一、研究的背景与问题

不锈钢盘圆作为制造抗腐蚀、抗氧化以及高强度连接件的关键材料，在航空航天、电子军工以及海洋工程等高端装备领域发挥着至关重要的功能。据权威统计数据显示，截至2024年我国不锈钢产量已攀升至3944万吨，占全球总产量的比重约为 64.7%。其中，不锈钢盘圆约占总产量的10%。伴随着我国航空航天、电子军工以及海洋工程等领域的高速发展，高端、高强不锈钢线棒材的市场需求量呈现出大幅增长态势，这也直接带动了包括不锈钢盘圆罩式炉机组在内的不锈钢产线进行扩大规模或升级改造。

现阶段，针对不锈钢大盘圆罩式炉的研究多聚焦于生产工艺层面，诸如轧制工艺、退火温度、退火时间等要素对产品性能所产生的影响，没有涉及退火炉装备及控制系统的相关技术研究。因此，当前不锈钢大盘圆罩式炉存在如下几方面弊端：

1、机组装炉量有限、炉温控制精度欠佳、炉群智能化管控程度严重不足，难以满足不锈钢盘圆产品稳定、高效且智能化的生产要求。

2、退火气氛在盘圆间隙中无序流动，致使料架顶部与底部的盘圆受热不均，极大地影响了产品的稳定性。且市面上缺乏适配高装炉量需求的罩式炉循环风机和炉台顶部扩散器装备，导致装备使用寿命短暂。

3、罩式炉炉群的管控工作全部依赖人工经验，完全忽视了整体产线不同生产模块之间的协同配合以及进程的可视化管理，造成车间生产效率低下。

二、解决问题的思路与技术方案

 图1 项目总体技术路线图

基于以上难题，本项目自2011年立项以来，以“不锈钢大盘圆罩式炉关键技术及装备开发”为主题，通过开发不锈钢盘大圆罩式炉的关键加热装备及控制系统、研制罩式炉炉台的关键设备、创新性地提出不锈钢大盘圆罩式炉炉群热处理过程管控方法，进而构建形成一套完备的不锈钢大盘圆罩式炉关键技术及装备体系，以此满足了不锈钢盘圆产品稳定、高效、智能的生产需求，广泛应用于航空航天等重点工程。

三、主要创新性成果

1、创新研发高效传热的大盘圆罩式炉关键加热装备及控制系统，在保证产品性能前提下，实现罩式炉装炉量由28t提升至36t，达到国际领先水平。

（1）开发了采用旋流片导流筒结构的双层内罩，抑制内罩气流紊乱流动，强化罩顶盘圆对流传热，综合传热系数提升7%，达到国际领先水平。

 图2 旋流片导流筒内罩(a)内罩中气体速度云图(b)内罩中温度分布云图(c)传统内罩中温度分布云图(d)内外罩夹层气体速度分布云图(e)无旋流片导流筒内外罩夹层速度分布云图

（2）开发了采用高旋流多角度交叉混合空燃气配风结构的高速燃烧器，提升火焰稳定性；针对狭小燃烧环境开发的高速燃烧器火焰直径小于150mm，火焰长度小于300mm，调节比1:6。

 图3 高速燃烧器(a)结构示意图(b)中心面温度分布云图

（3）开发了罩式炉高精度工艺自动控制系统，采用PID调节结合模糊控制方法，实现炉内精准控温（±2℃）。

2、创新研发耐交变应力的大盘圆罩式炉炉台关键设备，实现了罩式炉关键设备的技术创新和自主制造，为罩式炉高效化和产业化发展提供了保障。

（1）开发了强度高、流量大且耐高温的循环风机，研制了双弧线大直径风机叶片，并提出一系列叶片、轮毂等关键结构的应力消除手段，实现循环气体流量100000m^3/h、高温叶轮运行温度850℃，风机生产成本降低15%；

（2）开发了环形辐射网状支撑结构的低应力长寿命炉台顶部扩散器，解决了热应力分布不均的难题，同时制造成本降低约30%。

图4 高强度大流量循环风机热应力分布云图 图5 炉台顶部扩散器热应力分布云图(a) 环形辐射网状扩散器 (b) 蜂窝网状扩散器

3、创新提出盘圆罩式炉炉群热处理过程管控方法。

（1）开发盘圆罩式炉热过程数学模型，满足工程所需的计算精度与实时性要求；开发盘圆堆垛优化数学模型，提出一种混合遗传算法，可将工艺相近的盘圆堆垛组合排产，实现盘圆退火质量、产能及生产效率最优化；

（2）开发罩式炉群生产优化调度模型，提出一种自适应遗传算法，实现生产过程中资源利用率最大化及总完工时间最小化；

（3）建立炉群智慧集控一体化平台，并结合多种数学模型，提高炉群生产效率和产品品质。

图6 罩式炉群生产优化调度模型

项目成果授权发明专利8件，授权软件著作权2项，授权实用新型专利2项，发表论文5篇。

四、应用情况与效果

本项目成果将不锈钢大盘圆罩式炉的装炉量提升28%，燃气消耗量降低8%，引领了不锈钢盘圆罩式炉向高效化、绿色化、智能化发展，提升了国产化大型冶金设备的国际竞争力。2023年10月，中冶集团组织鉴定委员会对该成果进行鉴定，认定达到“国际领先水平”。

本项目成果相继应用于攀长特钢、吴航不锈钢、浙江瑞浦、福建青拓等、鞍钢联众、广西钢铁等企业，近3年取得直接经济效益约人民币24.5亿元。应用本项目成果建设的不锈钢大盘圆罩式炉，单台套投资成本仅为同类国外引进设备的一半左右，已推广应用的项目为国家节省人民币3亿元。目前，中冶南方热工公司在不锈钢大盘圆罩式炉市场的占有率超过85%。

我国在航空航天、电子军工以及海洋工程等领域的高速发展带动了高端高强不锈钢线棒材的需求，用于不锈钢盘圆退火的罩式炉机组市场空间巨大。本项目成果在性能、成本和服务上具有明显优势，市场前景可期。

信息来源：中冶南方（武汉）热工有限公司