（动力工程及工程热物理专业论文）连续退火炉中带钢冷却特性和结构优化.pdf

重庆大学硕+ 学位论文中文摘要 摘要 高品质冷轧板材对连续退火工艺的要求非常高，而一次冷却技术是连续退火 工艺中的核心技术之一。因此快速稳定便于控制的一次冷却速度就成为提高产品 品质的一个重要方法。近年来，大量研究发现一次冷却速度与冷却介质的自身特 性，金属板材初始温度和规格，冷却段结构等因素有关，而这些关系因为技术保 密及认识原因并没有得到深入研究。 本文采用标准k - e 紊流模型，对快冷段局部带钢的二维和三维非稳态温度场进 行了c f d 模拟，经过与实验数据的对比，验证了数值模拟计算方法的可信度。并 通过该数值模型研究了冷却介质的不同组分和不同喷出速度、带钢的不同初始温 度和厚度、不同的风箱间距和喷嘴结构对带钢表面冷却特性的影响。并对实际设 计提出了一些建议。 研究发现，在连续退火过程中欲获得更高的一次冷却速度又能提高产品质量， 含有高导热性、大热容量的还原性冷却气体是一种理想的冷却介质，在本研究中， 氢气含量占3 0 的氮氢混合气体在其它工况参数相同下具有最好的冷却特性；带 钢表面的冷却速度和综合传热系数随其厚度增加呈抛物线性下降，随初始温度的 升高呈抛物线状提高，随冷却介质喷吹速度增加近乎呈线性增高。在实际生产时， 为获得较高的冷却速度，可以在产品工艺许可的范围内，适当提高带钢的初始温 度。 快冷段冷却性能与快冷段中风箱间距成反比，变化率随风箱间距的增大而加 快；且对单个喷嘴，间距越小，带钢表面温度梯度越大。因此在实际设计中，宜 采用快冷段风箱多喷嘴顺排阵列布置，不仅能使带钢表面温度分布均匀，而且带 钢表面综合换热性更好；为了获得较高且稳定的冷却速度，在不影响带钢工艺质 量的前提下，可以通过加大冷却气体喷出速度，调整风箱间距来实现。 通过使用双圆弧圆柱型流道喷嘴和圆锥型流道喷嘴的不同冷却特性研究，发 现双圆弧圆柱型喷嘴的冷却速度大约2 倍于圆锥型流道喷嘴。而当冷却气体喷出 速度一定时，综合换热能力随着喷嘴直径的增大线性提高：当喷嘴喷出的流量一 时，综合换热能力随着喷嘴直径的增大呈线性降低。因此在实际设计时，为了提 高整个快冷段的冷却性能，除了合理的喷嘴排列方式外，还应结合实际工况选用 合适的进口流道和出口直径的喷嘴。 关键词：冷轧钢带，连续退火，快速冷却，非稳态传热，数值模拟 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t h i g hq u a l i t yc o l dr o l l e ds h e e th a sah i g hr e q u i r e m e n tt oc o n t i n u o u sa n n e a l i n g t e c h n o l o g y , a n dt h ef i r s t t i m ec o o l i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h ec o r et e c h n o l o g i e so f c o n t i n u o u sa n n e a l i n gp r o c e s s s ot h ef i r s t t i m ec o o l i n gs p e e dw h i c hi sr a p i d l ya n d s t a b l yt oc o n t r o li sa ni m p o r t a n tm e t h o dt oi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y i nr e c e n ty e a r s ， m a n yr e s e a r c hf o u n dt h a tt h ec o o l i n gs p e e dh a sr e l a t i o n sw i t hc h a r a c t e r i s t i co fc o o l i n g m e d i u m ，i n i t i a lt e m p e r a t u r e ，s p e c i f i c a t i o n so fs h e e tm e t a la n dc o o l i n gs t r u c t u r e t h e r e l a t i o n s h i ph a sn o tb e e np u b l i s h e db e c a u s eo ft e c h n i c a lc o n f i d e n t i a l i t ya n dc o g n i t i v e r e a s o n a tp r e s e n tw o r k ，t h es t a n d a r dt u r b u l e n c ek - em o d e li sa p p l i e dt os i m u l a t et h et w o d i m e n s i o n a la n dt h et h r e ed i m e n s i o n a lu n s