不銹鋼冷軋連續(xù)退火爐冷卻系統(tǒng)工藝分析

1、不銹鋼冷軋連續(xù)退火爐冷卻系統(tǒng)工藝分析申德（冷軋分廠丁作業(yè)區(qū)冷線退火爐）摘要：介紹了不銹鋼帶水平懸索式連續(xù)退火爐冷卻系統(tǒng)的工藝與應(yīng)用，并對(duì)冷軋不銹鋼退火爐的冷卻段進(jìn)行了分析，包括空冷段、水冷段。關(guān)鍵詞：冷軋不銹鋼；連續(xù)退火爐；冷卻系統(tǒng)；水冷Abstract: this paper in troduces the sta ini ess steel belt level suspe nsion type continuous annealing furnace cooling system, and the application and process of cold rolled stai n

2、less steel ann eal furn ace cooli ng sect ion is an alyzed,in cludi ng air cooli ng sect ion, water cooli ng sect ion.Keywords: cold rolled stainless steel; Continuous annealing furnace; Cooling system; water-cooled1. 不銹鋼連續(xù)退火爐冷卻系統(tǒng)不銹鋼帶軋制后產(chǎn)生硬化，耐蝕性降低。經(jīng)過連續(xù)熱處理，可以改善組織，提高塑性，實(shí)現(xiàn)碳化物固溶。圖1所示為某規(guī)格AISI304退火溫度曲線，該曲

3、線已在生產(chǎn)實(shí)踐中較好地應(yīng)用。KinoRorUTHo60總40時(shí)20圖1不銹鋼退火溫度曲線不銹鋼帶軋制后的連續(xù)熱處理包含加熱段和冷卻段，其中帶鋼的冷卻段工藝影響不銹鋼碳化物固溶效果以及性能和板形。例如對(duì)于奧氏體不銹鋼，在 850500C之間冷卻速度慢時(shí)，將因碳 化物在晶界析出而產(chǎn)生敏化，對(duì)其產(chǎn)品的耐腐蝕性有明顯的影響，因此通常冷卻速度應(yīng)大于20C /s。某規(guī)格不銹鋼的冷卻速率與碳化物析出的關(guān)系曲線如圖2O0.020L5 2.56511162733冷卻連度圖2不銹鋼的冷卻速度與碳含量關(guān)系曲線o o O舉0禰潼酒鋼公司采用的奧氏體不銹鋼冷軋連續(xù)退火冷卻工藝，以38.5 C /s速率快速冷卻，使帶鋼從

4、 1150 C冷卻到180 C；再用水 噴淋冷卻，使帶鋼從180C冷卻到80C；最后經(jīng)干燥段烘干出爐。 對(duì)于不銹鋼連續(xù)退火爐冷卻段的設(shè)計(jì)，一般采用鋼板焊接的冷卻室。在鋼帶上下面各布置多排噴頭，將冷卻介質(zhì)噴向鋼帶表面， 冷卻鋼帶。通常采用的冷卻介質(zhì)有水、水霧、蒸汽、空氣等，按 鋼帶的材質(zhì)和厚度選用。鋼帶的冷卻速度主要由其熱處理工藝要 求來確定。從大多數(shù)不銹鋼連續(xù)退火爐的實(shí)際冷卻系統(tǒng)來看，都存在冷卻介質(zhì)多樣，設(shè)備復(fù)雜的特點(diǎn)。2. 酒鋼不銹鋼冷軋連續(xù)退火爐冷卻系統(tǒng)酒鋼采用的是目前世界上最先進(jìn)的冷卻技術(shù)【2】，即將空冷段與水冷段合二為一。具體方式如下：(1)空氣噴射冷卻段冷軋采用的是8段式，長度41.

5、6m。將加熱后的帶鋼按規(guī)定冷卻速度冷卻至要求溫度。每一個(gè)空氣冷卻段由4mm厚的AISI-304不銹鋼板制成，并用鋼結(jié)構(gòu)加固。其中， 1st、2nd段內(nèi)覆有30mm 的絕熱材料。其它結(jié)構(gòu)如空氣供給、排煙管道等都是普碳鋼制成。噴氣箱由AISI-316制成，每個(gè)噴氣箱都包含一個(gè)控制閥門，噴 氣箱與普通鋼質(zhì)總管相連。為收集鋼帶帶來的粉塵和碎片，每一 個(gè)噴射冷卻段的底部都安裝了一套濕式除塵裝置。其工作原理如圖3所示。帶鋼上、下分別設(shè)有空氣噴管，并按規(guī)定的冷卻速度進(jìn)行冷卻。圖3帶鋼冷卻原理圖(2)噴水冷卻段其冷卻形式是水霧冷卻。設(shè)有10排水噴管，噴嘴為水-霧式，長度6m通過水霧冷卻，將帶鋼冷卻至規(guī)定溫度。

