全氫罩式爐的發展與現狀

隨著我國汽車、家電、建筑裝飾、食品等行業的發展，對熱軋薄板、冷軋薄板、鍍鋅板、鍍錫板、不銹鋼板、

冷軋硅鋼片等高質量、高附加值產品需求量越來越大。2004年，我國共生產冷軋板材1246萬t，冷軋板的自給

率從2003年的66％上升到2004年的70％；2005年，我國冷軋板材產量繼續增長，達到1567萬t。冷軋板卷

罩式退火爐用于冷軋板卷成品前的再結晶退火，使鋼板達到要求的顯微組織結構、機械性能和工藝性能指

標。罩式爐是冷軋退火的重要爐型之一，我國自2O世紀5O年代引進罩式爐，現已被廣泛使用。近年來，我國

罩式爐引進數量迅速增長，從2003—2005年3年間，共237臺。

1、罩式爐結構的演變

    罩式爐最初用于銅合金的退火，以后才被用于冷軋鋼板的退火。當時退火用的保護介質是氮氫混合氣

體，但傳統罩式爐有退火時間長、生產效率低、產品質量差等缺點。在結構上，內罩為光壁式，冷卻為自然冷卻，后來開發74功率風機作為冷卻的主要設備，但是功率太小，退火時間很難縮短。2O世紀7O年代初奧地

利EBNER公司開發了高對流全氫罩式退火爐(HICON／H2)，20世紀8O年代后被大量用于冷軋板卷的光亮退火。德國LOI公司也開發了以強對流和全氫氣為特色的HPH(High Performance Hydrogen)罩式爐。這兩種

罩式爐對傳統罩式爐結構進行了很大的改進和完善，主要表現在以下幾個方面：

     (1)加熱罩的改進。傳統罩式爐加熱罩上的燒嘴是徑向布置，很容易燒壞內罩?，F在加熱燒嘴切向布置，上下兩排或上中下三排；每個燒嘴都裝有電磁點火裝置和紫外線火焰監測器，當燃燒達到一定程度時關閉上排燒嘴，熱量僅由下排供給。這改善了加熱的均勻性，有利于防止鋼卷的局部過熱，提高鋼卷的成品質量。

     (2)內罩結構的改進。原來內罩為光壁式，現今的主要有光面和波紋型兩種。孫大山、趙榮國等人對波紋型內罩和光面內罩進行了對比研究，指出波紋型內罩可以縮短加熱時間、提高生產能力、延長內罩壽命，同時還有利于提高產品質量。張海濤、張杰等人對內罩的結構進行了研究，提出一種更為有效的內罩結構一網格型結構。研究表明，此結構可以提高內罩的縱向剛度、換熱效率和使用壽命，以及罩式爐的生產能力。

     (3)冷卻系統的改進。以往鋼卷冷卻方式為自然冷卻，后來開發了小功率風機為主冷卻系統，臺罩比很大，一般在(3～4)：1，爐子的產能很低，退火時間長。早期冷卻系統是在罩式爐上加專用的冷卻罩，冷卻罩頂部有強化對流換熱的冷卻風機，降低了臺罩比；后來增大了風機葉輪的直徑，采用了變頻電動機。這樣增大了循環量、提高了流速，有利于傳熱和節省退火時間。此后，又出現了快速冷卻系統?？焖倮鋮s系統能很快地降低鋼卷溫度，降低臺罩比，節省退火時間，降低能源消耗，同時提高產能。各冷卻系統比較而言，風冷一水冷和噴淋冷卻比全流冷卻和分流冷卻的冷卻時間短，冷卻效率高；全流冷卻系統和分流冷卻系統結構復雜，維護困難，風冷一水冷系統和噴淋冷卻系統結構相對簡單，易于維護，所以風冷一水冷系統和噴淋冷卻系統都是目前罩式爐主要的冷卻系統之一