t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l d so fl o c a ls t r i pi nt h e r a p i dc o o l i n gs e c t i o ni nt h i sp a p e r t h ec o m p a r i s o nw i t he x p e r i m e n t a ld a t ah a sv e r i f i e d t h er e l i a b i l i t yo ft h em e t h o d t h ei n f l u e n c ei sa l s or e s e a r c h e dt h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm o d e l ，a n dt h ed i f f e r e n te f f e c t st os t r i ps u r f a c ec o o l i n gp r o p e r t ys u c ha s d i f f e r e n tc o m p o n e n t sa n dj e tv e l o c i t yo fc o o l i n gm e d i u m ，i n i t i a lt e m p e r a t u r ea n dt h e d i f f e r e n tt h i c k n e s s ，d i f f e r e n ts p a c i n gb e t w e e nb e l l o w sa n dt h es t r u c t u r eo ft h en o z z l ei s a l s os t u d i e d s o m es u g g e s t i o n st oa c t u a ld e s i g np r o p o s e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o n ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sh a v e b e e nr e v e a l e d ：i n c o n t i n u o u sa n n e a l i n gp r o c e s s ，t oo b t a i nt h eh ig h e rf i r s t t i m ec o o l i n gs p e e da n dt o i m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t ya sw e l l ，t h er e d u c i n ga t m o s p h e r ew h i c hh a sh i g ht h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n db i gt h e r m a lc a p a c i t yi sa ni d e a lc o o l i n gm e d i u m i nt h i sp a p e r , t h e n i t r o g e na n dh y d r o g e nm i x t u r ew i t h30 h y d r o g e nc o n t e n t h a st h eb e s tc o o l i n g c h a r a c t e r i s t i cw i t hs a m eo t h e rw o r k i n gc o n d i t i o n sp a r a m e t e r s ；t h ec o o l i n gs p e e da n d i n t e g r a t e dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h es t r i ps u r f a c ed e c l i n ea sp a r a b o l i cw i t ht h e i n c r e a s et h i c k n e s so fs t r i p ，i n c r e a s ea sp a r a b o l i cw i t ht h ei n i t i a lt e m p e r a t u r e ；i n c r e a s e n e a r l yl i n e a rw i t ht h ei n c r e a s ei n j e c t i o ns p e e do fc o o lc o o l i n gm e d i u m i na c t u a l p r o d u c t i o n ，t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r ec a nb ei n c r e a s e dw i t h i nt h ep e r m i to fp r o d