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HPH全氫罩式退火爐鋼卷加熱時(shí)間的研究

2020/9/7 15:04:25

 全氫罩式退火爐自引入我國后,以其生產(chǎn)效率高,退火產(chǎn)品表面質(zhì)量好,介質(zhì)、能量消耗低等優(yōu)點(diǎn),在冷軋企業(yè)得到了廣泛的使用。寶鋼共引進(jìn)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(shù),自主制定退火制度主要依靠經(jīng)驗設定,對復雜多變的實(shí)際生產(chǎn)缺乏適應性,而優(yōu)化退火制度,特別是控制鋼卷的加熱時(shí)間(鋼卷的加熱階段包括加熱和均熱兩個(gè)過(guò)程,鋼卷內溫度最低點(diǎn)達到工藝要求溫度的時(shí)間為鋼卷退火加熱時(shí)間),對提高生產(chǎn)效率,改善產(chǎn)品質(zhì)量都有重大意義,所以有必要通過(guò)數值模擬方法來(lái)研究生產(chǎn)參數變化對鋼卷加熱時(shí)間的影響。

    很多文獻11- 72都介紹過(guò)全氫罩式爐內傳熱過(guò)程,建立并驗證了鋼卷傳熱的數學(xué)模型,文獻1 82在此基礎上分析了罩式爐內循環(huán)風(fēng)量與退火時(shí)間的關(guān)系。本文針對寶鋼HPH罩式爐運行中變化的生產(chǎn)要素,全面討論這些變化影響鋼卷加熱時(shí)間的規律。

2鋼卷傳熱的數學(xué)模型

21 1鋼卷傳熱模型的建立

    根據現場(chǎng)鋼卷的傳熱情況,可做以下的簡(jiǎn)化假設:

    (1)鋼卷結構對稱(chēng),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(jiǎn)化為二維非穩態(tài)導熱:

    (2)鋼卷由上千層帶鋼卷制而成,其徑向傳熱是通過(guò)相鄰兩層帶鋼間氣隙內傳熱的綜合效應完成的,包括通過(guò)保護氣體的導熱、帶鋼間輻射換熱及通過(guò)接觸點(diǎn)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(wú)內熱源,與外界換熱符合第三類(lèi)邊界條件。

    鋼卷的導熱方程及其初始條件和邊界條件為152:

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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(shí)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(chǎn)中,通過(guò)在罩式爐爐臺放置一個(gè)測溫熱電偶,得到鋼卷底部的參考溫度,控制鋼卷出爐時(shí)間。該熱電偶記錄了鋼卷底部點(diǎn)在退火全過(guò)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(diǎn)溫度計算值與熱電偶測試值進(jìn)行比較,若二者接近,則說(shuō)明模型準確。將計算得到的該點(diǎn)溫度曲線(xiàn)與實(shí)測值溫度曲線(xiàn)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(xiàn)分別為循環(huán)氣體溫度曲線(xiàn),底部計算溫度曲線(xiàn),底部實(shí)測溫度曲線(xiàn),冷點(diǎn)溫度曲線(xiàn)。從圖中可似看出鋼卷底部的計算溫度曲線(xiàn)與實(shí)測溫度曲線(xiàn)十分接近,保溫段結束時(shí),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(jìn)一步研究的依據。另外,需要說(shuō)明的是以下對某一參數進(jìn)行討論時(shí),假定其他參數條件不變,例如表1。

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圖1  鋼卷底部測試溫度與計算溫度的比較

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表1  裝爐鋼卷參數


3、鋼卷結構參數對加熱時(shí)間的影響

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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(shí)際生產(chǎn)中,根據用戶(hù)需求,鋼卷的結構參數常常發(fā)生變化,從而影響鋼卷的加熱時(shí)間。


31 1  徑向等效導熱系數

    退火過(guò)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(gè)綜合的傳熱過(guò)程,用徑向導熱系數來(lái)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(guān)的因素,如鋼板厚度,打卷應力等。

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

勢,曲線(xiàn)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(shí)間縮短了116h,而后者僅縮短了013h??梢?jiàn),在徑向等效導熱系數相對較小時(shí),增加其值更有利于縮短加熱時(shí)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(diǎn)傳遞的過(guò)程。在徑向等效導熱系數不變時(shí)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(diǎn)傳遞的時(shí)間必然延長(cháng)。

    隨著(zhù)鋼卷外徑的增加。冷點(diǎn)在退火過(guò)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(shí)間。鋼卷外徑從116m增加到214m時(shí),鋼卷退火加熱時(shí)間由1718h增加到211 711,延長(cháng)319h。由圖3還可以看出,鋼卷外徑從116m變化到210m時(shí),曲線(xiàn)斜率較大,隨后斜率減小。這是因為隨著(zhù)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(huán)通道截面積減小,導致氣體循環(huán)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(huì )延長(cháng)加熱時(shí)間,但隨著(zhù)外徑的增加,它對加熱時(shí)間的影響越來(lái)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(diǎn)傳遞熱量的過(guò)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(huì )使得鋼卷的高度增加,此時(shí)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(shí)間必然延長(cháng)。

