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全氫罩式爐的發(fā)展與現狀

2020/8/19 15:05:56

隨著(zhù)我國汽車(chē)、家電、建筑裝飾、食品等行業(yè)的發(fā)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(zhì)量、高附加值產(chǎn)品需求量越來(lái)越大。2004年,我國共生產(chǎn)冷軋板材1246萬(wàn)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(chǎn)量繼續增長(cháng),達到1567萬(wàn)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(jìn)罩式爐,現已被廣泛使用。近年來(lái),我國

罩式爐引進(jìn)數量迅速增長(cháng),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(shí)退火用的保護介質(zhì)是氮氫混合氣

體,但傳統罩式爐有退火時(shí)間長(cháng)、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差等缺點(diǎn)。在結構上,內罩為光壁式,冷卻為自然冷卻,后來(lái)開(kāi)發(fā)74功率風(fēng)機作為冷卻的主要設備,但是功率太小,退火時(shí)間很難縮短。2O世紀7O年代初奧地

利EBNER公司開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)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(jìn)行了很大的改進(jìn)和完善,主要表現在以下幾個(gè)方面:

     (1)加熱罩的改進(jìn)。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(gè)燒嘴都裝有電磁點(diǎn)火裝置和紫外線(xiàn)火焰監測器,當燃燒達到一定程度時(shí)關(guān)閉上排燒嘴,熱量?jì)H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(guò)熱,提高鋼卷的成品質(zhì)量。

     (2)內罩結構的改進(jìn)。原來(lái)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(jìn)行了對比研究,指出波紋型內罩可以縮短加熱時(shí)間、提高生產(chǎn)能力、延長(cháng)內罩壽命,同時(shí)還有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。張海濤、張杰等人對內罩的結構進(jìn)行了研究,提出一種更為有效的內罩結構一網(wǎng)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(chǎn)能力。

     (3)冷卻系統的改進(jìn)。以往鋼卷冷卻方式為自然冷卻,后來(lái)開(kāi)發(fā)了小功率風(fēng)機為主冷卻系統,臺罩比很大,一般在(3~4):1,爐子的產(chǎn)能很低,退火時(shí)間長(cháng)。早期冷卻系統是在罩式爐上加專(zhuān)用的冷卻罩,冷卻罩頂部有強化對流換熱的冷卻風(fēng)機,降低了臺罩比;后來(lái)增大了風(fēng)機葉輪的直徑,采用了變頻電動(dòng)機。這樣增大了循環(huán)量、提高了流速,有利于傳熱和節省退火時(shí)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(shí)間,降低能源消耗,同時(shí)提高產(chǎn)能。各冷卻系統比較而言,風(fēng)冷一水冷和噴淋冷卻比全流冷卻和分流冷卻的冷卻時(shí)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(fēng)冷一水冷系統和噴淋冷卻系統結構相對簡(jiǎn)單,易于維護,所以風(fēng)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(gè)方面得到了發(fā)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(zhì),氫氣相對于氮氣具有導熱性好、密度小、動(dòng)力粘度小、還原性強等優(yōu)點(diǎn),逐漸代替了傳統氦氫混合氣體作為保護氣體。同時(shí),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(jīng)過(guò)x射線(xiàn)探傷,嚴格保證各設備加工質(zhì)量。其次,在退火周期開(kāi)

始時(shí),對所有的儀表、開(kāi)關(guān)位置進(jìn)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(jìn)行氫氣入口閥門(mén)的泄漏檢測,然后進(jìn)行爐臺空間泄漏測試,以確保爐臺、內罩系統完全密封;同時(shí)還對煤氣主開(kāi)閉器、氫氣主開(kāi)閉器各進(jìn)行一次嚴密性試驗。泄漏測試合格后,用氮氣對爐內空間進(jìn)行吹掃。氮氣吹掃必須滿(mǎn)足3個(gè)條件才能結束:一定的氮氣吹掃量;最小的氮氣吹掃時(shí)間;氧氣含量小于1%。此外,還有安全連鎖保障。當氫氣過(guò)壓時(shí),控制系統自動(dòng)打開(kāi)出口閥降壓。為了避免產(chǎn)生錯誤信號,每次吹掃前,氧探頭必須對空氣中氧含量進(jìn)行測量并記錄。當氫氣壓力不足或氫氣中氧氣含量超標時(shí),系統自動(dòng)啟動(dòng)緊急氮氣清洗??刂葡到y同時(shí)還裝有手動(dòng)緊急清洗按鈕。