2、罩式爐控制系統現狀

   罩式爐的控制系統主要在安全控制和系統控制兩個方面得到了發展。

2.1安全控制

   傳統罩式爐用氮氫混合氣體作為保護介質，氫氣相對于氮氣具有導熱性好、密度小、動力粘度小、還原性強等優點，逐漸代替了傳統氦氫混合氣體作為保護氣體。同時，它對罩式爐安全控制提出了更加嚴格的要求。

   首先，保護罩和爐臺的金屬外殼全部經過x射線探傷，嚴格保證各設備加工質量。其次，在退火周期開

始時，對所有的儀表、開關位置進行檢查，使它們置于正確的設定位置。將內罩扣在準備好的爐臺上后，進行氫氣入口閥門的泄漏檢測，然后進行爐臺空間泄漏測試，以確保爐臺、內罩系統完全密封；同時還對煤氣主開閉器、氫氣主開閉器各進行一次嚴密性試驗。泄漏測試合格后，用氮氣對爐內空間進行吹掃。氮氣吹掃必須滿足3個條件才能結束：一定的氮氣吹掃量；最小的氮氣吹掃時間；氧氣含量小于1％。此外，還有安全連鎖保障。當氫氣過壓時，控制系統自動打開出口閥降壓。為了避免產生錯誤信號，每次吹掃前，氧探頭必須對空氣中氧含量進行測量并記錄。當氫氣壓力不足或氫氣中氧氣含量超標時，系統自動啟動緊急氮氣清洗?？刂葡到y同時還裝有手動緊急清洗按鈕。

2.2系統控制

    隨著控制理論和計算機技術的發展，罩式爐系統控制經歷了計算機監視、設定值控制、直接數字控制到

目前普遍采用的集散式控制系統，現在正在向全面整合、全數字化解決方案發展。

    罩式爐的控制系統由3級構成：第1級一爐臺控制單元(BCU)價質控制單元(MCU)；第2級一過程控制系統(SCC)；第3級一主計算機系統。每個爐臺上的爐臺控制單元(Base Control Unit，簡稱BCU)與監控計算機(Supervisory Control Computer，簡稱scc)相連，一個退火車間可以有數個BCU和1臺SCC相連。主計算機系統由系統服務器、數據庫服務器、操作終端、打印機通過以太網構成，主要實現處理退火計劃，計算退火參數，監控每一個爐臺的退火狀態，報表生成及打印等功能，見圖I。

    罩式爐監控的上位機軟件采用退火模板，格式為EXCEL，可以方便地進行編程和調整。2004年以后退火模板為嵌入式殼式模型，不能直觀地看到模板的內容，較好地保護了知識產權。

    可見，罩式爐的控制有合理科學的安全控制和最新科技作為依靠的系統控制，保證了罩式爐的安全生產，同時提高了罩式爐的生產效率和產品的質量。

3、罩式爐退火傳熱模型研究現狀

    很多學者對鋼卷在罩式爐中的退火過程進行了研究，主要包括鋼卷傳熱模型的基本熱工參數和鋼卷傳熱模型的模擬。

3.1 徑向導熱系數和邊界熱流

    鋼卷的徑向導熱系數和邊界熱流對導熱模型的準確性影響很大。殷曉靜和Degiovanni A提出了同心圓柱套筒相互接觸的粗糙單元體的三維穩態傳熱數學模型，根據這個模型將兩個曲面間的接觸熱阻表達為3個特殊熱阻的傳熱網絡(見圖2)；并得到了數學解析方法和非接觸面上一維熱量傳遞的接觸熱阻解析表達式。在此基礎上分析了單元體尺寸和形狀對收縮熱阻的影響；給出了收縮函數的極限表達式，同時討論了熱物性參數和接觸面上的壓力對接觸熱阻的影響。石京等人著重論述了鋼卷溫度場模擬的原理及實現手段，分析了各鋼

卷溫度場的差異，退火時間的長短，過熱現象產生的原因，并把鋼卷的徑向導熱分析為如圖3所示。

     Seong—Jun PARK等人綜合考慮了鋼卷表面和徑向熱應力對等效導熱系數的影響，建立了新的單元層熱阻模型(見圖4，5)和鋼卷等效導熱系數模型。鋼卷等效導熱系數模型綜合考慮了帶鋼的厚度、表面特性、溫度以及壓縮應力；通過有限元法對模型進行計算，并把冷卻過程的計算結果與實驗數據進行對比，驗證其準確性，同時還討論了壓應力與導熱系數之間的關系。該模型考慮了氧化層的影響。

