全氢罩式退火炉退火热过程的研究(Ⅰ)——数学模型及其实测验证.pdf

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.02.019 第25卷第2期北京科技大学学报 Vol.25 No.2 2003年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2003 全氢罩式退火炉退火热过程的研究(I) 数学模型及其实测验证林林”张欣欣”左燚”向顺华”刘铁树)钮龙英)黄夏兰) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)宝钢研究院设备研究所，上海201900 摘要分析了全氢罩式退火炉退火工艺过程的传热特点，建立了以板卷温度计算为核心的退火热过程数学模型，通过模拟计算得到了钢卷退火曲线，并与实测值进行了对比验证. 结果表明，该数学模型合理、可靠. 关键词全氢罩式退火炉；数学模型；传热分类号TG155;TF061.2:TF061.2 全氢罩式退火炉（简称全氢炉）生产的产品具外部温差满足要求（一般要求小于30℃，随不同有深冲性良好、表面光洁、生产率高等优点山，中钢种有小范围波动) 国钢铁企业已从奥地利EBNER和德国LOI公司冷却过程可细分为带加热罩冷却、辐射冷分别引进了这种先进的全氢炉，从目前的使用情却、带冷却罩冷却和快速冷却四个阶段.带加热况看，由于还没有完全掌握全氢炉退火过程的核罩冷却从均热阶段后的热态密封试验结束开始，心技术，特别是模型软件技术，在高技术、高附加这时停止燃气供应，由烧嘴中喷射常温空气直接值产品的进一步开发过程中，因此无法自主地确冷却内罩，达到冷却钢卷的目的，当炉内控制热定退火工艺过程，也无法对罩式炉车间进行优化电偶温度达到600℃时，结束带加热罩冷却，移走调度，可见，深入研究全氢炉退火工艺的传热过加热罩.从移走加热罩到吊盖冷却罩一般约有12 程，建立退火过程传热的数学模型，对进一步消 min的等待时间.在这一时间段内，内罩的散热方化和吸收国外先进技术，开发自主使用的全氢炉式为对环境的辐射和自然对流，称为辐射冷却阶具有十分重要的意义，段.扣上冷却罩后，开始带冷却罩冷却，此阶段中，由大流量、高流速的冷风对内罩进行冷却.当 1退火热过程分析炉内控制热电偶的温度达到一定值（根据不同的快冷方式，此温度为300450℃不等)时，启动快 1.1全氢退火炉热工操作分解速冷却装置，进行快速冷却，在快速冷却阶段中，根据全氢炉内的传热情况，整个退火过程可除冷却罩内进行的循环空气冷却外，还采用快冷分为加热和冷却两大过程，其中，加热过程又可方式加速钢卷的冷却.通常有两种快速冷却方细分为加热和均热两个阶段，加热阶段从吊盖加式，即氢气旁路冷却（将内罩内的循环氢气按比热罩，燃烧器点火开始，到循环气体温度达到规例抽取通过气/水换热器冷却后，再输入炉内，以定的退火工艺温度（如710℃）结束.均热阶段从快速降低循环氢气的温度)和水喷淋冷却（从冷加热阶段结束开始，在规定的退火工艺温度下进却罩顶部直接向内罩喷水进行冷却).当钢卷达行保温，直到同时满足以下两个条件时结束：① 到规定的出炉温度时，结束此过程，也即结束整钢卷达到工艺所需的温度（如710℃）：②钢卷内个退火过程， 12退火各阶段传热分析收稿日期20020619林林男，35岁，讲师，博士研究生在整个退火过程中，内罩内的传热（见图1 ★国家自然科学基金资助项目N0.50136020)