6、最終噴 水冷卻段由4mm厚 AISI-304不銹鋼板制成，同時(shí)內(nèi)部安裝了成 排的噴水總管。每排管子都成上下布置。管子上所接的平噴式噴嘴材質(zhì)是AISI-304不銹鋼。水的供給的分布和控制被分成了6組，每組都有獨(dú)立的開/關(guān)控制（一上一下兩跟管子）。每個(gè)總管 都有一個(gè)手動(dòng)的流量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)水量，這個(gè)調(diào)節(jié)閥也可以調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域。噴射總管的布置可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)切斷后不滴水，此時(shí)可以用干燥風(fēng)機(jī)供給的空氣進(jìn)行冷卻。為了便于移動(dòng)，噴射管采用了便于快速分離的連接方式。3. 冷卻段的傳熱計(jì)算分析（1）不銹鋼帶進(jìn)入冷卻區(qū)后的換熱過程是一個(gè)復(fù)雜的熱傳 遞過程，包含了對(duì)流、輻射以及帶鋼內(nèi)部的傳導(dǎo)三種傳熱形式。 對(duì)于空冷段的傳熱

7、分析，可認(rèn)為是射流沖擊傳熱【3】。但射流沖擊換熱現(xiàn)象復(fù)雜【4】，無法在實(shí)際計(jì)算中運(yùn)用傳熱學(xué)原理進(jìn)行計(jì) 算。所以尋找一種簡單的計(jì)算方法成了本節(jié)討論的重點(diǎn)。通過考慮，帶鋼在冷卻段的運(yùn)行方式，采用流體外掠平板傳熱的計(jì)算方式。采用如下公式，對(duì)帶鋼在冷卻段的冷卻進(jìn)行分析。Nu=0.332Re0.5 Pr0'333（ 1）式中：Nu為努賽爾數(shù)，Hl/ -oRe為雷諾數(shù)，Re=UL/v =205368。其中U為速度特征尺度，L為長度特征尺度，v為運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)。Pr 為普朗特?cái)?shù)，Pr= v / a =cy /k =0.703。卩為動(dòng)力 粘度；C為等壓比熱容；k為熱導(dǎo)率；a 為導(dǎo)溫系數(shù)，v 為運(yùn) 動(dòng)粘

8、度。通過計(jì)算當(dāng)?shù)氐呐悹枖?shù)為：134H=二/LNu=（0.0267/0.067） X 134=59.2W/(m2 K)(2)假設(shè)產(chǎn)品板厚$為 1mm,板寬B為1250，鋼帶速度v為 100m/min,帶鋼進(jìn)冷卻段時(shí)的溫度 t bi為1150C,要求經(jīng)過空冷段 后，鋼帶溫度降至t B2為180 C。先計(jì)算帶鋼在1#冷卻箱體內(nèi)的冷 卻模式；但由于在1#冷卻箱體內(nèi)，帶鋼溫度較高，在計(jì)算其傳熱 系數(shù)時(shí)，需要考慮帶鋼對(duì)冷卻介質(zhì)的輻射。在這里取輻射換熱系 數(shù)為 a 輻=57 W/(m2 K)。則1#冷卻箱體內(nèi)帶鋼總的傳熱系數(shù)為h=H+a輻(3)設(shè)空氣帶走的熱量為Q【6】。由公式：Q = h A * AT(

9、4)設(shè)帶鋼的平均溫度為T=(t B1 X t B2)0 5(5)則：-=115 X 5.2 X 1.25 X 1042 X 2 = 1605754W則帶鋼在冷卻出口的溫度為：T出=t b1-Q/(C x M)=357C(6)式中c帶鋼比熱，kJ (/ kg C)；M 帶鋼質(zhì)量，kg;而在2#至8箱體計(jì)算時(shí)沒有考慮帶鋼對(duì)氣體的輻射熱，因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)際測(cè)的溫度和計(jì)算的溫度來看，帶鋼的溫度是較低的設(shè)在2#箱體內(nèi)空氣帶走的熱量為 2貝U "h X AX t(7)=59 X 5.2 X 1.25 X 400 X 2 = 245440W表1是2#至8#冷卻箱內(nèi)帶鋼的出口溫度。與工藝要求的帶鋼溫度 是

