带钢退火工艺及其装备(全氢罩式退火炉)

1、12021/5/17带钢退火工艺及装备带钢退火工艺及装备 ( (培训教程大纲培训教程大纲) )北京科技大学热能工程系北京科技大学热能工程系Department of Thermal Energy Engineering of USTBDepartment of Thermal Energy Engineering of USTB22021/5/17一、发展历程一、发展历程( (历史沿革历史沿革) )二、基本构造与操作过程二、基本构造与操作过程三、炉内传热过程的分析三、炉内传热过程的分析四、四、数值模拟与实验验证数值模拟与实验验证五、参数优化及其分析五、参数优化及其分析六、主要结论六、主要结论第

2、一部分第一部分全氢罩式炉退火工艺及其装备全氢罩式炉退火工艺及其装备32021/5/17混氢混氢(HNX)(HNX)强对流罩式炉强对流罩式炉: :武钢冷轧厂武钢冷轧厂2020世纪世纪7070年代初引进年代初引进德国德国LOILOI公司生产的分流冷却罩式炉公司生产的分流冷却罩式炉全氢罩式炉全氢罩式炉: : 7070年代末奥地利年代末奥地利EBNEREBNER公司公司(HICON/H(HICON/H2 2) )和德国和德国LOILOI公司公司(HPH)(HPH)分别开发完善分别开发完善传统罩式炉传统罩式炉: :鞍钢冷轧厂鞍钢冷轧厂2020世纪世纪5050年代年代引进的由前苏联设计开发制造引进的由前苏

3、联设计开发制造一、发展历程一、发展历程42021/5/17二二 全氢罩式炉的基本构造全氢罩式炉的基本构造2021/5/17空气喷嘴空气喷嘴扩散器扩散器全密封炉台全密封炉台保护气氛保护气氛循环风扇循环风扇高速烧嘴高速烧嘴燃料预热燃料预热加热罩加热罩内罩内罩对流板对流板主体结构主体结构2021/5/17水喷淋探头水喷淋探头风扇风扇风扇风扇冷却罩冷却罩带罩冷却过程带罩冷却过程72021/5/1782021/5/17三、炉内传热过程分析三、炉内传热过程分析v 板卷加热的数学模型板卷加热的数学模型v 板卷均热的数学模型板卷均热的数学模型v 板卷冷却的数学模型板卷冷却的数学模型v 数学模型的实验验证数学模

4、型的实验验证v 数值模拟结果及分析数值模拟结果及分析92021/5/17v加热过程 加热过程 均热过程v冷却过程 带加热罩冷却过程 辐射冷却过程 带冷却罩冷却过程 快速冷却(氢气旁路冷却或水喷淋冷却)102021/5/17v建立全氢罩式炉退火过程数学模型，进行离线建立全氢罩式炉退火过程数学模型，进行离线预报钢卷退火工艺曲线，为今后实现钢卷温度预报钢卷退火工艺曲线，为今后实现钢卷温度的在线跟踪和炉温的动态计算提供基础。的在线跟踪和炉温的动态计算提供基础。v对不同来料、不同产品的退火过程，只要将原对不同来料、不同产品的退火过程，只要将原始数据作为模型输入条件，模型即可计算出相始数据作为模型输入条件

5、，模型即可计算出相应的退火曲线，为工艺优化与过程控制提供依应的退火曲线，为工艺优化与过程控制提供依据。据。v建立、完善不同钢种、不同规格的钢卷在不同建立、完善不同钢种、不同规格的钢卷在不同产量条件下的优化退火工艺制度，为今后实现产量条件下的优化退火工艺制度，为今后实现在线控制提供坚实的理论基础。在线控制提供坚实的理论基础。建立数学模型的目的建立数学模型的目的112021/5/17四、数值模拟与实验验证四、数值模拟与实验验证122021/5/17(1)(1)模型验证：实测条件和结果分析模型验证：实测条件和结果分析02004006008000102030405060卷边卷边卷芯卷芯时间，(hr)温

