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东北大学硕士学位论文摘要 h p h 罩式退火炉钢卷退火工艺研究 摘要 冷轧钢卷罩式退火炉是宝钢公司冷轧钢板生产流程中的重要设备，退火工艺直接 影响冷轧钢板的性能和表面清洁度。罩式退火炉炉型技术发展比较迅速，已经从传 统罩式炉、混氢强对流罩式炉发展到h p h 罩式炉，与其它炉型相比h p h 罩式炉显 著提高钢卷径向传热速度，强化炉内对流换热，缩短了退火时间，减少了钢卷内外 温差，从而大大提高了生产率和产品的机械性能。宝钢股份公司冷轧厂现有钢卷罩 式退火炉16 4 座在线服役，该设备为德国引进，目前在生产中存在的主要问题是原 配控制模型计算的退火时间和温度不合理，需要人工根据实际经验干预控制。 本文针对现有控制模型不精确的问题，开展了以下工作：通过对h p h 罩式炉钢 卷退火的传热物理过程的分析，建立了钢卷退火二维热传导的数学模型，使用 m a t l a b 工具，应用差分数值计算技术，编制了h p h 罩式炉退火过程的模拟计算软 件，实现了输入原始数据进行退火过程数值模拟计算和根据不同参数计算钢卷退火 温度以及退火时间的功能。 本文经过现场工业试验，验证了所建立的数学模型的合理性、精确性。为了便 于使用，在m t l a b 平台下研制了 h 罩式炉退火过程的模拟计算软件的界面应 用程序。另外，从九个方面分析讨论了钢卷退火工艺的影响因素，对现场改进退火 工艺提出了建议。本文模型计算得到的结果用于实际退火工艺的操作，使退火工艺 减少了随意性，缩短了钢卷热处理时间，提高了设备利用率、产能和工效。 关键词：冷轧钢板h p h 罩式炉退火工艺数学模型数值模拟计算 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fc o i l a n n e a l i n gt e c h n o l o g y o nh p hb a t c h a n n e a l i n g b a s e a b s t r a c t c o l d r o l l i n gs t e e lc o i lb a t c ha n n e a l i n gb a s ei s a l li m p o r t a n te q u i p m e n to fc o l dr o l l i n g s t e e l sp r o d u c i n gp r o c e s si nb a o s t e e l a n n e a l i n gt e c h n i q u e sd i r e c t l yi n f l u e n c et h ef i m c t i o n a n ds u r f a c e sc l e a n n e s sd e g r e eo fc o l dr o l l i n gs t e e l s t h et e c h n o l o g i e so fb a t c ha n n e a l i n g b a s e s t y p e sh a v ed e v e l o p e dq u i c k l y f r o mt r a d i t i o n a lb a t c ha n n e a l i n gb a s ea n ds t r o n g c o n v e c t i o nb a t c ha n n e a l i n gb a s em i x e d h y d r o g e n t oh p hb a t c ha n n e a l i n gb a s e c o m p a r e d w i t ho t h e rf u r n a c e t y p e s ，h p h b a t c h a n n e a l i n g b a s e o b v i o u s l yd e v e l o p s r a d i a l h e a t - t r a n s m i t t i n gs p e e do fs t e e lc o i l ，e n h a n c e sc o n v e c t i o nh e a t - c h a n g i n gi n s i d e 缸l l a c e ， s h o r t e n sa n n e a l i n gt i m ea n dr e d u c e ss t e e lc o i lt h eo u t s i d ed i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r eo f i n s i d ei no r d e rt oi n c r e a s ep r o d u c t i v i t ya n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fs t e e lc o i l t h e r ea r e 16 4s t e e lc o i l 。