u c tp r o c e s s t oo b t a i nh i g h e rc o o l i n gs p e e d c o o l i n gp e r f o r m a n c eo ft h ef i r s t t i m ec o o l i n gs e c t i o ni si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt o t h ed i s t a n c eo fb e l l o w si nr a p i dc o o l i n gs e c t i o n ，t h ec o o l i n gr a t ei n c r e a s ew i t ht h e d i s t a n c eo fb e l l o w si n c r e a s e ；a n df o ras i n g l en o z z l e ，t h es t r i ps u r f a c et e m p e r a t u r e g r a d i e n tb e c o m e sg r e a t e rw i t ht h es m a l l e rd i s t a n c e t h u s ，i na c t u a lp r o d u c t i o n ，m a n y i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 n o z z l e sc o u l db ed i s t r i b u t e da l o n gt h el i n ea r r a yo nt h eb e l l o w si nr a p i dc o o l i n gs e c t i o n t h i sc a nn o to n l ym a k et h es t r i ps u r f a c et e m p e r a t u r ew e l l d i s t r i b u t e d ，b u ta l s ob e t t e r h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e i na c t u a lp r o d u c t i o n ，w ec a nc o n t r o lt h ec o o l i n ga i rj e t v e l o c i t ya n dt h eb e l l o w ss p a c i n gi no r d e rt oo b t a i nh i 曲a n ds t a b l ec o o l i n gs p e e du n d e r t h ep r e m i s eo fs t r i pp r o c e s sq u a l i t y b a s e do nd o u b l ec i r c u l a r - a r cc y l i n d r i c a lt y p en o z z l e sa n dc o n et y p en o z z l e s ，t h e e f f e c to nc o m p r e h e n s i v eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fr a p i dc o o l i n gs e c t i o nw i t h d i f f e r e n tn o z z l e sh a sb e e ni n v e s t i g a t e di np r e s e n tp a p e r i nt h es i m u l a t i o nc o n d i t i o n s ， c o o l i n gs p e e do fd o u b l ec i r c u l a r - a r cc y l i n d r i c a lt y p en o z z l e si sa b o u tt w ot i m e sa sf a s t e r a st h eo n eo fc o n et y p en o z z l e s w i t ht h ec o n s t a n tt h e c o o l i n ga i rj e ts p e e d ， c o m p r e h e n s i v eh e a tt r a n s f e rc a p a c i t yi n c r e a s e sw i t hn o z z l ed i a m e t e ri n c r e a s e sl i n e a r l y a n dw i t hc o n s t a n tn o z z l ef l o wr a t e ，c o m p r e h e n s i v eh e a tt r a n s f e rc a p a c i t yd e c l i n ew i t h t h en o z z l ed i a m e