10、相一致的。2#228 C3#179 °C4#134 C5#115 C6#102 C7#64 C8#35 C表1 2#至8#冷卻箱內(nèi)帶鋼的出口溫度為了驗(yàn)證計(jì)算的正確性， 通過測(cè)量規(guī)格為1.078 X 1250mr的帶鋼， 得到了各冷卻箱體出口的溫度，見表2。1#365 C2#217 C3#183 C4#152 C5#138 C6#109 C7#90 C8#54 C表2 1#至8#冷卻箱內(nèi)帶鋼的實(shí)際出口溫度（風(fēng)機(jī)功率在75%（2）以上是八臺(tái)風(fēng)機(jī)在滿負(fù)荷的情況下的帶鋼冷卻溫度。但是為了節(jié)約能源、降低帶鋼的生產(chǎn)成本。對(duì)冷卻段風(fēng)機(jī)進(jìn)行降低 功率消耗的計(jì)算驗(yàn)證。通過計(jì)算，當(dāng)風(fēng)機(jī)的功率在75%寸，

11、其雷諾數(shù)Re=154026;而其努賽爾數(shù) Nu=116;因空氣的普朗特?cái)?shù)為 定值，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)為 H=52W/（nV K）。（為計(jì)算 方便，假設(shè)在所有計(jì)算中，唯一的變量只有帶鋼與空氣之間的對(duì) 流傳熱系數(shù)）則依據(jù)（1）的計(jì)算原理，得到冷卻段帶鋼的溫度分布；如表 2所示:1#398 C2#244 C3#188C4#140C5#123C6#111 r7#78 r8#52 r表3 1#至8#冷卻箱內(nèi)帶鋼的出口溫度（風(fēng)機(jī)功率在75%）與工藝要求的帶鋼溫度是相一致的。當(dāng)風(fēng)機(jī)功率在50%時(shí)，通過計(jì)算得表3所示的溫度分布，如 下所示：1#467 r2#359 r3#310r4#265 r5#24

12、6 r6#233 r7#194r8#165r表4 1#至8#冷卻箱內(nèi)帶鋼的出口溫度（風(fēng)機(jī)功率在50%顯然此時(shí)是不能滿足工藝要求的。通過計(jì)算，當(dāng)風(fēng)機(jī)功率為72%寸，帶鋼表面的溫度能滿足生產(chǎn)工藝。相當(dāng)于能節(jié)省28%的電量。當(dāng)風(fēng)機(jī)功率為 160KW八臺(tái)風(fēng)機(jī)1小時(shí)可節(jié)省的電量為：Q=160X 0.28 X 8=358KW/h。在滿足帶鋼工藝生產(chǎn)的前提下，盡量減小風(fēng)機(jī)的功率，能 減少帶鋼的生產(chǎn)成本，為提高企業(yè)在同行業(yè)中的競爭力有一個(gè)指 導(dǎo)性的意義。(3)在噴水冷卻中，占主導(dǎo)的是有相變的對(duì)流換熱，即沸騰換熱【7】。沸騰換熱的換熱系數(shù)要比無相變時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)大 得多。因空冷段冷卻后的溫度，已經(jīng)滿足帶鋼所要

13、求的溫度。因此水冷段傳熱暫不做計(jì)算分析。讀者可參考空冷段的計(jì)算原理進(jìn) 行分析。4. 結(jié)束語為了降低成本、提高生產(chǎn)能力及產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也為了提高能源效率，簡化設(shè)備，不銹鋼熱處理冷卻段的要求也越來越高。 本文介紹了不銹鋼帶水平懸索式連續(xù)退火爐冷卻系統(tǒng)的工藝與 應(yīng)用，并對(duì)冷軋不銹鋼退火爐的冷卻段進(jìn)行了分析，包括空冷段、水冷段。所介紹的連續(xù)退火爐，合理選擇配置了冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了帶鋼表面換熱均勻；優(yōu)化采用空冷段與水冷段合二為一；能夠滿足冷軋不銹鋼生產(chǎn)的高效率、高質(zhì)量的需要。通過優(yōu)化風(fēng)機(jī)功率，可在一定程度上降低帶鋼的生產(chǎn)成本，為企業(yè)在本行業(yè)中的競爭力有一個(gè)指導(dǎo)性的意義。參考文獻(xiàn)：1 竇坦明，金曉宏.不銹鋼