6、度，()2211-卷芯卷芯2-卷边卷边钢卷钢卷编号重量kg钢卷宽mm钢板厚mm外径mm414090922,8001,0120.8062,028314090632,5601,0120.8062,383214090533,0001,0120.8062,391114090733,7601,0120.8062,4234321132021/5/17模型验证模型验证(I)(I)0510152025303540455055600100200300400500600700800Temperature, Celsius DegreeTime, hr experimental value of core expe

7、rimental value of edge calculated value of core calculated value of edge1-core2-edge12142021/5/17模型验证模型验证(II)(II)051015202530354045500100200300400500600700800Temperature, Celsius DegreeTime, hr experimental value of core experimental value of edge calculated value of core calculated value of edge1-c

8、ore2-edge12152021/5/17模型验证模型验证(III)(III)0510152025303540450100200300400500600700800Temperature, Celsius DegreeTime, hr experimental value of core experimental value of edge calculated value of core calculated value of edge1-core2-edge12162021/5/170510152025303540100200300400500600700Whole Fuel Consu

9、mption: 14653.73 Nm3 Average Fuel Flux: 413.42 Nm3/hrFuel Flux, Nm3/hrTime, hr1121gPgwastefuelpfualairpairairDWheatICgICCVICgasRICgasHHgHHCVHHgasRHHgasTCVTCTCVQKTTFhGShTTFhGShB分析分析1 1燃料消耗量变化燃料消耗量变化172021/5/1701020304050600100200300400500600700800900Temperature, Celsius DegreeTime, hr Inner Cover Hyd

10、rogen Monitor Point分析分析2 2 退火过程钢卷温度的变化退火过程钢卷温度的变化182021/5/17分析分析(3)(3)：钢卷温度分布：钢卷温度分布(7hr)(7hr)-1.2-1-0.8 -0.6 -0.400.511.522.533.54250300300350300350400300350400rz(a) 7hr192021/5/17分析分析(3)(3)： 钢卷温度分布钢卷温度分布(48hr)(48hr)-1.2-1-0.8 -0.6 -0.400.511.522.533.54450400350400450350400450300350400rz(e) 48hr202

11、021/5/17退火过程的参数优化及其分析退火过程的参数优化及其分析v 对流换热及对流换热系数对流换热及对流换热系数v 钢卷径向等效导热系数钢卷径向等效导热系数v 循环风量的优化与分析循环风量的优化与分析v 钢卷温度与检测点温度的关联关系钢卷温度与检测点温度的关联关系212021/5/17DLDVnfngnfnhLDDVKh11 1、对流换热系数的分析研究、对流换热系数的分析研究(1)(1) 数。对流换热系数的实验常；气体流动路线的长度；气体密度；气体动力粘度；气体导热系数；气体通流直径；气体流速DLDVhgfnnnnKmLmkgsmkgcmWmDsmV,/)/()/(/3222021/5/1

12、72 2、钢卷径向等效导热系数的分析、钢卷径向等效导热系数的分析(1)(1)钢卷内的径向传热示意图AA带钢间保护气体导热、带钢间保护气体导热、BB带钢间辐射热交换；带钢间辐射热交换；CC接触点导热、接触点导热、DD带钢导热带钢导热 232021/5/17RS1/2RS1/2RGRDRCTRR钢卷内部导热热阻网络模拟103000/1114/211SLRTSLLLCTsmgSSr2 2、钢卷径向等效导热系数的计算、钢卷径向等效导热系数的计算(2)(2)其中：0 100% L0=b/S242021/5/1700.20.40.60200400600800氢气氮气T，()rad/steel =0（a）（

13、b）02040600200400600800钢氮气氢气 =0L0=0.01T，()，（Wm）2 2、氢气与氮气介质中钢卷径向等效导热系数的比较、氢气与氮气介质中钢卷径向等效导热系数的比较252021/5/17影响钢卷径向等效导热系数的参数氢气介质中钢卷径向等效导热系数随的变化00.20.40.60.800.51.01.52.0N2,L0=0.03N2,L0=0.01H2,L0=0.03H2,L0=0.01，（%）rad/steel0.60.70.80.91.0020406080100 Tsteel=700 L0=0.01，（%）rad/steel3 3、影响钢卷径向等效导热系数的因素、影响钢卷

