不锈钢冷轧连续退火炉冷却系统工艺分析_申德_副本

不锈钢冷轧连续退火炉冷却系统工艺分析申德（冷轧分厂丁作业区冷线退火炉）摘要：介绍了不锈钢带水平悬索式连续退火炉冷却系统的工艺与应用，并对冷轧不锈钢退火炉的冷却段进行了分析，包括空冷段、水冷段。关键词：冷轧不锈钢；连续退火炉；冷却系统；水冷Abstract: this paper in troduces the sta ini ess steel belt level suspe nsion type con ti nu ous ann eali ng furn ace cooli ng system, and the applicatio n and process of cold rolled stai nl ess steel ann eal furn ace cooli ng secti on is an alyzed, in clud ing air cooli ng sect ion, water cooli ng sect ion.Keywords: cold rolled sta ini ess steel; Continu ous ann eali ng fur nace; Cooli ng system; water-cooled1. 不锈钢连续退火炉冷却系统不锈钢带轧制后产生硬化，耐蚀性降低。经过连续热处理， 可以改善组织，提高塑性，实现碳化物固溶。图11所示为某规 格AISI304退火温度曲线，该曲线已在生产实践中较好地应 用。图1不锈钢退火温度曲线5()202不锈钢带轧制后的连续热处理包含加热段和冷却段,其中带钢的冷却段工艺影响不锈钢碳化物固溶效果以及性能和板 形。例如对于奥氏体不锈钢，在850500 C之间冷却速度慢 时，将因碳化物在晶界析出而产生敏化,对其产品的耐腐蚀性有明显的影响，因此通常冷却速度应大于 20 C/s。某规格不锈钢的冷却速率与碳化物析出的关系曲线如图2O0.020L5 2.5&511162733冷却速度小710.06蹙15权潼图2 不锈钢的冷却速度与碳含量关系曲线酒钢公司采用的奥氏体不锈钢冷轧连续退火冷却工艺，以38.5 C /s速率快速冷却,使带钢从1150 C冷却到180 C；再用水 喷淋冷却，使带钢从180 C冷却到80 C；最后经干燥段烘干出 炉。对于不锈钢连续退火炉冷却段的设计，一般采用钢板焊接 的冷却室。在钢带上下面各布置多排喷头，将冷却介质喷向钢 带表面，冷却钢带。通常采用的冷却介质有水、水雾、蒸汽、 空气等，按钢带的材质和厚度选用。钢带的冷却速度主要由其 热处理工艺要求来确定。从大多数不锈钢连续退火炉的实际冷 却系统来看，都存在冷却介质多样，设备复杂的特点。2. 酒钢不锈钢冷轧连续退火炉冷却系统酒钢采用的是目前世界上最先进的冷却技术2】，即将空冷段与水冷段合二为一。具体方式如下：（1）空气喷射冷却段冷轧采用的是8段式，长度41.6m。将加热后的带钢按规定冷 却速度冷却至要求温度。每一个空气冷却段由4mm厚的AISI-304不锈钢板制成，并用钢结构加固。其中，1st、2nd段内 覆有30mm的绝热材料。其它结构如空气供给、排烟管道等都 是普碳钢制成。喷气箱由AISI-316制成，每个喷气箱都包含一 个控制阀门，喷气箱与普通钢质总管相连。为收集钢带带来的粉尘和碎片，每一个喷射冷却段的底部都安装了一套湿式除尘 装置。其工作原理如图3所示。带钢上、下分别设有空气喷管，并按规定的冷却速度进行冷却。图3带钢冷却原理图（2）喷水冷却段其冷却形式是水雾冷却。设有10排水喷管，喷嘴为水-雾 式，长度6m。通过水雾冷却，将带钢冷却至规定温度。最终喷 水冷却段由4mm厚AISI-304不锈钢板制成，同时内部安装了成 排的喷水总管。每排管子都成上下布置。管子上所接的平喷式喷嘴材质是 AISI-304不锈钢。水的供给的分布和控制被分成了 6组，每组都有独立的开/关控制（一上一下两跟管子）。每个 总管都有一个手动的流量调节阀来调节水量，这个调节阀也可以调节冷却区域。喷射总管的布置可以实现当切断后不滴水，此时可以用干燥风机供给的空气进行冷却。为了便于移动，喷射管采用了便于快速分离的连接方式。3. 冷却段的传热计算分析（1）不锈钢带进入冷却区后的换热过程是一个复杂的热传 递过程，包含了对流、辐射以及带钢内部的传导三种传热形式。对于空冷段的传热分析，可认为是射流冲击传热 3】。但射 流冲击换热现象复杂4】，无法在实际计算中运用传热学原理进 行计算。