第卷第期年月北京科技大学学报记。及 ‘ 全氢罩式退火炉退火热过程的研究 — 数学模型及其实测验证林林 ‘，张欣欣 ” 左撇 ‘，向顺华 ” 刘铁树 ” 钮龙英 ” 黄夏兰，北京科技大学机械工程学院，北京宝钢研究院设备研究所，上海摘要分析了全氢罩式退火炉退火工艺过程的传热特点，建立了以板卷温度计算为核心的退火热过程数学模型，通过模拟计算得到了钢卷退火曲线，并与实测值进行了对比验证结果表明，该数学模型合理、可靠关键词全氢罩式退火炉数学模型传热分类号仆开全氢罩式退火炉简称全氢炉生产的产品具有深冲性良好、表面光洁、生产率高等优点〔，中国钢铁企业己从奥地利和德国公司分别引进了这种先进的全氢炉从目前的使用情况看，由于还没有完全掌握全氢炉退火过程的核心技术，特别是模型软件技术，在高技术、高附加值产品的进一步开发过程中，因此无法自主地确定退火工艺过程，也无法对罩式炉车间进行优化调度可见，深入研究全氢炉退火工艺的传热过程，建立退火过程传热的数学模型，对进一步消化和吸收国外先进技术，开发自主使用的全氢炉具有十分重要的意义退火热过程分析全氢退火炉热工操作分解根据全氢炉内的传热情况，整个退火过程可分为加热和冷却两大过程其中，加热过程又可细分为加热和均热两个阶段加热阶段从吊盖加热罩，燃烧器点火开始，到循环气体温度达到规定的退火工艺温度如 ℃ 结束均热阶段从加热阶段结束开始，在规定的退火工艺温度下进行保温，直到同时满足以下两个条件时结束 ① 钢卷达到工艺所需的温度如 ℃ ② 钢卷内收稿日期刁卜林林男，岁，讲师，博士研究生国家自然科学基金资助项目加外部温差满足要求一般要求小于 ℃ ，随不同钢种有小范围波动冷却过程可细分为带加热罩冷却、辐射冷却、带冷却罩冷却和快速冷却四个阶段带加热罩冷却从均热阶段后的热态密封试验结束开始，这时停止燃气供应，由烧嘴中喷射常温空气直接冷却内罩，达到冷却钢卷的目的当炉内控制热电偶温度达到 ℃ 时，结束带加热罩冷却，移走加热罩从移走加热罩到吊盖冷却罩一般约有的等待时间在这一时间段内，内罩的散热方式为对环境的辐射和自然对流，称为辐射冷却阶段扣上冷却罩后，开始带冷却罩冷却此阶段中，由大流量、高流速的冷风对内罩进行冷却，当炉内控制热电偶的温度达到一定值根据不同的快冷方式，此温度为一 ℃ 不等时，启动快速冷却装置，进行快速冷却在快速冷却阶段中，除冷却罩内进行的循环空气冷却外，还采用快冷方式加速钢卷的冷却通常有两种快速冷却方式，即氢气旁路冷却将内罩内的循环氢气按比例抽取通过气水换热器冷却后，再输入炉内，以快速降低循环氢气的温度和水喷淋冷却从冷却罩顶部直接向内罩喷水进行冷却当钢卷达到规定的出炉温度时，结束此过程，也即结束整个退火过程退火各阶段传热分析在整个退火过程中，内罩内的传热见图 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．2003．02．019

Vol.25 No.2 林林等：全氢罩式退火炉退火热过程的研究(I)一数学模型及其实测验证 ·175 传导内罩加热内罩冷却罩 W/(m℃)：T为第i卷钢的温度，℃：h为氢气与钢散热散热卷表面的对流换热系数，W/(m2.℃)q为内罩与空气流向辐射钢卷表面的辐射热流密度，Wm;上角标0代表辐射初始值：下角标H代表氢气；角标i,o,b,t分别流代表钢卷内、外、下、上四个表面. 