14、帶連續(xù)退火爐冷卻系統(tǒng)工藝分析J.山東冶金，2006,4, (8) 4446.2 王福凱，白秀艷.冷軋不銹鋼帶連續(xù)退火爐J. Industrial Furnace ,2004 , (1): 18 20.3 4楊世銘，陶文銓傳熱學(xué)M .北京：高等教育出版社，2006.8. 鋼鐵廠工業(yè)爐設(shè)計(jì)參考資料M .北京：冶金工業(yè)出版社，1981.3 楊世銘，陶文銓傳熱學(xué)M .北京：高等教育出版社，2006.8.7鋼鐵廠工業(yè)爐設(shè)計(jì)參考資料M .北京：冶金工業(yè)出版社，1981.3附錄假設(shè)產(chǎn)品板厚$為 1mm，板寬B為1250mm鋼帶速度v為 100m/min,帶鋼進(jìn)冷卻段時(shí)的溫度 t bi為1150C,要求經(jīng)過空

15、冷段 后，鋼帶溫度 降至tB2為180C。(1)基礎(chǔ)計(jì)算設(shè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為：=46600NriVh.則冷卻風(fēng)在帶鋼一側(cè)的流 量為 1二 /2=23300 Nm3/h.(1)而空氣在每秒中的流量為 q=1/3600=6.47 NriVh.(2)下面進(jìn)行對(duì)空氣進(jìn)入冷卻段流速的計(jì)算，因?yàn)橥ㄟ^流速可以確定空氣經(jīng)過帶鋼表面時(shí)所形成的是紊流還是層流。紊流與層流間的傳熱系數(shù)是不同的。V=q/A(3)式中：A為空氣流經(jīng)帶鋼的面積。設(shè)帶鋼的寬度 B=1250mm 1=空冷鍛箱體長度/空氣在實(shí)際帶 鋼上的接觸長度，取箱體的一半。貝y A=L X B=2.5 X 2.6=6.5m2(4)貝» V=6.47/6

16、.5=0.995726m/s(5)Re=V_/ v(6)式中：V為速度特征尺度，L為長度特征尺度，V 為運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)。(空氣的V在20C時(shí)查表為6.0 x 10-5 m2/s )則 Re=L/ v =0.99572 x 2.65/(6.0 x 10-5)= 205368Pr= v / a =c l /k =0.703(7)則 Nu=0.332Re0.5Pr0.333=134又因?yàn)镹u=HI/入(8)式中：H為對(duì)流換熱系數(shù)，入一一為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。(2) 傳熱系數(shù)計(jì)算求得H=59W/(m K);先計(jì)算帶鋼在1#冷卻箱體內(nèi)的冷卻 模式；但由于在1#冷卻箱體內(nèi)，帶鋼溫度較高，在計(jì)算其傳熱系 數(shù)時(shí)，

17、需要考慮帶鋼對(duì)冷卻介質(zhì)的輻射。在這里取輻射換熱系數(shù)2為 a 輻=57 W/(m K)。則1#冷卻箱體內(nèi)帶鋼總的傳熱系數(shù)為h=H+a輻(3) 傳熱量的計(jì)算求得對(duì)流換熱系數(shù)是為了空氣掠過帶鋼表面時(shí)求出所帶走的熱量，設(shè)帶鋼帶走的熱量為 Q,則Q=H< AXA T(10)式中：A為換熱面積，AT 為帶鋼與空氣間的溫度差。在計(jì)算溫度差時(shí)，帶鋼出口的溫度是不知道的。這是本次計(jì)算所要解決的問題，通過查詢資料，以及換熱量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)得如下的計(jì)算方式。先假設(shè)帶鋼出口的溫度是根據(jù)冷卻速度而定，因假設(shè)條件下的冷卻溫度平均為 38.5 C /s ,而箱體的長度為5.2m。 帶鋼走完一個(gè)箱體的時(shí)間為大約 3s。故此時(shí)

18、空氣冷卻的溫度為38.5 X 3=107C,其意義是帶鋼經(jīng)過空冷箱體之后，要冷卻掉107 C的熱量。但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)流換熱的性質(zhì)。帶鋼在1#;2#箱體內(nèi)冷卻的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)值，根據(jù)數(shù)值計(jì)算，取150 Co則帶鋼的平均溫度為T= ( tB1X t B2)0.5(11)式中：t B1為帶鋼進(jìn)入冷卻箱體時(shí)的溫度，t B2 為帶鋼在冷卻箱體出口時(shí)的溫度。則在1#箱體內(nèi)，帶鋼的平均溫度為= 1072 C .貝U T= T1-T 室=1072-30=1042 C(12)貝 y Q=HX AXA T=115 X 5.2 X 1.25 X 1042 X 2 = 1605754W則帶鋼在冷卻出口的溫度為：T出=t b1-Q/(C X M)=357 C(13)式中c帶鋼比熱，kJ (/ kgC)；M帶鋼質(zhì)量，kg ;而在2#至8箱體計(jì)算時(shí)沒有