所以寻找一种简单的计算方法成了本节讨论的重点。通过考虑，带钢在冷却段的运行方式，采用流体外掠平板传热 的计算方式。采用如下公式，对带钢在冷却段的冷却进行分 析。Nu=0.332Re 0-5Pr0-333(1)式中：Nu为努赛尔数，HI/ ；。Re为雷诺数,Re=UL/ V205368。其中U为速度特征尺度,L为长度特征尺度,v为运动学黏性系数。Pr为普朗特数，Pr= v / a =c=Q.7/k3。卩为动力粘 度；C为等压比热容；k为热导率；a为导温系数，为运动粘 度。通过计算当地的努赛尔数为：134H= _/LNu=(0.0267/0.067) X134=59.2W/(m 2K)(2)假设产品板厚$为1mm，板宽B为1250 ,钢带速度v为 100m/min,带钢进冷却段时的温度 tB1为1150 C,要求经过空冷 段后，钢带温度降至tB2为180 C。先计算带钢在1#冷却箱体内 的冷却模式；但由于在1#冷却箱体内,带钢温度较高,在计算其 传热系数时，需要考虑带钢对冷却介质的辐射。在这里取辐射 换热系数为a辐5=57 W/(m 2 K)。则1#冷却箱体内带钢总的传热系数为h=H+a辐(3)设空气带走的热量为Q 6】。由公式：-(4)设带钢的平均温度为T=(tB1 XtB2)0.5(5)则：，=115 X 5.2 X 1.25 X042 X 2= 1605754W则带钢在冷却出口的温度为：T 出=t b1-Q/(C XM)=357 C(6)式中c带钢比热,kJ (/ kg C)；M带钢质量,kg ;而在2#至8箱体计算时没有考虑带钢对气体的辐射热，因为根据实际测的温度和计算的温度来看,带钢的温度是较低的。设在2#箱体内空气带走的热量为 壬贝y ,2=h XA XAT(7)=59 X 5.2 X 1.2500 X 2= 245440W表1是2#至8#冷却箱内带钢的出口温度 。与工艺要求的带钢温 度是相一致的。2#228 C3#179 C4#134 C5#115 C6#102 C7#64 C8#35 C表1 2#至8#冷却箱内带钢的出口温度为了验证计算的正确性，通过测量规格为1.078 X1250mm的带钢，得到了各冷却箱体出口的温度，见表2。1#365 C2#217 C3#183 C4#152 C5#138 C6#109 C7#90 C8#54 C表2 1#至8#冷却箱内带钢的实际出口温度(风机功率在75%)(2) 以上是八台风机在满负荷的情况下的带钢冷却温度 但是为了节约能源、降低带钢的生产成本。对冷却段风机进行 降低功率消耗的计算验证。通过计算，当风机的功率在75% 时，其雷诺数 Re=154026 ；而其努赛尔数 Nu=116 ；因空气的 普朗特数为定值，经计算，此时的对流换热系数为H=52W/（m 2K）。（为计算方便，假设在所有计算中，唯一的变 量只有带钢与空气之间的对流传热系数）则依据（1）的计算原理，得到冷却段带钢的温度分布；如表2所示：1#398 C2#244 C3#188 C4#140 C5#123 C6#111 C7#78 C8#52 C表3 1#至8#冷却箱内带钢的出口温度（风机功率在75%）与工艺要求的带钢温度是相一致的 。当风机功率在50%时，通过计算得表3所示的温度分布，如下所示：1#2#359 C3#310 C4#265 C5#246 C6#233 C7#194 C8#165 C表4 1#至8#冷却箱内带钢的出口温度(风机功率在50%)显然此时是不能满足工艺要求的。通过计算，当风机功率为72%时，带钢表面的温度能满足生产工艺。相当于能节省28%的电量。当风机功率为160KW,八台风机1小时可节省的电量 为：Q=160 X0.28 X8=358KW/h。在满足带钢工艺生产的前提下，尽量减小风机的功率，能 减少带钢的生产成本,为提高企业在同行业中的竞争力有一个 指导性的意义。(3) 在喷水冷却中，占主导的是有相变的对流换热，即沸腾换热7】。沸腾换热的换热系数要比无相变时的对流换热系数 大得多。因空冷段冷却后的温度，已经满足带钢所要求的温 度。因此水冷段传热暂不做计算分析。读者可参考空冷段的计算原理进行分析。4 .结束语为了降低成本、提高生产能力及产品质量，同时也为了提 高能源效率，简化设备，不锈钢热处理冷却段的要求也越来越 高。本文介绍了不锈钢带水平悬索式连续退火炉冷却系统的工 艺与应用，并对冷轧不锈钢退火炉的冷却段进行了分析，包括空冷段、水冷段。所介绍的连续退火炉，合理选择配置了冷却 系统，实现了带钢表面换热均匀；优化采用空冷段与水冷段合 二为一；能够满足冷轧不锈钢生产的高效率、高质量的需要。 