1、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 introduces the stainless steel belt level suspension type continuous annealing furnace cooling system, and the application and process of cold rolled stainless
2、steel anneal furnace cooling section is analyzed, including air cooling section, water cooling section.Keywords: cold rolled stainless steel; Continuous annealing furnace; Cooling 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1 1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
3、。图1 不锈钢退火温度曲线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/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2 所示。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/s速率快速冷却，使带钢从1150冷却到180；再用水喷淋冷却，使带钢从180冷却到80；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
4、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，1 st、2
5、nd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
6、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
7、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=0.332Re0.5Pr0.333 （1） 式中：N u为努赛尔数，Hl/ 。Re为雷诺数，Re=UL/=205368 。其中 U 为速度特征尺度， L 为长度特征尺度， 为运动学黏性系数。Pr为普朗特数， Pr= / =c /k=0.703。 为 动力 粘 度 ； c 为 等 压 比 热 容 ； k 为 热 导 率 ； 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)13
8、4=59.2W/(m2K) （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，要求经过空冷段后，钢带温度降至 tB2为 180。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/(m2K)。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=（t B1tB2） 0.5 （5）则： =1155.21.2510
9、42= 1605754W 则带钢在冷却出口的温度为:T 出 = tB1-Q/(CM)= 357 （6）式中c带钢比热，kJ（/ kg）；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 2则 2=hAT = 595.21.25400= 245440W （7）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# 2283# 1794# 1345# 1156# 1027# 648# 35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1.07
10、81250mm的带钢，得到了各冷却箱体出口的温度，见表2。 1# 3652# 2173# 1834# 1525# 1386# 1097# 908# 54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/(m2K)。（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（
11、1）的计算原理，得到冷却段带钢的温度分布；如表 2所示：1# 3982# 2443# 1884# 1405# 1236# 1117# 788# 52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# 4672# 3593# 3104# 2655# 2466# 2337# 1948# 165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 160
12、KW,八台风机 1 小时可节省的电量为：Q=1600.288=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
13、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）4446.2 王福凯，白秀艳.冷轧不锈钢带连续退火炉J.Industrial Furnace,2004，（1）：1820.3 4 杨世铭，陶文铨.传热学M .北京：高等教育出版社，20
14、06.8.5 钢铁厂工业炉设计参考资料M .北京：冶金工业出版社,1981.36 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 为 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，要求经过空冷段后，钢带温度降至 tB2为 180。(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=/2=23300 Nm3/h. (1)而空气在每秒中的流量为 q=1/3600=6.47 Nm3/h. (2)下
15、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。则 A=LB=2.52.6=6.5m2 (4)则 V=6.47/6.5=0.995726m/s (5) Re=VL/ (6)式中：V为速度特征尺度，L为长度特征尺度，为运动学黏性系数。 （空气的 在 20时查表为 6.010-5 m2/s）则 Re=VL/=0.995722.65/(6.010 -5)= 205368Pr=/=
16、c/k=0.703 (7)则 Nu=0.332Re0.5Pr0.333 =134又因为 Nu=Hl/ (8) 式中：H为对流换热系数，为空气的导热系数。（2）传热系数计算求得 H=59W/(m2K) ；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/(m2K)。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=HAT (10) 式中：A为换热面积，T 为带钢
17、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/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 38.53=107，其意义是带钢经过空冷箱体之后，要冷却掉 107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。则带钢的平均温度为 T=（t B1tB2） 0.5 (11)式中：t B1 为带钢进入冷却箱体时的温度，tB2
18、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 T1= 1072.则 T= T1-T 室 =1072-30=1042 （12）则 Q=HAT=1155.21.251042= 1605754W则带钢在冷却出口的温度为:T 出 = tB1-Q/(CM)= 357 （13）式中 c带钢比热，kJ（/ kg） ；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 2则 2=hAT = 595.21.25400= 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，而 4#取的是 100，4#取的是 100，5#为50，6#为 45，7#为 20，8#10.（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。