2.2系統控制

    隨著(zhù)控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展,罩式爐系統控制經(jīng)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(fā)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(jià)質(zhì)控制單元(MCU);第2級一過(guò)程控制系統(SCC);第3級一主計算機系統。每個(gè)爐臺上的爐臺控制單元(Base Control Unit,簡(jiǎn)稱(chēng)BCU)與監控計算機(Supervisory Control Computer,簡(jiǎn)稱(chēng)scc)相連,一個(gè)退火車(chē)間可以有數個(gè)BCU和1臺SCC相連。主計算機系統由系統服務(wù)器、數據庫服務(wù)器、操作終端、打印機通過(guò)以太網(wǎng)構成,主要實(shí)現處理退火計劃,計算退火參數,監控每一個(gè)爐臺的退火狀態(tài),報表生成及打印等功能,見(jiàn)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(jìn)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(guān)地看到模板的內容,較好地保護了知識產(chǎn)權。

    可見(jiàn),罩式爐的控制有合理科學(xué)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(chǎn),同時(shí)提高了罩式爐的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。

3、罩式爐退火傳熱模型研究現狀

    很多學(xué)者對鋼卷在罩式爐中的退火過(guò)程進(jìn)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。

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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(tài)傳熱數學(xué)模型,根據這個(gè)模型將兩個(gè)曲面間的接觸熱阻表達為3個(gè)特殊熱阻的傳熱網(wǎng)絡(luò )(見(jiàn)圖2);并得到了數學(xué)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(shí)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(zhù)重論述了鋼卷溫度場(chǎng)模擬的原理及實(shí)現手段,分析了各鋼

卷溫度場(chǎng)的差異,退火時(shí)間的長(cháng)短,過(guò)熱現象產(chǎn)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(jiàn)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(guò)有限元法對模型進(jìn)行計算,并把冷卻過(guò)程的計算結果與實(shí)驗數據進(jìn)行對比,驗證其準確性,同時(shí)還討論了壓應力與導熱系數之間的關(guān)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(fā),建立起有,無(wú)突起鋼卷應力模型,結合等效導熱系數的概念,研究了兩個(gè)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(gè)模型的模擬結果和實(shí)驗數據進(jìn)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(jìn)行討論,總結了氫氣比氮氣優(yōu)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(wǎng)絡(luò )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(guò)程中忽略輻射換熱是否合理的問(wèn)題;通過(guò)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(gè)因素隨溫度變化的趨 峋。認為在罩式爐整個(gè)加熱過(guò)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(shí)間越長(cháng),輻射作用越重要。

   在傳熱模型的研究中,諸學(xué)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(guò)模擬溫度場(chǎng)來(lái)預測熱點(diǎn)、冷點(diǎn)、加熱時(shí)間和退火時(shí)間。由熱應力原理,得到

卷應力場(chǎng),預測發(fā)生粘結的位置和時(shí)間。

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熱阻網(wǎng)絡(luò )圖

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熱阻網(wǎng)絡(luò )圖

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鋼卷徑向導熱示意圖

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熱軋板單元體層圖 

 溫度場(chǎng)模擬是分析退火時(shí)間等問(wèn)題的前提,目前,不少學(xué)者通過(guò)不同的方法獲得了準確合理的數學(xué)模型。左娥等人通過(guò)詳細分析鋼卷退火熱過(guò)程,給出了鋼卷的傳熱模型,以及罩式爐各個(gè)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(guò)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(zhì)

網(wǎng)格的熱阻和導熱系數計算模型,同時(shí)給出了非連續界面上導熱系數的求解方法【181。通過(guò)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(xué)模型,結合低碳鋼的退火過(guò)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(chǎn)數據改進(jìn)傳熱模型,得到一個(gè)合理有效的鋼卷退火傳熱模型,通過(guò)回歸