sb a t c ha n n e a l i n gb a s e sr t u m i n gi nb a o s t e e lc o l dr o l l i n gf a c t o r y t h e e q u i p m e n t i si m p o r t e df r o mg e r m a n t h e r ea r em a n y q u e s t i o n si np r o d u c e t h ea n n e a l i n g t i m ea n dt e m p e r a t u r ec a l c u l a t e db yo r i g i n a lc o n t r o l l i n gm o d e la r en o tr e a s o n a b l e i ti s n e c e s s a r yt h a tm a n p o w e r i n t e r f e r et h ec o n t r o la c c o r d i n gt oa c t u a le x p e r i e n c e t h e p a p e rc a r r i e so u t t h ef o l l o w i n gw o r k a i m i n ga ti n a c c u r a t ep r o b l e m so f t h e c u r r e n t c o n t r o l l i n gm o d e l i te s t a b l i s h e ss t e e lc o i la n n e a l i n gp l a n a rh e a t t r a n s m i t t i n gf o r m u l a t i o n t h r o u g hh e a t - t r a n s m i t t i n gp h y s i c a lp r o c e s sa n a l y s i so f h p hb a t c ha n n e a l i n gb a s e u s i n g m a t l a ba n da p p l y i n gn u m e r i c a lc o m p u t i n gt e c h n i q u e ，i td r a w su ps t i m u l a n tc a l c u l a t i o n s o f t w a r eo fh p hb a t c ha n n e a l i n gb a s ep r o c e s s ，a n dr e a l i z e st w of u n c t i o n s t h e ya r e a n n e a l i n gp r o c e s s n u m e r i c a ls t i m u l a n tc a l c u l a t i o n o n i n p u t t i n gp r i m i t i v e d a t aa n d a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n d t i m ec a l c u l a t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n tp a r a m e t e r s t h ep a p e rh a sv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t ya n da c c u r a c yo ft h ef o r m u l a t i o nt h r o u g hs p o t i n d u s t r i a le x p e r i m e n t a t i o n s f o rt h es a k eo f t h ec o n v e n i e n tu s a g e ，i td r a w su pt h es t i m u l a n t c a l c u l a t i o ns o i h a r e si n t e r f a c e a p p l i e dp r o c e d u r eb a s e do nm a t l a b i na d d i t i o n i t i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s c u s s e st h ei n f l u e n tf a c t o r so fs t e e lc o i l a n n e a l i n gt e c h n i q u e sf r o mn i n ea s p e c t sa n d b r i n g su p t h er e a s o n a b l es u g g e s t i o nt oi m p r o v i n ga n n e a l i n gt e c h n i q u e sa tt h es p o t k e y w o r d sc o l d r o l l i n gs t e e l s ，h p h b a t c h a n n e a l i n gb a s e ，a n n e a l i n gm e c h a n i c s ， f o r m u l a t i o n ，n u m e r i c a ls t i m u l a n t c a l c u l a t i o n i v 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 本人签名： 稚 日期：2 0 0 4 年2 月1 8 日 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论_ 帚一早三百下匕 在冷轧钢板生产中，为了消除冷轧加工硬度，使冷轧带钢具有良好的机械性能 和表面质量，需对冷轧带钢进行退火处理。