HPH全氫罩式退火爐鋼卷加熱時間的研究

 全氫罩式退火爐自引入我國后，以其生產效率高，退火產品表面質量好，介質、能量消耗低等優點，在冷軋企業得到了廣泛的使用。寶鋼共引進60臺全氫罩式退火爐，其中48臺為德國LOI公司的HPH罩式爐。從寶鋼目前對HPH罩式爐的使用情況看，寶鋼尚未完全掌握HPH罩式爐的控制模型技術，自主制定退火制度主要依靠經驗設定，對復雜多變的實際生產缺乏適應性，而優化退火制度，特別是控制鋼卷的加熱時間（鋼卷的加熱階段包括加熱和均熱兩個過程，鋼卷內溫度最低點達到工藝要求溫度的時間為鋼卷退火加熱時間），對提高生產效率，改善產品質量都有重大意義，所以有必要通過數值模擬方法來研究生產參數變化對鋼卷加熱時間的影響。

    很多文獻11- 72都介紹過全氫罩式爐內傳熱過程，建立并驗證了鋼卷傳熱的數學模型，文獻1 82在此基礎上分析了罩式爐內循環風量與退火時間的關系。本文針對寶鋼HPH罩式爐運行中變化的生產要素，全面討論這些變化影響鋼卷加熱時間的規律。

2鋼卷傳熱的數學模型

21 1鋼卷傳熱模型的建立

    根據現場鋼卷的傳熱情況，可做以下的簡化假設：

    (1)鋼卷結構對稱，可忽略周向導熱，只考慮鋼卷的徑向和軸向傳熱，將其導熱方程簡化為二維非穩態導熱：

    (2)鋼卷由上千層帶鋼卷制而成，其徑向傳熱是通過相鄰兩層帶鋼間氣隙內傳熱的綜合效應完成的，包括通過保護氣體的導熱、帶鋼間輻射換熱及通過接觸點的導熱等，模型中采用徑向等效導熱系數17、9、102表征鋼卷徑向導熱能力：

    (3)鋼卷無內熱源，與外界換熱符合第三類邊界條件。

    鋼卷的導熱方程及其初始條件和邊界條件為152：

式中：r為鋼卷徑向坐標／m：z為鋼卷軸向坐標／m;Q力鋼的密度／kg#m'3；

      CP為鋼的比熱容／J（kge）-1；

      Kcff為鋼卷徑向等效導熱系數／W(m e)一；K為帶鋼導熱系數／W (me)'1；S為時間／s；T為鋼卷溫度／e, Tg為保護性氣體溫度／e, qR。為鋼卷外表面與內罩輻射換熱熱流密度／W#m'2：Ri為鋼卷內徑／m; Ro為鋼卷外徑／m;W為鋼卷高度／m; hR，，hR。，ho，hw分別為鋼卷內外，上，下表面的對流換熱系數／W (m2e 1'1。

212模型準確性驗證

    寶鋼生產中，通過在罩式爐爐臺放置一個測溫熱電偶，得到鋼卷底部的參考溫度，控制鋼卷出爐時間。該熱電偶記錄了鋼卷底部點在退火全過程溫度的變化，為我們校驗計算模型的準確性提供了依據。在模型驗證中，將該點溫度計算值與熱電偶測試值進行比較，若二者接近，則說明模型準確。將計算得到的該點溫度曲線與實測值溫度曲線一起繪于圖1中，并將該鋼卷參數列于表1。

    圖1中四條曲線分別為循環氣體溫度曲線，底部計算溫度曲線，底部實測溫度曲線，冷點溫度曲線。從圖中可似看出鋼卷底部的計算溫度曲線與實測溫度曲線十分接近，保溫段結束時，二者溫差小于Se。這表明計算模型具有很高的精度，可以作為進一步研究的依據。另外，需要說明的是以下對某一參數進行討論時，假定其他參數條件不變，例如表1。

圖1  鋼卷底部測試溫度與計算溫度的比較

表1  裝爐鋼卷參數

3、鋼卷結構參數對加熱時間的影響

鋼卷的結構參數包括鋼卷的徑向等效導熱系數、鋼卷的外徑和鋼卷高度，在實際生產中，根據用戶需求，鋼卷的結構參數常常發生變化，從而影響鋼卷的加熱時間。

31 1  徑向等效導熱系數

    退火過程中，鋼卷自身的熱傳導包括軸向導熱和徑向導熱，如前所述，鋼卷的徑向導熱是一個綜合的傳熱過程，用徑向導熱系數來表征鋼卷的徑向導熱能力，涵蓋了許多與徑向導熱密切相關的因素，如鋼板厚度，打卷應力等。

    經比較隨著等效導熱系數的增大，退火鋼卷達到工藝要求的冷點溫度（620 e 1所需的時間越來越短，且冷點最終達到的溫度也越高。從圖2中可更為直觀地看出徑向等效導熱系數對加熱時間的影響程度。導熱系數從414W/(ml e 1增加到1214W/(ml e)時，退火加熱時間從2219h減少到1916h，縮短313h。觀察曲線的走

勢，曲線由陡變緩：導熱系數從414W/(ml e)增加到614W/  (ml e)和’占從1014W/(ml e)增加到1214W/(ml e)相比，同樣是增加2W/ (ml e)，但前者退火時間縮短了116h，而后者僅縮短了013h?？梢?，在徑向等效導熱系數相對較小時，增加其值更有利于縮短加熱時間。