    Y J Jung，G T lee和c G Kang從壓應力的角度出發，建立起有，無突起鋼卷應力模型，結合等效導熱系數的概念，研究了兩個模型預測熱變形的準確性。采用有限差分法分析了鋼卷徑向導熱，指出導熱系數的準確性取決于壓應力。把兩個模型的模擬結果和實驗數據進行對比，有突起鋼卷應力模型更為準確。

    左焱，張欣欣等人從徑向等效導熱系數和總對流換熱系數人手。利用氮氣和氫氣物性參數的不同，對總對流換熱系數進行討論，總結了氫氣比氮氣優越的原因[131。他們還研究了對流換熱系數和鋼卷徑向等效導熱系數，使用網絡圖法推導出了徑向等效導熱系數的計算公式，并分析了單元體平均溫度和鋼卷張力對徑向熱阻的影響。

    楊建平、祁衛東、陳光等人研究了鋼卷傳熱模型計算過程中忽略輻射換熱是否合理的問題；通過對流換熱熱流密度與輻射熱流密度的對比，討論了影響對流與輻射的因素，考慮了各個因素隨溫度變化的趨 峋。認為在罩式爐整個加熱過程中，忽略輻射換熱基本是正確的，但是不夠精確，尤其是在退火階段的后期，保溫時間越長，輻射作用越重要。

   在傳熱模型的研究中，諸學者對鋼卷在罩式爐中退火的傳熱機理認識不斷深入，對熱阻的分析和對流換熱系數等熱工參數的研究日趨完善。這為建立準確的模型提供了依據。

3．2鋼卷傳熱模型模擬

    傳熱模型的應用主要是通過模擬溫度場來預測熱點、冷點、加熱時間和退火時間。由熱應力原理，得到

卷應力場，預測發生粘結的位置和時間。

 溫度場模擬是分析退火時間等問題的前提，目前，不少學者通過不同的方法獲得了準確合理的數學模型。左娥等人通過詳細分析鋼卷退火熱過程，給出了鋼卷的傳熱模型，以及罩式爐各個部分的傳熱代數表達式；模擬了不同鋼種、不同裝爐量條件下的溫度 朔。

    武文斐、張欣欣等人通過分析相鄰帶鋼板接觸面上的傳熱機理，得到由多層接觸鋼板組成的非連續介質

網格的熱阻和導熱系數計算模型，同時給出了非連續界面上導熱系數的求解方法【181。通過分析罩式退火爐中鋼卷與內罩及保護性氣體之間的換熱，建立罩式退火爐中鋼卷的傳熱數學模型，結合低碳鋼的退火過程。求解并分析了爐內底部鋼卷的溫度分布。