常用冷轧钢卷退火炉分为两类，一是罩 式退火炉，二是连续退火炉，虽然连续退火炉具有温度均匀，产品质量好，成材率 高，产品生产周期短等优越性，但造价高，而罩式退火炉具有操作灵活、易于更换 产品品种、易于改变产量、不受产品规格限制、便于分期建设、总投资低等优点， 特别是h p h 罩式炉的开发使用，使罩式炉装备水平不断提高，目前仍然是冷轧钢卷 退火的主要装备。因此深入研究h p h 罩式炉退火工艺，对钢铁行业的发展有着深远 意义。 1 1 冷t e n 卷罩式退火炉的工艺要求u j 冷轧钢卷罩式退火炉用于冷轧钢卷成品前的再结晶退火，使钢板具有要求的显 微组织结构，从而达到要求的机械性能、工艺性能指标。由于是成品退火，对钢板 表面质量要求较高。要严格控制氧化和残余轧制油引起的碳污染，以期得到光亮板 面。基于罩式炉特定的工作条件，为达到上述目的，对其工艺性能亦有特殊的要求。 1 1 1 传热 退火空间的传热条件将直接影响炉子产量。实际上，钢板达到规定的退火温度 后经过短时间的保温即可完成要求的金相转变，而且工艺允许的加热和冷却速度也 都远远大于钢卷传热条件所能达到的值。因而强化传热就意味着缩短加热和冷却时 间，提高产量。 退火空间的传热条件也直接影响到钢卷温度均匀性和产品质量。罩式炉的传热 过程是：加热罩( 设有加热设备) 将热量传给内罩，内罩靠对流和辐射将热量传给 钢卷。如对流传热条件不好则钢卷内外温差大，外层易过热。而冷轧钢卷要求的退 火温度范围很窄，如d d q 和e d d q 的冷点范围是7 0 0 7 3 0 。c 。因此要保证产品性能 就必须强化退火空间的对流传热。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 保护气 为得到光亮的带钢表面，退火应在保护气氛中进行。一般用氮气、氮氢混合气 或氢气作保护气。氢气含量的提高有助于提高气氛的还原性，防止带钢氧化。降低 保护气露点对防止氧化和脱碳亦有很重要的作用。钢卷表面残余轧制乳化液必须在 退火过程中有效地清除，否则将生成积碳滞留在带钢表面，影响带钢表面质量。而 氢气可促进乳化液中碳氢化合物的分解、挥发。因而，应控制保护气的成分、流量 来减少碳污染。 1 1 3 消耗 降低消耗就意味着降低运行成本。应力求在保证产品质量、产量的前提下降低 消耗指标。罩式炉上的消耗主要包括供热( 燃料或电) 、风机转动用电、保护气及冷 却水。 1 1 4 控制 对钢卷质量要求越高、保护气中氢气含量越高，对控制水平的要求也就越高。 目前基本上趋向采用全过程自动控制，并伴有模糊控制、人工智能判断、自学习逻 辑分析以及全过程耦合等高度集成技术，这不仅关系到质量、产量指标，而且关系 到系统的安全性。 1 2 冷轧钢卷罩式退火炉的炉型发展【2 1 【3 】 1 2 1 传统罩式炉 鞍钢冷轧厂5 0 年代由前苏联设计、制造的罩式炉代表了当时的国际水平。该炉 采用高压喷射式烧嘴，内罩与炉台采用沙封，用氮气作保护气，设有炉台风机，没 有冷却罩。加热结束后移走加热罩，钢卷在保护罩内自然冷却。这种炉型冷却能力 低、产量低。一般刚开始冷却时，冷却速度较快；5 0 0 。c 以下，冷却速度就比较慢了； 到2 0 0 。c 以下，只有5 。c h 左右，其冷却时间大约是加热时间的2 倍。由于密封不好， 保护气纯度低，钢卷表面质量较差；又因为火焰高温区集中，内罩局部过热，造成 钢卷温度、机械性能不均，且内罩易损坏。 1 2 2 混氨( 岖) 强对流罩式炉 武钢冷轧厂7 0 年代初引进德国l o i 公司分流冷却罩式炉，也是当时的国际水平。 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 该炉装备冷却罩，罩上设有冷却风机，强化了内罩壁对外界的传热。设炉外分流冷 却系统，用水冷换热器冷却炉内保护气，强化了带钢对保护气的传热。与以往的自 然冷却相比，冷却速度提高了近一倍，从而大大提高了炉台生产能力。其保护气为 含5 氢气的氮氢混合气。 宝钢2 0 3 0 冷轧厂8 0 年代引进德国l o i 公司分流冷却罩式炉，从结构和设计思 路上与武钢基本相同，但是在内罩设计上强化了与加热罩的密封配合，结构更加合 理，设备可靠性有所提高。特别是在宝钢罩式炉机组配合厂级生产管理系统f l s 在 罩式炉机组设置了当时较先进的车间生产管理型计算机德国西门子r 3 0 k 系统。经过 多年的使用证明其提供的生产管理信息对合理组织生产，安排设备维修等方面起到 了积极的作用。 