t e ri n c r e a s el i n e a r l y t h e r e f o r e ，i np r a c t i c a ld e s i g n ，i no r d e rt oe n h a n c e t h ec o o l i n gp e r f o r m a n c eo ft h eo n e t i m ec o o l i n gs e c t i o n ，i ts h o u l db ec o n s i d e r e dn o t o n l yt od i s t r i b u t et h en o z z l e sr e a s o n a b l yb u ta l s ot oc h o o s ea p p r o p r i a t ei m p o r tf l o wr a t e a n dt h en o z z l et y p e k e y w o r d s ：c o l dr o l l e ds t r i p ，c o n t i n u o u sa n n e a l i n g ，r a p i dc o o l i n g ，u n s t e a d ys t a t eh e a t t r a n s f e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 l i 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 主要符号表 4 ，带钢表面受热面积( 咖2 ) & ， 紊流源项的分量 比热( j ( k g k ) 。1 ) d ， 带钢厚度( r a m ) d ， 喷嘴出1 3 直径( m m ) r ， g 6 ， g ， 单位质量力 岛，广义源项 丁， 带钢表面温度( k ) f ， 时间( s ) “， 喷嘴出口速度( m s ) 由浮力产生的紊流动能 1 ， 冷却速度( k s ) 由层流速度梯度而产生的紊流动能w ， 喷嘴进口喷嘴的( m s ) j i l ， 传热系数( w m 2 i o k ，紊流动能 d ，喷嘴间l l e ( m m ) n u ， p r ， p r k ， p r e ， 努赛尔数 普朗特数 a ， 导热系数( w ( m k ) 一1 ) ，动力粘性系数( k g m s ) 胁， 紊流粘性系数 y ， 运动粘性系数( m 2 s 1 ) s ，紊流耗散率 动能方程的紊流普朗特数 p ，密度( p 瓜g m 。) 扩散方程的紊流普朗特数 勺， 流体粘性应力张量 a ， 脉动压力 r p ，雷诺数 s ， 风箱与带钢面的距离( m m l v i 中， 单位质量流体的总能量 f ， 广义扩散系数 学位论文独创性声明 本人 声 明 所呈交的冱k士学位论文 童亟远魁红固茵生么耻型曼焘隘逝是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：d 吗哆 导师签名： i - | 签字日期：1 即山一 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的童起士学位论文鸯塑垫睦匿纽骜蛰蛸四匿盘垂渺提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( 删) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c 1 n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：舀塑挚 刷醛轹考粝 毋年月弘日 i 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 随装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景及研究意义 现代连续退火机组主要包括清洗、连续退火、平整、检查和精整等生产工序。 清沈的作用是去除带钢表面残余的轧制油和铁粉等表面杂质。连续退火的作用是 将冷轧后产生加工硬化的带钢进行光亮再结晶退火，完善微观组织，提高塑性和 冲压成形性，并保证表面不被氧化。平整的作用是消除材料的屈服平台，改善材 料的力学性能，改善板型，获得一定的表面粗糙度。检查的作用是进行带钢尺寸、 板型、表面质量、机械性能等检查并记录。精整的作用是将带钢切成规定的成品 宽度，涂防锈油，切除焊缝和尺寸超差部分并取样，分卷卷取，称重打捆【l 】。 连续退火炉是连续退火机组的核心设备，随着机组速度的不断提升和对产品 性能要求越来越高，许多新技术逐渐得到推广应用。带钢退火技术的关键点是控 制带钢一次冷却速度，提高一次冷却速度可以有效地提高板带强度。目前采用的 高氢强力喷吹冷却技术其设计冷却速率可达2 0 0 s ，采用辊冷技术可达4 0 0 s ， 而采用水淬一次冷却技术的冷却速率会更高。水淬冷却技术虽然对产品力学性能 的提高有好处，但需后续表面处理工序，且不易控制板型，而辊冷技术的板带表 面质量较差，因此连续退火炉一次冷却技术多采用强力喷吹冷却【2 】。