   顧明言、陳光等人使用大量生產數據改進傳熱模型，得到一個合理有效的鋼卷退火傳熱模型，通過回歸

分析得到徑向等效導熱系數的表達式和總氣體循環流量表達式；并用該模型來預測溫度場。

    通過溫度場的模擬可以預測冷點/熱點位置和溫度。莫春立、詹志東等人模擬了冷軋鋼卷在全氫爐中退

火過程的溫度變化以及鋼卷冷點與熱點溫度的變化規律。

    Rovito A J，Aiello W M和Voss G F利用一個在線模型來預測和控制鋼卷冷點溫度，使得兩鋼卷平均冷

點溫度預測誤差為一0.45℃，三鋼卷平均冷點溫度預測誤差為2.16℃，拉伸質量標準偏差明顯降低。

   許多學者根據溫度場和應力場的耦合關系，通過求解來預測鋼卷粘結發生的時間和位置，為工藝中預防

粘結的發生提供了理論依據。

    江波、姜澤毅和張欣欣建立了鋼卷在全氫罩式爐中退火過程的傳熱模型和熱應力模型，利用溫度場和熱

應力場的耦合關系，求解了溫度場和熱應力場，并把結果和實際情況進行了比較，證明了模型準確性 。

    孫金紅等研究了帶鋼鋼卷表面和循環介質之間的對流換熱；建立了鋼卷導熱的柱坐標數學模型，通過分

析簡化成二維模型，并求出了解析解，由求解的溫度場結果得到鋼卷內部的熱應力，預測了鋼卷粘結發生的

時間和位置。

   退火時間的研究主要是退火時間影響因素的研究，為縮短退火時間提供依據。林林、張欣欣等人建立了

全氫爐退火過程的數學模型，利用實測數據對模型進行了驗證，通過對退火過程進行數值分析，得到了循環風量對退火時間影響的規律：循環風量增加總退火時間縮短，但兩者之間不存在簡單的比例關系 。當循環風量增大到一定值時，退火時間縮短的程度大大下降。

   陳光、張麗徽等人針對寶鋼HPH罩式爐運行中變化的生產要素，全面討論徑向等效導熱系數、鋼卷尺寸參數、循環氣體的流量和溫度變化對鋼卷加熱時間的影響規律圓。指出鋼卷退火加熱時間與徑向等效導熱系數成反比，與鋼卷的外徑和高度成正比，與循環氣體流量和溫度成反比。

   劉全利，戰洪仁等人根據罩式爐退火工藝的特點，將退火冷卻時間預測的多人單出建模問題簡化為單人

單出建模問題，采用模糊c均值聚類方法對退火生產數據進行聚類分析，基于聚類點進行指數最小二乘回歸

來得到各個單人單出模型的系數。

    綜上所述，罩式爐退火的傳熱模型研究已經取得了積極進展。殷曉靜、Seong—Jun Park、石京等對鋼卷在罩式爐退火過程中的導熱熱阻作了深入研究，分析了熱阻的影響因素，為合理確定導熱系數提供了基礎。張欣欣、左娥等建立了鋼卷等效導熱系數模型，綜合考慮了溫度、壓力等因素對它的影響。陳光等對整個退火過程中的對流換熱與輻射換熱進行了對比研究。左娥、江波、顧明言等建立了模型并模擬了溫度場，準確性好；孫金紅等研究了溫度場和應力場的耦合，預測了鋼卷發生粘結的時間和位置；莫春立等研究了鋼卷的加熱退火時間，分析了影響它的因素和規律。

    國內外學者在鋼卷的傳熱模型、熱阻以及徑向等效導熱系數等方面基本取得了共識，并且研究得相當深

入。但是當前研究沒有充分考慮加熱罩的加熱對爐氣、循環氣體以及鋼卷內部溫度場的影響，特別是爐內熱

態流場問題還有待于進一步深入研究。此外，目前建立的模型針對性較強，普適性還需進一步拓展。

4、結 論

    罩式爐的發展經歷了結構上的改進、控制水平的提高、傳熱模型的完善以及技術手段的進步。

    在結構上，罩式爐的加熱燒嘴切向布置、內罩的形式為光面和波紋型，以及冷卻系統以風冷—水冷系統和噴淋冷卻系統為主要冷卻系統之一，使得燃燒效果更好，傳熱更快，溫度場分布更均勻，退火時間更短，生產效率更高。但是罩式爐的設計結構沒有發生原理性的改變。

   在罩式爐的控制方面，對工藝嚴格控制，氫氣安全問題得到很好解決。采用科學合理的集散控制系統，做到集中控制，風險分散，優化調配。

   許多學者對鋼卷在罩式爐中的退火過程進行了研究，分析了溫度場規律和影響加熱時間的因素，建立并

驗證了溫度場模型，為提高鋼卷質量，防范粘結的發生提供了理論依據；同時，為改進控制模型和制定溫度制度提供了基礎。模型的應用表明，縮短了加熱時間，提高了產品產量，改善了產品質量。但是熱態流場問題以及模型的普遍適用性有待于進一步的研究。