1 2 3 全氢罩式炉4 】【5 【6 】 7 0 年代初奥地利e b n e r 公司开发了高对流全氢( h i c o n i - 1 2 ) 罩式退火炉。最初 只用于铜材退火，7 0 年代末首次用于钢铁工业，8 0 年代以来被大量用于冷轧钢卷光 亮退火。之后，德国l o i 公司也开发了这种以强对流和全氢气为特色的罩式炉，叫 做i 噩) h ( h i g hp e r f o r m a n c eh y d r o g e n ) 罩式炉。1 9 8 4 年首次使用，之后也大批投入市 场。进入9 0 年代，法国s h 公司和日本中外炉公司也相继开发了罩式炉。1 9 9 1 年s h 公司的炉子在法国一个工厂投入运行，共1 8 个炉台，全氢气但不是强对流。中外炉 的全氢气炉( h 2 b a f 罩式炉) ，1 9 9 1 年在日本两个厂家投产使用，共有4 个炉台， 全氢气、强对流，但没有冷却罩，没有强制冷却设施。 在国内，1 9 8 8 年鞍钢设计研究院在鞍钢冷轧厂热处理车间改造工程中经反复论 证和比较，决定采用全氢罩式炉。于是从e b n e r 公司引进了第一批全氢气炉，共4 个炉台，于1 9 9 1 年投产，使用效果非常好，也带动了我国罩式炉技术的又一次飞跃。 继鞍钢之后，上海宜昌、本钢、武钢、攀钢、宝钢、海南钢厂也相继引进强对流全 氢罩式炉。鞍钢于1 9 9 3 年又引进了第二批l o l 3 6 个炉台。截止到1 9 9 9 年国内企业 共从国外各公司先后引进了各种罩式炉合计1 1 0 0 台以上。一些地方企业也纷纷消化 移植这种先进技术，开发了许多小型电加热全氢罩式炉。这使我国冷轧钢卷退火质 量有了普遍的、大幅度的提高。 宝钢冷轧部自1 9 9 3 年开始经过不断的引进和改造于1 9 9 8 年年末在2 0 3 0 单元形 成了6 0 台全氢炉、8 0 万吨d d q 的生产能力，而且在生产组织、设备维护、产品质 量和管理技术方面达到了国内的领先水平，在国际上也享有盛誉。通过多年的引进 消化，宝钢已经对全氢罩式炉的控制技术、设备制作技术等有了深入的了解。 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 混氢强对流罩式炉与传统罩式炉的比较7 】 ( 1 ) 密封结构 图1 1 是规格相近的传统罩式炉和强对流罩式炉的断面图。传统罩式炉的内罩采 用严密的沙封来密封：强对流罩式炉的内罩法兰和炉台都经过精确的机械加工，其 间放入水冷结构的橡胶密封，是一种完善的p p m 级真空密封。此外，传统罩式炉的 循环风机轴采用机械密封，易于因磨损而泄露。强对流罩式炉是循环风机的电动机 罩上橡胶密封的盖子，不必担心泄露。 ( a )传统罩式炉(b)强对流罩式炉 ( a ) t r a d i t i o n a lc o v e r i n gf h i t l a c e( b ) s v o n gc o n v e c t i o nc o v e r i n gf u r n a c e 图1 - 1传统罩式炉和强对流罩式炉 f i g 1 - 1 t r a d i t i o n a lc o v e r i n g f u r n a c e a n ds t r o n gc o n v e c t i o nc o v e r i n g f u l t l a c e 因此，传统罩式炉炉内可控气氛不能保持高纯度，钢卷表面易于氧化；强对流 罩式炉的炉内可控气氛露点能保持在6 0 。c 以下，退火钢卷的表面光亮。 ( 2 ) 大流量和高速循环 图1 1 所示传统罩式炉内，循环风机与1 1 千瓦的小型电动机直联，与此炉规格 相类似的强对流罩式炉，循环循环风机采用5 5 千瓦的电动机直联，由于气流流量大 且高速循环，升温时间缩短，炉内温差小于5 。c ，退火效果极好。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 2 是传统罩式炉和强对流罩式炉退火的实际效果。炉内都装4 卷深冲用冷轧 钢板，计7 9 吨，炉内可控气氛为5 h 2 + 9 5 n z ，热处理条件相同。 f i g 1 2a n n e a l i n gr e a le f f e c to f t r a d i t i o n a lc o v e r i n gf u r n a c ea n ds t r o n gc o n v e c t i o nc o v e r i n gf u i n a c e ( 3 ) 冷却罩 传统罩式炉在退火后，将加热罩吊走，钢卷在内罩下自然冷却。强对流罩式炉 则是用冷却罩来替换加热罩( 加热罩) ，先在内罩周围用空气强制冷却，再通过分流 冷却或喷水一直冷却到2 0 0 9 c 以下，再摘下冷却罩和内罩取出钢卷。 利用冷却罩缩短了冷却时间，可以做到每两个罩式炉配置一台加热罩、一台冷 却罩和内罩各两台的高效率组合，设备占地大大减少。 ( 4 ) 轻量化和节能 强对流罩式炉的加热罩多用陶瓷纤维做炉衬，隔热性能好、炉衬薄，属节能型 炉衬，比起传统罩式炉要轻得多。宝钢仍然使用经济的轻质粘土砖为炉衬材料，有 待改进。 1 2 5h p h 炉与h n x 炉相比的优点9 】【l o 】 h p h 罩式炉的主要特点是以1 0 0 的氢气取代了氮基保护气( 即h n x 气氛，由 3 1 0 h 2 和9 7 9 0 n 2 组成) ，这是提高罩式炉生产率和表面质量的关键。