随着对板带强 度的要求越来越高，在保证板带质量的前提下尽力提高一次冷却速率是连续退火 炉的发展趋势。另外炉辊采用双凸度设计，既可保证窄带钢又可保证宽带钢的稳 定运行。高温段炉辊采用耐高温金属陶瓷爆炸喷涂涂层，使用温度可达9 0 0 以上， 提高了炉辊的使用寿命，有效防止辊面结瘤。在加热段炉辊室采用隔热板和炉辊 冷却技术，在冷却段炉辊室采用炉辊加热技术，既可控制炉辊凸度，又可防止带 钢因热冲击造成的瓢曲。炉子入口和出口采用密封辊和充氮气密封装置， 防止空 气进入炉内，保持炉内气氛的稳赳3 1 。 同连续退火的加热和保温技术相比，冷却技术的发展却相对较慢，如传统的 水套冷却器、空冷管冷却等。而作为冷轧连续退火重要组成部分，冷却对产品的 性能起着关键作用，要求在快速冷却的基础上，具有对冷却速度的可控性，即根 据产品的需要，对冷却速度进行精确控制。目前立式连退炉中冷却段的保护气主 要由氢气和氮气组成。由于氢气在一定温度下具有很高的危险性，保护气氛中氢 气占有的比例很少。随着技术手段和工艺水平的提高，目前国际上先进的连退机 组中，氢气所占比例已经由5 提高到5 0 左右【4 1 。国内一般在1 5 以下。本课题 针对立式连退炉中冷却段的结构和保护气氛的冷却特性进行研究，拟通过数值模 拟等方法，针对连退机组快冷段部分，试图将氢气所占比例提高，以此来提高连 重庆大学硕士学位论文1绪论 退机组中冷却段的冷却速度。 快速冷却技术不仅是冷轧退火工艺中核心技术，也是热轧工艺中一项极 为重要的技术。热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧 匍j ( c o n t r o lr o l l i n g ) 的基础上，再实施空冷或控制冷却及加速冷却的技术总称 为t m c p ( t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ，热机械控制工艺) 。2 0 0 5 年有人 提出了新一代t m c p 5 , 6 】，其技术要点是：在现代连轧过程提供加工硬化奥氏体的 基础上，以超快速冷却为核心，对轧后硬化奥氏体进行超快速冷却，并在动态相 变点终止冷却，随后进行冷却路径控制。利用这项技术可以获得具有优良性能、 节省资源和能源，利于循环利用的钢铁材料。因此快速冷却技术的研究在金属加 工工艺问题中有着广泛的学术和工程价值。 1 2 连续退火炉国内外应用研究现状 2 0 世纪7 0 年代初日本新日铁公司成功地开发出连续退火机组，于1 9 7 2 年在 其君津钢厂投入工业生产。它利用立式连续退火炉代替间歇式罩式退火炉，把冷 轧后的清洗、退火、平整、检查和精整等单独的生产工序联结成一条生产机组， 带钢以一定的速度在退火炉内连续运行，按照一定工艺要求完成加热和冷却。连 续退火新工艺与罩式退火相比，具如下优点【7 】： 以带钢状态进行连续热处理可得到性能均匀、表面光洁的产品； 控制炉内张力，可改善带钢板型，带钢平直度好； 没有粘结和沙粒压入缺陷，钢材收得率高，且平整效率高、质量好； 作业线将清洗、退火、平整、表面自动检查、涂油、重卷或剪切一次完成， 减少了多次钢卷处理，减少许多因此而产生的废品，提高了收得率； 生产过程简单合理、管理方便。生产时间、交货、备料也大大减少； 车间布置紧凑、占地面积小，省掉许多辅助设备，设备费用降低，劳动定 员大大减少，节省能源。 随着连续退火机组的不断发展，国内连续退火机组也迅速崛起，目前已投产 和在建的冷轧带钢连续退火机组有1 0 余条( 这里指单纯的冷轧带钢退火机组，不包 含镀锌、镀锡、硅钢及不锈钢退火机组) ，最早的一条是宝钢2 0 3 0 连续退火机组， 于1 9 8 9 年投产，其它9 条分别为：宝钢1 5 5 0 、宝钢1 8 0 0 、宝钢五冷、武钢二冷、 本钢浦项、鞍钢三冷、马钢二冷、首钢顺义、首钢京唐，另外在建的还有武钢三 冷、京唐二冷、邯钢新区等【引。国内冷轧板连续退火机组经过近2 0 年的发展，其 产品种类和性能逐渐提升，由当初的仅生产c o 、d o 、d d q 三种软钢，发展到可 生产e d d q 、s e d d q 、h s s 、d p 、t r i p 等高深冲、超高深冲以及高强钢，已经开 发的最高钢强度级别可达8 0 0m p a 。产品从仅能满足建筑和家电性能要求发展到可 2 重庆人学硕十学位论文 l绪论 用于高档汽车面板；产品性能向着高强度、超深冲性和特殊性方向发展【9 1 。这都得 益于连续退火机组中新技术的不断推广应用。 1 2 1 连退机组快冷段的工作原理 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而冷却钢带。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。 保护气体序号喷吹装置由保护气体循环风机( 包括交流变频调速电机) 、热交换 器、气体分配蝶阀、循环通道和喷箱组成。为了使加热后的带钢冷却至规定温度 并保持表面光洁，利用低温保护气体高速喷向带钢表面，以冷却带钢。冷却过带 钢的保护气体经循环风机抽出，进入热交换器，经冷却后重新进入炉内。 以比利时d r e v e r 公司立式连退机组快冷段为例。