31 2鋼卷外徑

    鋼卷徑向導熱是鋼卷內、外表面將獲得的熱量向冷點傳遞的過程。在徑向等效導熱系數不變時增大鋼卷外徑，相當于增加鋼卷徑向導熱熱阻，因此熱量向冷點傳遞的時間必然延長。

    隨著鋼卷外徑的增加。冷點在退火過程中升溫和降溫的速度減慢。圖3顯示了不同外徑下的加熱時間。鋼卷外徑從116m增加到214m時，鋼卷退火加熱時間由1718h增加到211 711，延長319h。由圖3還可以看出，鋼卷外徑從116m變化到210m時，曲線斜率較大，隨后斜率減小。這是因為隨著外徑的增加，一方面徑向導熱熱阻

增加，減少了鋼卷的徑向導熱量：另一方面鋼卷外表面與內罩內表面之間的保護氣體循環通道截面積減小，導致氣體循環流速增大，從而增加了鋼卷內、外表面的對流換熱量，這兩方面的作用相互抵消。故在爐臺允許的外徑范圍內，增加鋼卷外徑會延長加熱時間，但隨著外徑的增加，它對加熱時間的影響越來越小。

31 3鋼卷高度

    鋼卷的軸向導熱，是鋼卷上、下表面向冷點傳遞熱量的過程。鋼卷的軸向導熱系數等于該鋼種鋼的導熱系數，鋼種一定，鋼卷的軸向導熱系數即為定值。卷制鋼卷的帶鋼寬度增加，就會使得鋼卷的高度增加，此時相當于在導熱系數不變的情況下增加軸向導熱熱阻，鋼卷退火的加熱時間必然延長。

    隨著鋼卷高度的增加，其退火加熱時間延長。此外，鋼卷高度變化對于退火加熱時間的影響比徑向等效導熱系數和鋼卷外弳變化對加熱時間影響顯著。因此在生產中，應格外注意根據帶鋼寬度的變化，來調整退火的工藝制度。圖4顯示了退火加熱時間隨鋼卷高度增加的變化情況，當鋼卷高度從019m增加到115m時，退火加熱時間從1513h增加到2112h，延長了519h。從曲線的斜率來看，退火加熱時間與鋼卷高度幾乎呈線性關系，這也說明鋼卷高度變化對加熱時間影響顯著。

    通過應用以上規律，我們對寶鋼的在線生產退火時間控制模型進行了修正，提高了該模型計算的準確性，不僅明顯減少了生產中對控制過程的人為干預，而且提高了產品質量。

4、操作參數變化對加熱時間的影響

罩式爐生產中操作參數主要有內罩內循環氣體的流量、壓力和溫度。由于罩式爐生產時內罩內壓力變化很小，故在此不對氣體壓力進行討論。循環氣體流量取決于爐臺循環風機的功率，氣體溫度取決于溫度制度和加熱罩上燒嘴的燃燒能力。

41 1循環氣體流量

    確定合理的循環氣體流量是全氫罩式爐設計的關鍵參數之一182。循環氣體流量的變化直接引起對流換熱表面的氣體速度變化，從而引起對流系數的變化，循環氣體與內罩的對流換熱量，鋼卷與循環氣體的對流換熱量都隨之變化，最終引起退火加熱時間的變化。

    在目前生產狀態下，循環氣體流量變化對退火鋼卷溫度場的影響很小。從圖5可以看到，循環氣體流量從666 70m3增加到72670 ffl3,增加了6000 ffl3，退火加熱時間從1814h減少到1719h，僅縮短了015h。寶鋼在長期的生產中，部分循環風機老化，若按照設計風量繼續生產，風機會出現震動，為了確保安全生產，需調小循環風量。根據上述分析，適當調小循環風量，對退火過程影響不大。寶鋼將風量調小約10%，如我們預期結果一致，未影響生產效率和產品質量。

412 循環氣體溫度

    在生產過程中，要根據鋼種和用戶要求選取不同的循環氣體溫度制度進行退火生產。溫度制度的選取直接關系到產品質量的好壞，退火溫度過高，鋼卷易出現粘結現象：退火溫度過低，又易出現軋硬現象。在寶鋼的實際生產中，這兩個問題也是產生廢品的主要原因。此外，現場生產時，由于燒嘴出現故障，常常造成循環氣體溫度低于設定溫度，導致鋼卷出爐時間延長。因此，我們有必要討論循環氣體溫度變化對退火加熱時間的影響。

在加熱段中前期，氣體溫度升高或降低對冷點溫度影響不大，隨后氣體溫度對冷點溫度的影響明顯增加。圖7顯示了五種溫度制度下達到工藝要求的冷點溫度所需加熱時間的差別。在實際生產溫度制度下，冷點達到620 e需1910h，若將該溫度制度提高20 e，則此時間為1718h，縮短112h;將溫度制度降低20 e，此時間值為2016h，延長116h;而最高溫度制度比最低溫度制度下的退火加熱時間縮短218h。

5、結論

    (1)鋼卷退火加熱時間與徑向等效導熱系數成反比。徑向等效導熱系數從414W/ (me)增加到1214W/(me)時，退火加熱時間從2219h減少到1916h，縮短313h。

    (2)鋼卷退火加熱時間與鋼卷外徑和高度成正比。鋼卷外徑從116m增加到214m時，鋼卷退火加熱時間由1718h增加到2117h，延長319h。鋼卷高度從019m增加到11 Sm時，退火加熱時間從1513h增加到2112h，延長了519h。

    (3)鋼卷退火加熱時間與循環氣體流量和溫度成反比。循環氣體流量從66670m3/h增加到72670m3／h，增加了6000m3／h，退火加熱時間從1 814h減少到1719h，縮短了015h。循環氣體溫度從690 e提高到730 e，提高了40 e，退火加熱時間從2016h減少到171 8h，縮短了21 8h。

    (4)棍據上述部分結論，對寶鋼在線控制模型參數進行修正，提高了控制模型計算退火加熱時間的準確性，不僅明顯減少了生產中對控制過程的人為干預，而且提高了產品質量