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

    通過(guò)溫度場(chǎng)的模擬可以預測冷點(diǎn)/熱點(diǎn)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(guò)程的溫度變化以及鋼卷冷點(diǎn)與熱點(diǎn)溫度的變化規律。

    Rovito A J,Aiello W M和Voss G F利用一個(gè)在線(xiàn)模型來(lái)預測和控制鋼卷冷點(diǎn)溫度,使得兩鋼卷平均冷

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

   許多學(xué)者根據溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)的耦合關(guān)系,通過(guò)求解來(lái)預測鋼卷粘結發(fā)生的時(shí)間和位置,為工藝中預防

粘結的發(fā)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(guò)程的傳熱模型和熱應力模型,利用溫度場(chǎng)和熱

應力場(chǎng)的耦合關(guān)系,求解了溫度場(chǎng)和熱應力場(chǎng),并把結果和實(shí)際情況進(jìn)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(huán)介質(zhì)之間的對流換熱;建立了鋼卷導熱的柱坐標數學(xué)模型,通過(guò)分

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

時(shí)間和位置。

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

全氫爐退火過(guò)程的數學(xué)模型,利用實(shí)測數據對模型進(jìn)行了驗證,通過(guò)對退火過(guò)程進(jìn)行數值分析,得到了循環(huán)風(fēng)量對退火時(shí)間影響的規律:循環(huán)風(fēng)量增加總退火時(shí)間縮短,但兩者之間不存在簡(jiǎn)單的比例關(guān)系 。當循環(huán)風(fēng)量增大到一定值時(shí),退火時(shí)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(chǎn)要素,全面討論徑向等效導熱系數、鋼卷尺寸參數、循環(huán)氣體的流量和溫度變化對鋼卷加熱時(shí)間的影響規律圓。指出鋼卷退火加熱時(shí)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(huán)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(diǎn),將退火冷卻時(shí)間預測的多人單出建模問(wèn)題簡(jiǎn)化為單人

單出建模問(wèn)題,采用模糊c均值聚類(lèi)方法對退火生產(chǎn)數據進(jìn)行聚類(lèi)分析,基于聚類(lèi)點(diǎn)進(jìn)行指數最小二乘回歸

來(lái)得到各個(gè)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(jīng)取得了積極進(jìn)展。殷曉靜、Seong—Jun Park、石京等對鋼卷在罩式爐退火過(guò)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(gè)退火過(guò)程中的對流換熱與輻射換熱進(jìn)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(chǎng),準確性好;孫金紅等研究了溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)的耦合,預測了鋼卷發(fā)生粘結的時(shí)間和位置;莫春立等研究了鋼卷的加熱退火時(shí)間,分析了影響它的因素和規律。

    國內外學(xué)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(méi)有充分考慮加熱罩的加熱對爐氣、循環(huán)氣體以及鋼卷內部溫度場(chǎng)的影響,特別是爐內熱

態(tài)流場(chǎng)問(wèn)題還有待于進(jìn)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(jìn)一步拓展。


4、結 論

    罩式爐的發(fā)展經(jīng)歷了結構上的改進(jìn)、控制水平的提高、傳熱模型的完善以及技術(shù)手段的進(jìn)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(fēng)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(chǎng)分布更均勻,退火時(shí)間更短,生產(chǎn)效率更高。但是罩式爐的設計結構沒(méi)有發(fā)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(wèn)題得到很好解決。采用科學(xué)合理的集散控制系統,做到集中控制,風(fēng)險分散,優(yōu)化調配。

   許多學(xué)者對鋼卷在罩式爐中的退火過(guò)程進(jìn)行了研究,分析了溫度場(chǎng)規律和影響加熱時(shí)間的因素,建立并

驗證了溫度場(chǎng)模型,為提高鋼卷質(zhì)量,防范粘結的發(fā)生提供了理論依據;同時(shí),為改進(jìn)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(shí)間,提高了產(chǎn)品產(chǎn)量,改善了產(chǎn)品質(zhì)量。但是熱態(tài)流場(chǎng)問(wèn)題以及模型的普遍適用性有待于進(jìn)一步的研究。

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