足够停留时间，促进晶粒均匀长大，为磁性能提升奠定基础；
4.隔离器（SEP）：采用气氛隔离技术，实现加热段与冷却段的环境分隔，避免不同工艺氛围的相互干扰；
5.冷却段：组合冷却管段（CTF）与循环气体喷淋冷却段（RJC），对高牌号硅钢采用缓慢冷却控制速率，对普通牌号则通过脉冲喷雾冷却提升效率，冷却均匀性可达 ±5℃；
6.气浮输送系统：部分高端机组采用气浮式带钢传送装置，通过喷嘴气流托起带钢，替代传统炉底辊，彻底解决辊面结瘤导致的表面缺陷问题；
7.气氛调控单元：配置加湿、渗氮等子系统，可将保护气露点控制在 - 50~95℃，并通过氨气喷管精准控制渗氮浓度，满足取向硅钢的抑制剂形成需求。
（二）关键技术设计：平衡性能与效率

（一）加热技术优化
1.超高温辐射管：采用 L 行程双级换热结构与烟气卷吸回流装置，燃烧效率提升 8%，NOx 排放降至 120ppm 以下，空气预热温度可达 500℃以上，适配武钢 CP5、太钢 CP2 等高端机组；
2.电磁感应加热：加热速率为传统方式的 3 倍，通过非接触加热实现无表面污染，显著提升取向硅钢的 Goss 方位取向度，助力太钢高牌号无取向硅钢一次性试产成功。
（二）冷却系统设计
1.脉冲喷雾冷却：创造性采用脉冲控制模式，冷却能力提升 10%，雾化粒径≤100μm，气水比≤5，可将带钢板形控制在边浪≤2%、平直度≤50I 的高标准；
2.间接冷却管：U 型冷却管与电阻带协同控制，在保证冷却速率的同时维持带钢板形，尤其适用于 0.35mm 以下薄规格硅钢的处理。
（三）智能控制设计
1.退火数学模型：通过板温实时监测与动态参数调整，为基础自动化系统提供稳态与过渡状态的精准设定值，覆盖炉温、空燃比、带钢速度等关键参数，已在武钢、太钢多机组应用；
2.全流程监控：对碳套辊运行状态、炉内氧含量、冷却水温等 20 余项指标实时追踪，异常时自动触发氮气吹扫、紧急降温等预案。
（三）针对性设计：适配不同硅钢类型

三、连续退火炉的工业应用实践
（一）典型应用案例
安钢冷轧退火 - 涂层机组
1.设备配置：中冶南方设计的卧式连续退火炉，含 13 段辐射管加热、7 段均热控制，配套碱液清洗与绝缘涂层系统；

2.生产能力：年产能 20 万吨，覆盖高中低牌号无取向硅钢，产品用于高效电动机铁芯；

3.核心成效：通过优化碳套装配规范与炉温匹配，将带钢表面凹坑缺陷率降低 40%，一级品率提升至 92%。

太钢酸轧硅钢机组

1.设备配置：中冶南方威仕热工电磁感应加热退火炉，集成脉冲喷雾冷却与退火数学模型；

2.生产能力：专注高牌号无取向硅钢，磁性能达 P1.5/50≤2.5W/kg，B50≥1.78T；

3.核心成效：加热效率提升 30%，吨钢能耗降低 12kg 标准煤，一次性通过高牌号硅钢连续试运行。

武钢 HiB 硅钢改造项目（CA7/8 机组）
1.设备配置：升级渗氮系统与气氛隔离装置，采用燃气红外干燥技术；

2.生产能力：HiB 取向硅钢产能提升至 15 万吨 / 年，铁损 P1.7/50≤1.0W/kg；

3.核心成效：NOx 排放降至传统工艺的 30% 以下，涂层干燥时间缩短 20%。

（二）应用中的核心问题与解决路径
碳套辊损耗与结瘤问题

1.成因：高温下带钢边部摩擦、炉内氧化气氛侵蚀、停机变形导致碳套损坏，结瘤可造成带钢表面凹坑缺陷；

2.对策：采用渗铬处理碳套（填充氧化铬封闭孔隙），加强炉内氧含量监控（≤1.5%），推行在线激光清理辊面结瘤技术，使碳套更换周期延长至原来的 1.5 倍。

磁性能波动问题

1.成因：退火温度与带钢速度匹配失衡、渗氮浓度不稳定、冷却速率偏差；

2.对策：通过退火数学模型动态调整工艺参数，配置激光在线测厚与磁性能检测装置，将铁损波动范围控制在 ±0.05W/kg 内。

能耗偏高问题

1.成因：加热段热损失大、冷却系统水耗高、气氛循环效率低；

2.对策：采用烟气余热回收换热器（预热空气温度≥450℃），推广脉冲喷雾冷却替代连续冷却，实现吨钢煤气消耗降低 8%~10%。
四、发展趋势与展望
（一）技术升级方向
1.极致能效设计：开发 1200℃以上超高温加热技术，结合全热回收系统，目标将单位能耗再降 15%；

2.智能化升级：引入 AI 视觉识别监测带钢表面质量，通过数字孪生模拟退火全过程，实现工艺参数的预测性优化；

3.绿色生产：推广全氢气氛退火（替代氮氢混合气），结合光伏供电系统，打造 “零排放” 退火单元。

（二）国产替代与技术突破
我国已在硅钢退火炉领域形成 40 余项核心专利，中冶南方等企业的装备已实现对武钢、太钢等高端机组的全覆盖，打破了日本 JFE 的技术垄断。未来需重点突破薄规格（0.15mm 以下）硅钢的气浮输送技术与超低温露点（≤-60℃）气氛控制技术，进一步缩小与国际顶尖水平的差距。

五、结语
冷轧硅钢连续退火炉的设计需围绕 “性能精准调控、效率提升、成本优化” 三大核心目标，通过加热 - 冷却 - 气氛系统的协同设计与智能控制技术的深度应用，实现硅钢磁性能与生产经济性的平衡。从安钢的基础产能保障到太钢的高端产品突破，国内退火炉技术已完成从 “跟跑” 到 “并跑” 的跨越，未来随着绿色化、智能化技术的融合，将为我国硅钢产业的高质量发展提供核心装备支撑。