导热 2.2钢卷外部传热数学模型烧嘴辐射保护气体燃气钢卷 (a)加热过程 (b)冷却过程图1退火过程传热分析 R Fig.I Schematic diagram of heat transfer mechanisms during the annealing process (a)主要包括：内罩与钢卷的辐射换热，氢气与钢 W 卷及内罩的对流换热，钢卷内部传热.加热过程图2第1卷钢卷导热坐标系统中，加热罩内的传热（见图1(a)》包括：高温烟气与 Fig.2 Coordinate system for the equation (1) 内外罩的对流与辐射换热，内外罩表面的辐射换热，加热罩外表面散热，加热罩壁的导热.冷却过钢卷温度场的计算与氢气、内罩、炉气、废气程中，冷却罩内的传热（见图1(b)》包括：空气与内及加热罩的温度变化密切相关，特别是氢气温度外罩的对流换热，内外罩表面间的辐射换热，冷和内罩温度，直接为钢卷导热微分方程提供边界却罩外表面散热.另外，根据不同快冷方式，快冷条件阶段还要附加部分氢气或内罩与冷却水的换热， (1)内罩温度的计算需要说明的是，通过估算可知内罩和冷却罩由于内罩可视为无限薄材，应用集总参数法的毕欧准数均小于0.1，所以可将内罩和冷却罩计算内罩温度：作为薄材处理. (oC (4) 且 2传热数学模型 Tic=Tie (t=0) (5) 2.1钢卷内部导热数学模型式中，Q和分别为内罩得到和损失的热量，全氢炉内第卷钢轴对称坐标系统如图2所 W:下角标IC代表内罩示.板卷内部导热方程为： (2)氢气温度的计算 ac=8以料朋氢气温度的集总参数法控制方程为： (1) 初始条件(t=0): (C- (6) T.(r,2)=T, (R≤r≤R:0≤z≤W) (2) 且边界条件t>0): TH.=TH (7) OT -A别k=[五-TR,2Hg=R,0≤z≤刚）式中，咒和m分别为氢气得到和失去的热量， w. 8T.l +九k=rTm-TR,2+qg=R,0≤2≤） (3)辐射热流密度 OT 由于氢气不参加辐射换热，因此式(3)中辐射 -元2=h[Ti-T,0jtga=0,R≤r≤R) 热流密度破的计算相对比较简单，这里角标k分 OT. -元a:x=hT-T形+g=W,Rsr≤R) 别代表钢卷内、外、下、上四个表面，有： g狼=ec-MoTE-Tk) (8) (3) 式中，ō为玻尔兹曼常数，5.67×10-；对钢卷外表式中，p为钢的密度，kgm:C:为钢的质量热容，J/kg℃)：入为钢卷轴向导热系数，即钢的导面，T为钢卷外表面平均温度，K;对钢卷内表面热系数，W/(m·℃)：为钢卷径向等效导热系数，和上、下表面，0：对顶部钢卷上表面，Tk为钢

公林林等全氢罩式退火炉退火热过程的研究 — 数学模型及其实测验证，散热内罩击冷却罩导热烧嘴 · ℃ 界为第卷钢的温度， ℃ 为氢气与钢卷表面的对流换热系数， · ℃ 为内罩与钢卷表面的辐射热流密度，上角标代表初始值下角标践代表氢气角标，。，，分别代表钢卷内、外、下、上四个表面钢卷外部传热数学模型保护气体燃气罩撇叫昌封户】酬画鹏姗，、箫加热过程冷却过程图退火过程传热分析主要包括内罩与钢卷的辐射换热，氢气与钢卷及内罩的对流换热，钢卷内部传热加热过程中，加热罩内的传热见图包括高温烟气与内外罩的对流与辐射换热，内外罩表面的辐射换热，加热罩外表面散热，加热罩壁的导热冷却过程中，冷却罩内的传热见图包括空气与内外罩的对流换热，内外罩表面间的辐射换热，冷却罩外表面散热，另外，根据不同快冷方式，快冷阶段还要附加部分氢气或内罩与冷却水的换热需要说明的是，通过估算可知内罩和冷却罩的毕欧准数均小于 ‘，，，所以可将内罩和冷却罩作为薄材处理图第卷钢卷导热坐标系统钢卷温度场的计算与氢气、内罩、炉气、废气及加热罩的温度变化密切相关，特别是氢气温度和内罩温度，直接为钢卷导热微分方程提供边界条件内罩温度的计算由于内罩可视为无限薄材，应用集总参数法计算内罩温度。。