用纯氢作 5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 保护气对强化炉内传热主要有以下两点贡献： ( 1 ) 提高了钢卷径向导热率 罩式退火热交换的主要问题是钢卷的径向导热率很低，这是由于钢卷由上千层 钢带组成，钢带间均匀分布着保护气层，所以，钢卷径向传热实际上是钢材导热和 气层内传热的综合。 由于氢气的导热系数大约是氮气的7 倍，所以提高保护气氛中的氢气含量，可 直接影响钢卷径向的传热速度，见图1 3 。实践表明，使用全氢气后，钢卷轴向和径 向的传热比由原来的5 ：1 变成了1 ：2 甚至更低。 保护气中氢气含量， 图1 3 保护气成份和钢卷径向导热率的关系 f 培1 - 3r e l a t i o n s l l i p b e t w e e n f i l e m p o n e r 如0 f 印嗽删目a n d t h e l a t e o f 批l c 同s i d d i a l h e a t - t r a n s m i t t i n g ( 2 ) 提高了钢卷表面与保护气的对流换热系数 由于罩式炉内的辐射换热条件较差，对流换热就成为炉内换热的主要方式。罩 式炉内对流换热系数的表达式： 舵s 纠 1 + ( 铆7 式中：卜对流换热系数，w ( m 2 1 卜气体流速，m s d r 一气体流通直径，m 奄一气体导热系数，w ( m ) 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 口气体动力黏度，k g ( m s ) p 气体密度，k m 3 三气体流动路线长度，m 卜气体与钢卷表面的接触面积，m 2 丁矗r 气体温度， 疋。k 。r 一钢卷温度， 由上式可知，炉内对流换热系数与保护气体的流速和热物性密切相关。氢气的 密度仅为氮气的1 1 4 ，使得气氛循环循环j x l 机直径得以增大，气流循环量从原来的 2 3 0 0 0 m 3 h 加大到9 0 0 0 0m 3 h ，加之氢气的动力粘性系数仅是氮气的5 0 ，所以提高 保护气氛中的氢气含量，无疑会大大提高炉内的对流换热系数，见图1 - 4 。 w ( m 2 。c 、 保护气体氢气成份( ) 图1 4保护气成份和对流换热系数的关系 f i g 1 - 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec o m p o n e n t s o f p r o t e c t e dg a s e sa n d t h em o d u l u so f c o n v e c t i o nh e a t - c h a n g i n g 综合以上两个因素，可知使用全氢气可显著提高钢卷径向传热速度，强化炉内 对流换热，缩短了退火时间，减少了钢卷内外温差，从而大大提高了生产率和产品 的机械性能。 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3h p h 罩式炉的机械设备简介1 1 2 1 1 3 1 炉台 炉台也称底盘，包括法兰盘、循环风机、驱动电机、扩散装置、导流板和密封 系统。h p h 气流循环系统的特点是：循环风机直径增加到8 5 0 1 0 0 0 m m ，转速达到 1 5 0 0 转分。宝钢使用的循环风机直径为9 5 0 m m ，转速达到了2 2 0 0 转分。由于氢气 密度低，尽管循环风机直径增大、转速提高，但驱动电机的功率仍很低，只有2 2 k w 。 从以建成 ，h 罩式炉看，驱动电机有三种类型：一种是真空密封、水冷的专用电机， 氢气可进入电机内部，这种电机机结构紧凑，占用空间少，但价格较贵，不易维修； 还有一种是带驱动、长轴电机，电机安装在轴旁；第三种是长轴通用电机，电机与 炉台间有间隔器。后两种电机价格低，维修方便。h p h 罩式炉是在炉台上用耐热橡 胶圈密封，流动水冷却，内罩与炉台边缘由8 1 0 套自动液压压紧系统，配之以软 件控制，使密封万无一失。 气流扩散器是根据风洞实验和模型实验得出的最佳设计，采用耐热铸铁制造， 提高了使用寿命，降低了成本。在钢卷层间的导流板由普碳钢板制造，导流槽呈抛 物线状，导流板与钢卷的接触面积只有5 0 ，其结构既可支持钢卷，又使钢卷径向 加热条件得到改善。 1 3 2 内罩 内罩也称保护罩，由n i c r 耐热合金制造。根据冷却方式不同有两种结构：一种 是直壁式，适用与分流式快速冷却系统；一种是波纹板式，适用与喷水冷却系统。 1 3 3 加热罩 加热罩的绝热材料为1 0 0 的陶瓷纤维，因而减少了蓄热损失，降低了炉体重量。 加热系统可针对不同燃料进行选择，其中燃气系统独具特色。长焰烧嘴可以自动点 火，并配有火焰监控系统。1 2 个烧嘴分两层均匀分布在炉子下半部，火焰沿内罩切 线方向喷入炉内。每个烧嘴附有一个独立耐热铸钢管状换热器，装在炉壁隔热层内， 废气在排出过程中将热量传给平行进入炉内的燃气，使燃气的预热温度达到 1 8 0 - - 2 0 0 。c ，在炉外，每个换热器都与一条公用排气管相通。该设计与炉外集中换热 器相比，热交换效率高，而且维修方便。 