快冷段分为三个区，每个区 有一对冷却风箱，带钢行程1 个p a s s 。如图1 1 所示，风箱与带钢距离从5 0 m m 到 1 2 0 m m 可调节。当运行高氢含量冷却模式时，与循环风道连接的氢气管道阀打开， 系统内通入一定量的氢气，冷却段保护气体氢含量提高到1 5 左右，可增强冷却 效果，减少电能消耗。冷却风箱沿带钢宽度方向分为5 个区，边部4 个区有调节 挡板，可根据快冷段出口扫描式板温计的检测结果自动调节工作位置，以保证带 钢宽度方向冷却效果的一致性。系统配置有6 台循环风机，6 台气一水冷却器。 炉内热保护气体由循环风机抽出，先经保护气的热交换器冷却，热量由工业 循环水带走，再由循环风机将冷保护气体送入喷箱，直接喷射到带钢的两表面， 通过强制对流热交换达到冷却带钢的目的。 该技术的特点是【l0 】： 采用强制喷流冷却，冷却速度快。 用n 2 + h 2 保护性气体，彻底消除氧化性环境，让工件在还原性气氛中完成 冷却，因此表面光洁度好。 沿喷箱的宽度方向设数个调节通道和调节阀，冷却均匀程度得到提高。 冷却速度可以控n - 通过对循环风机进行变频控制，完成对循环风机的调 节，从而达到对冷却速度进行控制的目的。 带钢经冷轧后产生冷塑性变形，存在明显的冷加工硬化现象和极高的内应力， 为了消除冷加工硬化和内应力，稳定组织，改善钢的性能，要对冷轧后的带钢进 行退火处理，通常为再结晶退火。钢材经退火处理后，既可以改善工艺性能，又 可以提高使用性能，从而更好地发挥其性能潜力。图1 2 所示为某规格a i s l 3 0 4 退 火温度曲纠j ，该曲线已在生产实践中较好地应用。 重庆人学硕士学位论文1 绪论 图1 1 快冷段结构图 f i g 1 1t h ec o n f i g u r a t i o no f t h er a p i dc o o l i n g i p 带钢的冷却工艺对不锈钢性能和板型有很大的影响，而且不同的钢种和板厚 冷却要求各不相同，因此在制定冷却工艺时必须慎重，重要的是控制冷却速度和 冷却均匀性。对于奥氏体不锈钢在8 5 0 5 0 0 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，所以在该温度范围必 须快冷。而奥氏体钢的冷却速度和含碳量有着密切的关系，随着碳含量的增加冷 却速度越快，尤其是低碳不锈钢，通常冷却速率应在大于2 0 s 以上。图1 3 是不 锈钢的冷却速率与碳含量关系曲线【l 到。 从图1 3 中可以看出随着钢中的碳含量的增加必须提高冷却速度，以防止碳化 物析出，t h e r m t e c 公司采用的不锈钢带连续退火冷却工艺，首先将带钢以1 4 s 速率进行冷却将带钢从1 1 5 0 冷却到9 0 0 ，因为在这一阶段带钢的冷却强度不 能太强，否则带钢边部容易产生变形，所以这段的冷却速率可以慢点，以控制板 型为主要目的。然后以5 0 s 速率进行快速冷却使带钢从9 0 0 冷却到5 0 0 。再 用水喷淋冷却带钢从5 0 0 冷却到8 0 ，最后经干燥段烘干出炉。 4 重庆人学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 0 2 0 02 04 06 08 01 0 0 t i m et ( s ) 图1 2 不锈钢退火温度曲线 f i g 1 2t h es t a i n l e s ss t e e la n n e a lt e m p e r a t u r ec u r v e o 1 4 o 1 2 o 1 0 0 8 o 0 6 0 0 4 o 0 2 0 1 5 6 51 1 51 6 52 1 52 6 53 1 5 c o o l i n gr a t eo fs t r i pv ( r s ) 图1 3 不锈钢的冷却速率与碳含量之间的关系 f i g 1 3c o o l i n gr a t eo fs t r i pv st h ec a r b o nc o n t e n t 5 0 o o 蛇 眈 驼 已一2t1七d厶_口d一 产琴一一口旦iiou iiodi墨。二卜 重庆人学硕士学位论文 1绪论 1 2 2 快冷段冷却技术应用现状 早期的退火炉的设计或炉子控制、带钢加热时间的计算等一般根据现有的炉 子套用或根据带钢的厚度选用经验值确定，不能够精确地在炉子上实现计算机控 制。现代不锈钢带连续退火炉工艺则控制通过计算机对钢带的工艺过程进行数学 模拟，精确计算出带钢的规格、材质、炉子各工艺段长度、炉膛温度、冷却介质 温度、流量与带钢温度、速度之间的匹配关系，并以此为依据来确定炉子的退火 工艺参数，便可明显提高炉子的生产效率，获得良好的总体经济效益【1 3 】。 从国内外己投产的连退机组来看可以分成以下几种工艺方法：新日铁开发的 n s c c a p l ；同本钢管开发的n k k c a p l ；川崎与三菱合作开发的k m c a p l ；比利 时开发的h o w a o ；斯坦因与新同铁合作开发的b s s p c a p l 。这5 种工艺方法的 主要区别在于均热后的冷却方法不同【l4 1 。连续退火发展的核心就是冷却技术的发 展。