    隨著(zhù)鋼卷高度的增加,其退火加熱時(shí)間延長(cháng)。此外,鋼卷高度變化對于退火加熱時(shí)間的影響比徑向等效導熱系數和鋼卷外弳變化對加熱時(shí)間影響顯著(zhù)。因此在生產(chǎn)中,應格外注意根據帶鋼寬度的變化,來(lái)調整退火的工藝制度。圖4顯示了退火加熱時(shí)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(shí),退火加熱時(shí)間從1513h增加到2112h,延長(cháng)了519h。從曲線(xiàn)的斜率來(lái)看,退火加熱時(shí)間與鋼卷高度幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系,這也說(shuō)明鋼卷高度變化對加熱時(shí)間影響顯著(zhù)。

    通過(guò)應用以上規律,我們對寶鋼的在線(xiàn)生產(chǎn)退火時(shí)間控制模型進(jìn)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(chǎn)中對控制過(guò)程的人為干預,而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

4、操作參數變化對加熱時(shí)間的影響

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罩式爐生產(chǎn)中操作參數主要有內罩內循環(huán)氣體的流量、壓力和溫度。由于罩式爐生產(chǎn)時(shí)內罩內壓力變化很小,故在此不對氣體壓力進(jìn)行討論。循環(huán)氣體流量取決于爐臺循環(huán)風(fēng)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(huán)氣體流量

    確定合理的循環(huán)氣體流量是全氫罩式爐設計的關(guān)鍵參數之一182。循環(huán)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(huán)氣體與內罩的對流換熱量,鋼卷與循環(huán)氣體的對流換熱量都隨之變化,最終引起退火加熱時(shí)間的變化。

    在目前生產(chǎn)狀態(tài)下,循環(huán)氣體流量變化對退火鋼卷溫度場(chǎng)的影響很小。從圖5可以看到,循環(huán)氣體流量從666 70m3增加到72670 ffl3,增加了6000 ffl3,退火加熱時(shí)間從1814h減少到1719h,僅縮短了015h。寶鋼在長(cháng)期的生產(chǎn)中,部分循環(huán)風(fēng)機老化,若按照設計風(fēng)量繼續生產(chǎn),風(fēng)機會(huì )出現震動(dòng),為了確保安全生產(chǎn),需調小循環(huán)風(fēng)量。根據上述分析,適當調小循環(huán)風(fēng)量,對退火過(guò)程影響不大。寶鋼將風(fēng)量調小約10%,如我們預期結果一致,未影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

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412 循環(huán)氣體溫度

    在生產(chǎn)過(guò)程中,要根據鋼種和用戶(hù)要求選取不同的循環(huán)氣體溫度制度進(jìn)行退火生產(chǎn)。溫度制度的選取直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞,退火溫度過(guò)高,鋼卷易出現粘結現象:退火溫度過(guò)低,又易出現軋硬現象。在寶鋼的實(shí)際生產(chǎn)中,這兩個(gè)問(wèn)題也是產(chǎn)生廢品的主要原因。此外,現場(chǎng)生產(chǎn)時(shí),由于燒嘴出現故障,常常造成循環(huán)氣體溫度低于設定溫度,導致鋼卷出爐時(shí)間延長(cháng)。因此,我們有必要討論循環(huán)氣體溫度變化對退火加熱時(shí)間的影響。

在加熱段中前期,氣體溫度升高或降低對冷點(diǎn)溫度影響不大,隨后氣體溫度對冷點(diǎn)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(diǎn)溫度所需加熱時(shí)間的差別。在實(shí)際生產(chǎn)溫度制度下,冷點(diǎn)達到620 e需1910h,若將該溫度制度提高20 e,則此時(shí)間為1718h,縮短112h;將溫度制度降低20 e,此時(shí)間值為2016h,延長(cháng)116h;而最高溫度制度比最低溫度制度下的退火加熱時(shí)間縮短218h。


5、結論

    (1)鋼卷退火加熱時(shí)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(shí),退火加熱時(shí)間從2219h減少到1916h,縮短313h。

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

    (3)鋼卷退火加熱時(shí)間與循環(huán)氣體流量和溫度成反比。循環(huán)氣體流量從66670m3/h增加到72670m3/h,增加了6000m3/h,退火加熱時(shí)間從1 814h減少到1719h,縮短了015h。循環(huán)氣體溫度從690 e提高到730 e,提高了40 e,退火加熱時(shí)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(xiàn)控制模型參數進(jìn)行修正,提高了控制模型計算退火加熱時(shí)間的準確性,不僅明顯減少了生產(chǎn)中對控制過(guò)程的人為干預,而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量

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