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 4 冷却系统 h p h 罩式炉有三种冷却方式：分流式快速冷却、喷水冷却和喷射冷却。 ( 1 ) 分流式快速冷却系统 该冷却系统的基本原理是在炉外( 一般在炉盘下的地下室内) 安装一套与炉内 气氛相通的密封循环系统；内罩外安装冷却罩，其顶部的冷却循环风机对内罩进行 风冷。当炉内温度冷至5 5 0 。c 时，循环系统中的快冷风机自动工作，将炉内气氛抽进 分流快冷系统，通过气水热交换器冷却到5 0 。c 以下，再进入炉内。 ( 2 ) 喷水冷却系统 喷水冷却系统比较简单，喷水嘴安装在冷却罩顶部，而冷却循环风机则在冷却 罩的侧顶端。当冷却循环风机使内罩表面温度降到1 0 0 2 0 0 。c ，炉内温度低与3 5 0 。c 时，炉台循环风机和冷却循环风机停止工作，喷水过程随即开始，并持续到冷却过 程结束。 ( 3 ) 喷射冷却系统 喷射冷却的工作原理是在加热结束后扣上喷射冷却罩，从冷却罩罩体上的切向 开孔中通过喷射风机向冷却罩和内罩壁之间喷射空气使内罩快速降温。宝新公司使 用的就是这种喷射冷却系统。 ( 4 ) 三种冷却系统的比较【1 3 1 【1 4 1 ( 1 ) l 、3 两种冷却系统的冷却效果接近，都比传统的辐射冷却方式减少冷却时间 约4 0 h ( 见图1 5 ) 。 ( 2 ) 采用分流式快速冷却系统，内罩寿命为1 0 0 0 个退火周期以上；喷射冷却主要 应用于不锈钢退火，内罩寿命也较长。而喷水冷却系统，则对水质有严格要求。即使 最好的水质，内罩的使用寿命仅为5 0 0 个退火周期。反复的热应力作用和水的腐蚀是 内罩寿命缩短的主要原因。 ( 3 ) 分流式快速冷却系统需要2 5 3 m 深的地下室，这有利于设备的维修，但对于 地下水位较高的地方喷水冷却系统则较为有利。喷射冷却对场地基本没有要求。 ( 4 ) 综合经济分析表明，分流式快速冷却系统由于增加了地下室，使工程一次性 投资增加，但设备投入使用后两年所节约的设备维修费和减少内罩耗量的费用，可 与地下室一次性投资相抵。从长远观点看，采用分流式快速冷却系统更经济，更 便于维修。喷射冷却由于用电消耗偏高，一次投资较大，使用不多。己建成h p h 罩 式炉有7 5 采用分流式快冷系统。 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 薯 酱 时【司，k 图1 - 5 不同冷却系统的效果比较 f i g 1 - 5c o m p a r i s o n o f d i f f e r e n tc o o l i n gs y s t e m s e f f e c t s 1 4h p h 罩式炉的控制设备简介 h p h 退火炉是为了适应高品质，新品种钢材的退火要求在氮氢罩式退火炉的基 础上改造而来的，它不仅仅是将保护气体改为1 0 0 的氢气，还对炉况控制、加热控 制、冷却控制等进行了自动化改造。为了保证炉台的安全性和在紧急状态下的维持 生产，还采用了分级控制，使得每一个炉台之间的独立性以及在上位计算机系统故 障或是其它通讯故障时能由b c u 控制维持生产，与原有的系统相比，控制自动化程 度有显著提高，人机对话界面更加友好，当然产品的质量也有显著的提高。 其控制系统有以下一些特点： ( 1 ) 单独的控制系统，有较高的故障防护功能和安全性； ( 2 ) 现场的电气元件、控制设备布置简练而且便于维护； ( 3 ) 炉台控制单元采用a r c n e t 网络通讯，响应快，数据传送可靠； ( 4 ) 新增了部分自动控制功能。( 全氢罩式退火炉所必需的) 其控制系统由三级构成： 第一级：炉台控制单元介质控制单元； 第二级；过程控制系统； 第三级：主计算机系统。 1 4 1 中央控制室的设备 ( 1 ) 炉台控制单元( b c u ) 炉台控制单元b c u 是全新的l l 级微机控制单元，每个炉台配备有一套单独的 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 b c u ，b c u 的主要构成：c p u 处理器板、输入输出板、模拟信号输入板、显示操 作板、通讯接1 ：3 板、电源部分。b c u 控制炉台的退火程序，提供状态监视、参数休 整、手动控制、数据通讯等一系列控制功能。如图1 - 6 所示。 图1 - 6b c u 控制示意图 f 瑭，1 - 6 b c u c o n t r o l l i n gs k e t c hm a p ( 2 ) 能源介质总管控制单元能源介质总管控制单元由一台类似b c u 的控制器 m c u 控制。m c u 类似于s 5 的m a s t e r ，主要控制各种能源介质，提供与b c u 和 系统服务器的数据通讯。m c u 由框架、功能模块、液晶显示屏、操作面板、与外部 的通讯接口组成，如图1 7 所示。 ( 3 ) 数据收集转换系统 b c u 和m c u 的通讯数据交换是通过a r c n e t 网络进行的，而它们又通过 a r c n e t 经过数据交换机和协议转换机p r o v i d e r 同过程服务器进行数据交换，其 连接示意图如图1 8 所示。a r c n e t 网络协议是工业控制常用的数据交换方式，安 全性和可靠性程度高。 ( 4 ) 主计算机系统 主计算机系统由系统服务器，数据库服务器，操作终端，打印机通过以太网构 成，主要实现处理退火计划，计算退火参数，监控每一个炉台的退火状态，报表生 东北大学硕士学位论文第一章绪论 成及打印等功能。如图1 - 9 所示，2 级水平包括四部分内容。 图i 7m c u 控制示意图 f i g 1 - 7 m c u c o n t r o l l i n gs k e t c h m a p 图l - 8 数据收集转换示意图 f i g 1 8 s k e t c hr r l a p o l l d a l a sc o l l e c t i o n a n d c o n v e r s i o n 1 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 9 主计算剞陈统绷戎图 f i g 1 - 9m a n c o m p u 嘧掣啦m 售c o m p 。血坶c h a i t p r o v i d e r ：可执行的运行程序，把一些相关的数据提供给工艺和数据库，同时， 也提供给人机界面。在人机界面( m m i ) 中，包括了计算模型和部分数据库。其模 型和数据形式均采用e x c e l 表格形式。 数据库：储存所有2 级水平的数据，同时对3 级水平的数据进行储存。 人机界面：用户可以进行已知条件的输入，进行模型计算，提供生产工艺控制 参数和模式。 维护系统：用于系统维护，包括数据存档、再输入，以及人机界面和数据库的 咨询。此外还包括打印界面。 ( 5 ) b c u m c u 同上位过程控制计算机l 2 的通讯 b c u m c u 通过a r c n e t 接口板连接到a r c n e t 总线，并通过协议转换计算 机连接到l 2 的局域网上实现同上位过程控制计算机l 2 的通讯。如图l 一1 0 所示。 图1 1 0b c u m c u 与l 2 通讯示意图 h g 1 - 1 0s k e 位h m a p o n b c u m c u a n d l 2 c o m m t m i c a l l o n 1 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 现场电气仪表设备 ( 1 ) 炉台 炉台循环风机( 由变频器控制转速) 加热控制温度检测系统 底部对流板温度检测系统 炉内压力检测用压力变送器 炉内压力报警压力开关 氮气入口电磁阀 氮气流量变送器 氢气流量变送器 氢气入口双磁阀及压力检测仪 氢气排放控制系统 炉内含氧量检测系统 冷却水流量计 冷却水温度检测系统 冷却水进口控制电磁阀 炉台废气排放控制电磁阀 保护罩，加热罩，冷却罩位置接近开关 ( 2 ) 2 d 热罩 助燃风机 煤空比例调节用伺服电机 安全截止阀 燃烧控制系统 ( 3 ) 冷却罩 冷却风机 ( 4 ) 能源介质总管 氮气压力变送器，流量变送器，电动控制阀 焦炉煤气压力变送器，流量变送器，电动控制阀 氢气压力变送器，流量变送器，电动控制阀 1 5 本文研究的主要内容 ( 1 ) ) h 罩式炉控制模型消化 1 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 对引进的h p h 罩式炉的原有控制模型的样板设计、退火设计和设定点计算进行 分析研究，消化控制模型的程序以及控制模型，弄清其模型计算方法及相关参数设 定的依据。 ( 2 ) h p h 罩式炉退火数学模型研究 在分析h p h 罩式炉工作物理过程的基础上，通过对h p h 罩式炉钢卷退火的传 热物理过程的分析，建立钢卷退火二维热传导的数学模型，使用m a t l a b 工具， 应用差分数值计算技术，编制h p h 罩式炉退火过程的模拟计算软件，实现输入原始 数据进行退火过程数值模拟计算和根据不同参数计算钢卷退火温度以及退火时间的 功能。 ( 3 ) h p h 罩式炉退火理论模型的验证分析 利用工业插片试验，寻求h p h 罩式炉退火实际温度变化规律，确立低边测量温 度的代表性，依据低边测量温度验证理论模型的准确性，最后分析钢卷退火温度和 时问的影响因素。 1 5 东北大学硕士学位论文 第二章罩式炉控制模型分析 第二章罩式炉控制模型分析 2 1h p h 罩式炉控制模型 宝钢h p h 罩式炉p r o v i e w 系统模型包括两个不同的部分。各自有不同的设定 点任务。每一个任务都根据不同的公式或表格来实现。公式或表格中的参数和 p r o v i e w 设定点的设定一起存贮在数据库中。 各模型的e x c e l 表格的名称根据表2 - 1 制定。 表2 - 1h p h 罩式炉样板表 t a b l e2 - 1f o r mo fh p hc o v e t i n gf u r n a c e sm o d e 炉台号炉型 p r e v i e ws h o pi d p r o v i d e rn o 退火设定点样板名吹扫设定点样板名 1 3 3 15 2l o i h p h1 1 a n g r i d1 x l s p u g r i d1 x l s 0 4 9 0 7 6l o i h p h3 2 a n g r i d3 x l sp u g r i d3 x l s 2 1 1 样板设计 下面这个例子显示的是安装在e x c e l 环境下的退火样板。