到目前为止，已开发使用的冷却方法有：气体喷射冷z - j ( g j c t l s ) 、高速气体喷 射冷却( h g j c ) 1 6 1 、水冷却( w q ) 【1 7 】、辊式7 令却( r c ) t 18 1 、气水? 挑- f l ( a c c ) 19 1 、热水 冷却( h o w a c ) 1 2 0 1 、高速氢气喷射冷却( h 2 h g j c ) t 2 1 1 、水冷+ 辊冷( w q + r c ) ( 2 2 】、辊 冷+ 气体喷射冷却( r c + g j c ) 【2 3 1 复合冷却、液浸冷却技术【2 4 】等等。 气体喷射冷却技术( g j c ) 连退炉最初的冷却方法是采用辐射冷却，这种冷却方法最大的特点是介质不 和带钢接触，故不会对带钢表面产生不良影响，但该方法冷却速度慢，特别是当 带钢冷却到较低温度后，冷却速度更低。2 0 世纪6 0 代初，由g e _ ( g e n e r a le l e c t r i c ) 和m r ( m i d l a n dr o s s ) 相继开发了气体喷射冷却技术( 干式) ，气体喷射冷却速度大 大高于辐射冷却速度。几十年来随着国外各公司对喷嘴结构型式的不断研究改进， 气体喷射冷却速度不断提高。常规的气体喷射冷却速度为1 3 。c s ( o 8i l l n l 厚带钢) 。 斯坦因研究开发的高效喷射冷却器( f l a s hc o o l i n g ) 使气体喷射冷却速度从2 0 一3 0 s 提高到4 0 0 s ( o 8m m 带钢) 。换热系数从11 6w ( m 2 ) 提高到1 3 0w ( m 2 ) 。 高速气体喷射冷却技术( h g j c ) h g j c 冷却是将经冷却后的炉内保护气体( h 2 5 ) 以高速喷于带钢表面的一种 干式冷却方式。h g j c 冷却系统不仅在产品质量和操作性能上稳定性好，而且其 冷却速度高于气体喷射冷却( g j c ) 。但该冷却方法对于厚带钢还不可能达到高的冷 却速度，因此，这种冷却技术适于生产薄带钢，在生产薄带钢情况下，可以适用 铝镇静钢( d q 、d d q ) 的生产。 气水双相冷却技术( a c c ) a c c 冷却是将雾化水作为冷却剂喷于带钢表面的一种湿式冷却方式。此冷却 方式在冷却能力和操作稳定性方面性能优越，但该冷却系统因水直接接触带钢表 面，造成带钢表面氧化，所以采用该冷却方法进行冷却的带钢在其生产线上必须 6 重庆大学硕十学位论文1 绪论 增设后处理设备和闪镍处理工序。 水冷技术( w q ) 水冷( w q ) 是到目前为止应用于连退的速度最快的一种湿式冷却方法，其冷却 速度高达5 0 0 c s 以上。由于冷却速度大大提高，因而能生产深冲板和高强钢( 不 能生产软钢) 。因此，如果一条采用水冷法冷却的连退机组要有多功能用途，就必 须要与其它方法并用，这就产生了切换损失。此外，水冷却方式使带钢终点温度 无法控制，因此必须增加加热设备。增加加热设备带来两个缺点：浪费能源； 增加加热设备投资运行费用。另一方面，冷却速度太快，尤其是水冷后带钢表 面形成汽膜造成冷却不均，很容易产生变形问题。同时水冷后带钢表面会产生氧 化膜，因此，在生产线上必须增设酸洗工序设备，增加基建投资成本和生产运行 成本。 辊式冷却技术( r c ) 辊式冷却( r c ) 是用辊内冷却水来冷却带钢的一种接触式冷却方法。1 9 8 7 年 n k k 在其2 撑连退线上首次试用成功，同年在神户制钢建造的连退线上投入使用。 辊冷技术是使带钢与具有内部冷却的辊子接触，通过热传导实现带钢冷却，冷却 速度可达1 0 0 s 。该冷却方式可以通过带钢与辊子的接触时间控制冷却速度和带 钢终点冷却温度，而且还可以免去后续的酸洗工序。辊冷技术最主要的特点是带 钢在冷却过程中要和辊子接触，而且必须均匀接触，否则将产生不均匀冷却。因 此，在辊冷前后必须设置张紧辊以确保较大的张力，虽然增大张力能增强冷却均 匀性，但温度均匀仍然是一个大问题，而且带钢在冷却过程中要收缩，因此带钢 与辊子之间必须存在相对滑动，影响带钢表面质量。此外，当带钢来料存在缺陷 时，带钢通过辊冷时其缺陷将变大。因此，为了解决这一问题，开发了辊冷+ 气体 喷射冷却( r c + g j c ) 复合冷却技术，减轻带钢表面缺陷。温度水平有所下降，但缺 陷依然存在。水冷与辊冷( w q + r c ) 是n k k 连退的又一发展。神户加古川连退机组 就采用了w q + r c 方法，使得这条机组兼备适用于软钢生产的辊冷和适用于高强 钢生产的水冷法。 热水冷却技术 热水冷却是比利时开发的一种湿式冷却技术冷却速度为3 0 - - 一1 5 0 s 。该冷 却方法通过沉没辊的上下移动，使终点温度处于可控状态，无需再加热设备。节 约了能源，但该冷却方法同样需要酸洗工序，增加投资成本和生产运行成本。 高速气体( h 2 ) 喷射冷却技术 h 2 h g j c 冷却是对高速气体喷射玲却技术的又一发展，该冷却技术就是利用 氢气的高导热性来提高带钢的冷却速度，h 2 h g j c 冷却中h 2 含量从h 2 h g j c 的 5 提高到5 0 ，带钢的冷却速度将提高一倍。