通过优化风机功率，可在一定程度上降低带钢的生产成本，为企业在本行业中的竞争力有一个指导性的意义。参考文献：1 窦坦明，金晓宏不锈钢带连续退火炉冷却系统工艺分析J.山东冶金，2006 ,4, (8) 44 46.2 王福凯，白秀艳.冷轧不锈钢带连续退火炉J.Industrial Furnace ,2004, (1 )：18 20.3 4杨世铭，陶文铨传热学M .北京：高等教育出版社,2006.8. 钢铁厂工业炉设计参考资料M .北京：冶金工业出版社，1981.3 杨世铭，陶文铨传热学M .北京：高等教育出版社，2006.8.7钢铁厂工业炉设计参考资料M .北京：冶金工业出版社，1981.3附录假设产品板厚伪1mm ，板宽B为1250mm，钢带速度v 为100m/min,带钢进冷却段时的温度 tB1为1150 C，要求经过空冷段后,钢带温度降至tB2为180 C。(1)基础计算设风机的风量为：=46600Nm 3/h.则冷却风在带钢一侧的流量为1= 0/2=23300Nm3/h.(1)而空气在每秒中的 流量为 q=1/3600=6.47Nm 3/h.(2)下面进行对空气进入冷却段流速的计算，因为通过流速可以确定空气经过带钢表面时所形成的是紊流还是层流。紊流与层流间的传热系数是不同的。V=q/A(3)式中：A为空气流经带钢的面积。设带钢的宽度 B=1250mm , L=空冷锻箱体长度/空气在实际 带钢上的接触长度,取箱体的一半。贝y A=L XB=2.5 X2.6=6.5m 2(4)贝 V=6.47/6.5=0.995726m/s(5)Re=VL/ v(6)式中：V为速度特征尺度，L为长度特征尺度，v 为运动学黏性系数。(空气的v在20 C时查表为6.0 X10-5 m 2/s)则 Re=VL/ 尸0.99572 X2.65/(6.0 X10-5)= 205368Pr= v / a =c=0.703(7)则 Nu=0.332Re 叩严33=134又因为Nu=HI/入(8)式中：H为对流换热系数,入一一为空气的导热系数。(2) 传热系数计算求得H=59W/(m 2 )；先计算带钢在1#冷却箱体内的冷 却模式；但由于在1#冷却箱体内，带钢温度较高，在计算其传热 系数时，需要考虑带钢对冷却介质的辐射。在这里取辐射换热 系数为a辐=57 W/(m 2 )。则1#冷却箱体内带钢总的传热系数为h=H+a辐(3) 传热量的计算求得对流换热系数是为了空气掠过带钢表面时求出所带走的热量，设带钢带走的热量为 Q则Q=H XA xzT(10)式中：A为换热面积,AT 为带钢与空气间的温度差。在计算温度差时,带钢出口的温度是不知道的。这是本次计算所要解决的问题，通过查询资料，以及换热量计算经验得如下的计算方式。先假设带钢出口的温度是根据冷却速度而定，因假设条件下的冷却温度平均为38.5 C /s ,而箱体的长度为5.2m。带钢走完一个箱体的时间为大约3s。故此时空气冷却的温度为38.5 X3=107 C,其意义是带钢经过空冷箱体之后,要冷却掉107 C的热量。但是根据经验以及对流换热的性质。带钢在1# ; 2#箱体内冷却的速度远远大于这个值，根据数值计算，取150 Co则带钢的平均温度为T= ( tB1 XtB2 )5(11)式中:tB1为带钢进入冷却箱体时的温度 ,tB2为带钢在冷却箱体出口时的温度。则在1#箱体内,带钢的平均温度为 = 1072 C.则T=-T室=1072-30=1042C(12)贝 y Q=H XA XZT=115 X 5.2 X 1.25)4XX 2= 1605754W则带钢在冷却出口的温度为：T 出=t b1-Q/(C XM)=357C(13)式中c带钢比热,kJ (/ kg C)；M带钢质量,kg ;而在2#至8箱体计算时没有考虑带钢对气体的辐射热，因为根据实际测的温度和计算的温度来看，带钢的温度是较低的。设在2#箱体内空气带走的热量为j 2贝U辽勺XAXAT=59 X 5.2 X 1.2S00 X 2= 245440W(14)(4) 假设条件说明根据1#箱体的原理，可依次计算2#至8#冷却箱体带钢出 口温度值。值得一提的是在冷却掉温度的假设中，1# , 2# , 3#都取的是150 C,而4#取的是100 C, 4#取的是100 C, 5#为 50 C, 6# 为 45 C, 7# 为 20 C, 8#10 C .(5 ) Re的改变，可改变传热系数，从而改变传热量以及带 钢在冷却箱体出口的温度 。