冷令一。一、传热数学模型钢卷内部导热数学模型全氢炉内第卷钢轴对称坐标系统如图所示板卷内部导热方程为，、刁厂刁，、刁。刁不、共升二立该一从厂，头牛弓升」凡二头月」门、粉， ’ ，刁一己 ’ “ ’ 日 ’ 日 ‘ “ 初始条件厂，尸，凑 ‘ 贸 ‘ ‘ 班边界条件且不蹂式中，达和俄分别为内罩得到和损失的热量，下角标代表内罩氢气温度的计算氢气温度的集总参数法控制方程为。。八鲁一。一二。一掀斌几一不伍，叔二足， ‘ ‘ 班一，几一不了，员留，自‘ 班一。片一联，盆份，足‘ ‘ 衅一以 ‘「几一不，城〕盆班， ‘ ‘ 了式中，为钢的密度，，，为钢的质量热容， · ℃ 又、为钢卷轴向导热系数，即钢的导热系数，汉 · ℃ 几为钢卷径向等效导热系数，且几片式中，么和酬分别为氢气得到和失去的热量，辐射热流密度由于氢气不参加辐射换热，因此式中辐射热流密度以的计算相对比较简单，这里角标分别代表钢卷内、外、下、上四个表面，有守轰。一试尺一璐，式中，。为玻尔兹曼常数，对钢卷外表面，几，，为钢卷外表面平均温度，对钢卷内表面和上、下表面，啦“ 对顶部钢卷上表面，几，，为钢习兄明，凡一一

·176 北京科技大学学报 2003年第2期卷上表面平均温度· 吻合，说明本文的数学模型及其模拟计算软件可 2.3内罩外的传热描述靠。内罩外的传热涉及高温炉气（或冷却空气）、 800 环境与内罩、加热罩（或冷却罩）之间的传热，与钢卷退火工艺的传热过程的模拟密切相关， 600 (1)炉膛热平衡与炉气温度的计算加热过程中，使用“充分搅拌”零维模型计算 400 炉气温度，即假设在炉膛内不存在温度梯度和浓 200 值度梯度，炉膛内为温度均匀的燃烧产物气体区，卷边计算值因此可根据炉膛热平衡计算炉气的温度 0 10 b 30 40 5060 单位时间内的炉膛热平衡表达式为： t/h O+or+o.=o-K+0++ (9) (a)装炉量为122,120kg的对比验证式中各项依次为燃料燃烧的化学热、燃料带入的 800 物理热、空气带入的物理热、炉气通过辐射与对 600 流传给内罩的热量、炉气通过辐射与对流传给加热罩的热量、排烟带走的物理热、其他热损失， 400 W:其中Q。占总热量的比例为常量 200 卷内实验值 (2)加热罩温度的计算. 加热罩内部导热方程为： OTHH oc-8别 (10) 0 10 20 30 40 t/h 初始条件(t=0): b)装炉量为52,640kg的对比验证 Ti(r,0)=T,(Rin)<r<Rim (11) 800 边界条件(t>0): %imm m∂T=qm+4gm一9编-e《=Rim） 600 一λHOr (12) -票-哈+h=） 400 式中，下角标H表示加热罩：9为表面热流密度， 200 卷内实验值卷边实验值上角标CV和R分别表示对流和辐射，岸内计曾卷边计算值 0 10 20 30 40 50 3钢卷加热制度及数学模型验证 t/h (c)装炉量为74,160kg的对比验证钢卷退火曲线的模拟计算是全氢炉退火热图3不同装炉量下计算值与实测值的对比验证过程数学模型开发的根本目标与核心任务.