由于该冷却方式是属于干式冷却， 7 重庆大学硕+ 学位论文 1绪论 所以其具备干式冷却的一切优点，而且由于含氢量的增加，带钢表面更加洁净， 既保证了带钢的表面质量、板型和良好的操作稳定性，又能够具有较高的冷却速 度，生产软钢的同时生产高强钢。与a c c 和w q + r c 相比较，h 2 h g j c 冷却工艺 可以减少后处理设备生产运行费用、设备和厂房的基建投资费用。 除氢气( 其导热系数为空气的1 5 8 倍) 外，其他新型气态冷却介质还有c h 4 ( 1 7 0 倍) 、c 2 h 2 ( 1 7 3 倍) 、c 2 h 4 ( 2 1 6 倍) 等，这些气体都可能成为今后的高效冷却 介质。 1 2 3 快冷段冷却技术的研究现状 连退炉中，带钢在快冷段次冷却过程是一个复杂的快速降温过程。其冷却 效果与冷却介质、喷嘴特性、带钢特性和冷却系统( 风箱) 特性有关【2 5 1 。 目前常见的连退机组快冷段一次冷却方式为冲击射流冷却。从单孔射流冲击 入手易于分析冲击冷却流动规律和传热机理。图1 4 是单孔射流垂直冲击到一个固 体表面时的射流流场结构示意图，如图所示，射流的流场可以分为三个部分：自 由射流区，驻点流区和壁面射流区。流体从喷嘴喷出的速度大体是均匀分布的， 但随着流程的增加，射流与边界外的流体不断地进行动量和质量交换，结果使得 射流的宽度不断增加，速度分布剖面也逐渐发展成钟形，当自由射流冲击到壁面 后，则转化为驻点区流动以及壁面射流区流动。在驻点区的射流边界层厚度极薄， 一般只有喷嘴的千分之几，这就决定了驻点区有很高的换热系数。由驻点区向外 发展的径向流动( 即壁面射流) 是加速的，因而流动的稳定性非常好，如果流速较高， 就有可能从层流向紊流转捩，这种转捩自然也会使换热系数提高。 j a m b u n a t h a n 2 6 】等分析了单孔射流冲击冷却的影响因素，他指出局部换热受冲 击雷诺数r e 、相对冲击间距月搿和径向相对距离x d 的综合影响。许全宏，林宇震 等【2 7 】针对主燃烧室火焰筒壁的结构特点，对单孔冲击特性展开实验研究，研究结 果表明：局部换热系数沿径向大体呈钟形分布；随着冲击雷诺数r e 的增加，冲击 换热系数也呈增加趋势，二者基本呈线性关系；缝高( 冲击距离与孔径之比) 为2 时 换热系数达最大；冲击冷却的有效范围在4 倍冲击孔直径范围内。g o l d s t e i n 等1 2 酐3 u j 对有初始横流的单孔射流换热特性进行了实验研究，结果表明：初始横流的加入， 使冲击靶板上驻点区的换热系数峰值下降，射流上游的换热系数亦低于没有初始 横流的情况，而且，随着初始横流的增加换热系数随之降低。由此可见，初始横 流的加入对单孔射流冲击冷却起削弱作用。单孔射流冲击流动及换热特性的研究 为多孔射流冲击冷却的研究奠定了基础。 重庆人学硕士学位论文 1绪论 ： i - - 一- 一一- - i - - - - - - - - - w a l l j e t 呐晒弹赫矗蚺w 诅融辞蛐 图1 4 单孔冲击射流流场结构示意图 f i g 1 4t h ep i c t u r eo fm o n o t r e m a t o u sj e tf i e l d b d 啊b 如r l a v e r 通常影响多孔阵列射流冲击冷却效果的主要因素包括：射流介质；冲击 雷诺数r e ；相对孔间距肠、l 饼；( 4 ) 相对冲击间距h d ；孔径大小；孔排 数；孔的布置方式( 顺排孔或叉排孔) ；粗糙肋；初始横流；靶板形状、表 面曲率等。 文献 3 1 】实验研究了燃烧室壁冲击冷却换热特性，作者采用9 种不同几何尺寸 的冲击孔板及其换热靶板进行实验，测量了换热平均努塞尔数n u ，并将结果整理 成准则关系式，给出了以下结论：冲击换热的平均努塞尔数n u 随冲击孔的雷诺数 r e 的增加呈上升趋势；冲击换热的平均努塞尔数n u 在冲击间距乙= 0 8m m 4 8m m 内，随品肘的增加呈下降趋势；冲击间距胙0 8m m 4 8m m 内，冲击换热随冲击间 距与冲击孔孔径之l l h d 增j j i 而微弱上升；n u 的准则关系式： m = 。2 8 l x 了h 0 0 7 1 墨- 1 2 9 r e - 0 7 6 d d ( 1 1 ) d 式中1 5 0 0 r e d 1 0 0 0 0 ，6 2 5 x j d 5 8 3 3 ，o 5 3 h d 9 0 0 。文献 3 2 采用实验的方 法对多孔射流流动及换热特性进行了研究，结果表明：冲击空腔从上游到下游沿 程流体静压逐步降低，随着射流流量的增大，上下游静压差也随之增大。文献 3 3 对没有初始横流的叉排孔射流冲击冷却换热系数进行了数值研究，结果表明：减 小相邻孔间距s ，减小冲击间距h 和增大射流雷诺数r e ，都可以有效地增强对流换 热效果。文献 3 4 z j e 要研究了射流孔阵的疏密程度对流动和换热的影响规律，作者 9 重庆大学硕十学位论文l 绪论 指出，致密的孔阵会使得各股射流气体在射流途中相互影响，使射流更接近于掺 混于一体的整体流动，而对于孔距较大的射流孔阵，各股射流相互影响较小，每 股射流都明显具有单孔射流的特性。张大林、常海萍等【3 5 】在实验的参数范围为 r e = 5 0 0 0