14、径向等效导热系数的因素262021/5/17不同循环风量下的钢卷卷芯退火曲线不同循环风量下的钢卷卷芯退火曲线3 3、退火过程循环风量的优化、退火过程循环风量的优化010203040506070800100200300400500600700800Temperature, Celsius DegreeTime, hr 110,000 Nm3/hr 90,000 Nm3/hr 70,000 Nm3/hr 50,000 Nm3/hr 30,000 Nm3/hr272021/5/17钢卷温度与检测点温度的在线关联式钢卷温度与检测点温度的在线关联式时间段 t（hr）表达式 f0t11t3838t58.5

15、f=a+b1t+b2t2f=(b+ct)/(1+at)f=f0+a1e-(t-t0)/x1f1=Tcon(t)/Tmon(t)a=0.97024b1=1.88564b2=-1.1491a=0.56269b=2.22159c=0.52907f0=0.79184t0=38.03a1=0.21853x1= 3.07573f=a+b1t+b2t2f=(b+ct)/(1+at)f=a+b1t+b2t2+b3t3f2=Tcen(t)/Tmon(t)a=1.03484b1=-1.53406b2=0.78634a=0.35009b=-0.10238c=0.3808a=-23.79697b1=1.48994b2

16、=-0.02926b3=1.8978810-4 Tcon TmonTcen0510152025303540455055600.20.40.60.81.01.21.41.61.8fTime, hr f1 f2282021/5/17全氢罩式退火炉热过程全氢罩式退火炉热过程离线数学模型计算结果及分析离线数学模型计算结果及分析292021/5/17离线数学模型的主要功能离线数学模型的主要功能 改变输入参数，模型计算软件可以适应下列变化：改变输入参数，模型计算软件可以适应下列变化：钢卷尺寸：钢卷内外径，板卷宽度，钢板厚度；钢卷尺寸：钢卷内外径，板卷宽度，钢板厚度；装装 炉炉 量：钢卷个数（量：钢卷个数（

17、1-41-4卷，各卷几何参数可不同）；卷，各卷几何参数可不同）；钢钢 种：钢的热物性参数；种：钢的热物性参数；燃气种类：燃气成分与燃气消耗量；燃气种类：燃气成分与燃气消耗量；冷却方式：氢气旁路冷却与水喷淋冷却；冷却方式：氢气旁路冷却与水喷淋冷却；退火曲线：按时间或温度控制计算流程；退火曲线：按时间或温度控制计算流程；介质流量：氢气和冷却空气各阶段流量；介质流量：氢气和冷却空气各阶段流量；温度变化：环境温度、初始温度、空气预热温度等温度变化；温度变化：环境温度、初始温度、空气预热温度等温度变化；炉子参数：内罩、加热罩与冷却罩的尺寸及物性变化。炉子参数：内罩、加热罩与冷却罩的尺寸及物性变化。302

18、021/5/17 通过模拟计算，模型软件可以实现：通过模拟计算，模型软件可以实现：按时间控制计算流程按时间控制计算流程钢卷温度变化；钢卷温度变化；氢气温度变化；氢气温度变化；内罩温度变化内罩温度变化。按温度控制计算流程（除上述温度外）按温度控制计算流程（除上述温度外）加热时间；加热时间；均热时间；均热时间；带加热罩冷却时间；带加热罩冷却时间；带冷却罩冷却时间；带冷却罩冷却时间；快速冷却时间；快速冷却时间； 总退火时间。总退火时间。312021/5/17 通过模拟计算，模型软件可以实现：通过模拟计算，模型软件可以实现：退火过程热工分析退火过程热工分析 燃料消耗量；燃料消耗量； 各退火阶段钢卷断面温度；各退火阶段钢卷断面温度； 炉内对流与辐射换热强度；炉内对流与辐射换热强度； 监视点与卷边及卷芯温度的关系曲线；监视点与卷边及卷芯温度的关系曲线； 操作参数和结构参数的影响分析。操作参数和结构参数的影响分析。计算完毕，自动生成详细的退火过程报告计算完毕，自动生成详细的退火过程报告322021/5/17主要结论主要结论分析了对流换热系数与钢卷径向等效导热系数的影响因素，对比了它分析了对流换热