通过 Fig.3 Comparison of the calculated values with experi- 模拟计算可以建立不同钢种、不同规格、不同炉 mental data for different coils charges 况条件下冷轧钢卷的退火制度，指导退火工序生产，并为实现炉群退火的在线控制和调度优化提 4结论供基础。为了验证所开发的数学模型的合理性和计建立了以板卷温度计算为核心的全氢罩式算程序的正确性，分别对三种不同钢种、不同装退火炉退火热过程的数学模型，得到了不同规炉量的冷轧板卷的退火过程进行了测试.如图3 格、不同钢种、不同装炉量的钢卷退火曲线.通过所示，分别测试了不同位置板卷的内部温度和表与钢卷温度实测值的对比验证，说明模型计算结面温度随退火时间的变化，并与模拟计算结果进果合理、可靠.本文提出的数学模型及其计算软行了对比.验证结果表明，在不同钢种、不同装炉件可以用于分析全氢罩式退火炉的工作状况，建量的条件下，模拟计算结果与实测数据都有较好立不同钢种的退火工艺曲线，为进一步实现罩式

北京科技大学学报年第期卷上表面平均温度内罩外的传热描述内罩外的传热涉及高温炉气或冷却空气、环境与内罩、加热罩或冷却罩之间的传热，与钢卷退火工艺的传热过程的模拟密切相关炉膛热平衡与炉气温度的计算加热过程中，使用 “ 充分搅拌 ” 零维模型计算炉气温度，即假设在炉膛内不存在温度梯度和浓度梯度，炉膛内为温度均匀的燃烧产物气体区，因此可根据炉膛热平衡计算炉气的温度单位时间内的炉膛热平衡表达式为汗一认式中各项依次为燃料燃烧的化学热、燃料带入的物理热、空气带入的物理热、炉气通过辐射与对流传给内罩的热量、炉气通过辐射与对流传给加热罩的热量、排烟带走的物理热、其他热损失，其中占总热量的比例为常量加热罩温度的计算加热罩内部导热方程为吻合，说明本文的数学模型及其模拟计算软件可靠一、才女岑芡飞了韶” ‘州一，下祠里二一。卜 ’ 孔产户 ’ · 卷内实验值、了通卷边实验值『丫 ‘ 介袭 ‘ 一卷内计算值、甘卷边计算值件刃忿百 ‘，拭一︸︸尸，、，从装炉量为，的对比验证纽卜、徐一令翻以朋翻一广牙卜呵右， ’ ” ，，厂一 ‘ ，’ 、 ‘ 吸一广 ’ ’ 火节厂 · 卷内实验值飞熟乙了卷边实验值介卜灾下二卷内计算值万卷毕计算值初始条件几，珠，介尺知边界条件装炉量为，的对比验证一编擎一。、汁口漏一扁。一一鲡淤一端一域一二一踢式中，下角标表示加热罩为表面热流密度，上角标和分别表示对流和辐射钢卷加热制度及数学模型验证钢卷退火曲线的模拟计算是全氢炉退火热过程数学模型开发的根本目标与核心任务通过模拟计算可以建立不同钢种、不同规格、不同炉况条件下冷轧钢卷的退火制度，指导退火工序生产，并为实现炉群退火的在线控制和调度优化提供基础为了验证所开发的数学模型的合理性和计算程序的正确性，分别对三种不同钢种、不同装炉量的冷轧板卷的退火过程进行了测试如图所示，分别测试了不同位置板卷的内部温度和表面温度随退火时间的变化，并与模拟计算结果进行了对比验证结果表明，在不同钢种、不同装炉量的条件下，模拟计算结果与实测数据都有较好 … 才石丫 ’ 尸卷内计算值一了 ‘ 一卷边计算值了、、 ‘‘盈 ‘ 、产装炉量为，的对比验证图不同装炉最下计算值与实测值的对比验证加作结论建立了以板卷温度计算为核心的全氢罩式退火炉退火热过程的数学模型，得到了不同规格、不同钢种、不同装炉量的钢卷退火曲线通过与钢卷温度实测值的对比验证，说明模型计算结果合理、可靠本文提出的数学模型及其计算软件可以用于分析全氢罩式退火炉的工作状况，建立不同钢种的退火工艺曲线，为进一步实现罩式