每一个样板都有七个 表格。表格的名称是：( 1 ) a n n e a l 一退火吹扫；( 2 ) m a t e r i a l - - 材料数据；( 3 ) p a r a m e t e r - - 参数；( 4 ) l e v e l 一3 级水平：( 5 ) c a l c u l a t i o n - - 模型计算；( 6 ) m a s s a g e - - 信息，( 7 ) 1 h t _ 一 出炉温度表，如图2 1 所示。 2 1 2 退火设计 退火设计用m i c r o s o f te x c e l9 5 制得，有6 个表格。 ( 1 ) 退火：这是一个标准的设定点显示和修改的表格，用于过程中及设定点信 息库中设定点的修正。当设定点进入处被来自m m im a i np a d 激活时，这个表格 就会显示出来。在用户水平在1 2 时，这只是一个只读表格。 ( 2 ) 材料数据：在这个表格中对于所选炉台的所有堆垛数据都己复制。在这一 表格中所显示的数据与p r o v i e w 材料数据输入表格的一样。计算表格中一些参考 信息也可用于材料数据表格。这个表格不是用于人工数据输入，在下次安装e x c e l 样板时，所有的数据将会被覆盖。在e x c e l 样板上本表中，任何设定( 如钢卷数据 1 6 东北大学硕士学位论文第二章罩式炉控制模型分析 象宽度、重量等) 都会导致不正确的计算。这一表格中填满了来自炉台的数据， 在安装前这一表格不被清除。本表格只能在p r o v i e w 用户水平3 中看到。 ( 3 ) 参数：这一表格包含用于计算的所有数据，和设定点设置保存在一起。p r o v i e w 图2 1h p h 罩式炉控制模型样板 f i g 2 - 1 h p hc o v e r i n gf u r n a c e sc o n t r o l l i n gm o d e lt e m p l e t 提供常数名c a c o s e t p o i n t x x ，这表示设定点的计算常数。x x 代表从o 2 l ( 标准) 的数字。参数安装在“b ”列中，参数名在“a ”列，c 列用于参数的临时结果。p r o v i e w 数据库中所有的数值是以“w o r d ”形式，这允许数值在范围从o 6 5 ，5 3 5 中波动。 如果输入的数值超过这个范围，将会以“0 ”值代替。为得到“r e a l ”类型范围中的常 数，e x c e l 表格可用于计算公式( 见上面的例子) 。 ( 4 ) 水平3 ：这一表格包含从设定点设定到进料的所有数据。所有的公式修正的 退火参数必须列于本表中。本表参考水平3 运行程序( p v l 3 e x e 在e n g i n e e r i n g 1p c 下运行) 相连，用水平3 计算机设定点设定填充退火模式。材料数据也被来 自水平3 的数据填充。e x c e l 样板将执行所有的计算并把修改的数据复制到这一表 格中。参数名在b 列，数值在d 列。 1 7 东北大学硕士学位论文 第二章罩式炉控制模型分析 ( 5 ) 计算：本表格包含计算公式，中间结果，评价，解释和计算常数。从中可以 得到所有不同公式的解释以及哪些过程数据已被修改。 ( 6 ) 信息：本表格包含一些信息，供操作员参考，信息在第一个表格的最底下一 行。 2 1 3h p h 罩式炉设定点计算 h p h 罩式炉设定点计算包括：保温时间，吹扫时间，出炉温度。在设定点输 入过程中，在m m i 上时间输入受到e x c e l 样板内部程序的监控。这些通过在行上 各格中的公式决定。时间设定，公式参考行，用于输入时间设定。如果从阶段1 开始，输入一个温度，时间是“0 0 ：o o ”，计算就被激活了。需要指出的是，保温时 间是一次性插入；开始时输入“0 0 ：0 0 ”。对于2 5 个钢卷的堆垛的保温时间由下 式来计算。加热时间( h t ) 由式( 2 1 ) 决定： h t = 卜意g m l + d g ) 1 协尉一彳 ( 2 - 1 ) l磁 、 注释；如果人工输入的阶段时间( a ) 大于理论计算加热时间( h t ) ，计算将 是：保温时间为零，否则，保温时间= 人工输入的阶段时间( a ) 一理论计算加热时 l 司( h t ) 。 所用的参数： a ，从阶段1 到整个阶段的总时间，式中保温时间用h 表示。 a = 时间 阶段1 ( 2 - 2 ) 这些时间在退火表格a n g r i d l x l s ( a n g r i d 3 x l s ) 的a n n e a l 中的“f ”列包 含用来修改的值。 k g ，加热能力因子，1 1 1 ，在参数表格的a n g r i d i x l s ( a n g r i d 3 x l s ) 中， 这一常数设定点设定一起保存在p r o v i e w 数据库中。 牛器 亿，、 其中：g l 。炉子最大产量，t h ，( 查参考表) g l 炉子最小产量，t h ，( 查参考表) 1 8 东北大学硕士学位论文第二章罩式炉控制模型分析 g m 最小总重，t ，( 查参考表) g m 。最大总重，t ，( 查参考表) d g 一一加热补偿，t m ，d