1、不銹鋼冷軋連續退火爐冷卻系統工藝分析 申德（冷軋分廠丁作業區冷線退火爐）摘要：介紹了不銹鋼帶水平懸索式連續退火爐冷卻系統的工藝與應用，并對冷軋不銹鋼退火爐的冷卻段進行了分析，包括空冷段、水冷段。關鍵詞：冷軋不銹鋼；連續退火爐；冷卻系統；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. 不銹鋼連續退火爐冷卻系統不銹鋼帶軋制后產生硬化，耐蝕性降低。經過連續熱處理，可以改善組織，提高塑性，實現碳化物固溶。圖11所示為某規格AISI304 退火溫度曲線，該曲線已在生產實踐中較好地應

3、用。圖1 不銹鋼退火溫度曲線不銹鋼帶軋制后的連續熱處理包含加熱段和冷卻段，其中帶鋼的冷卻段工藝影響不銹鋼碳化物固溶效果以及性能和板形。例如對于奧氏體不銹鋼，在850500之間冷卻速度慢時，將因碳化物在晶界析出而產生敏化，對其產品的耐腐蝕性有明顯的影響，因此通常冷卻速度應大于20/s。某規格不銹鋼的冷卻速率與碳化物析出的關系曲線如圖2 所示。圖2 不銹鋼的冷卻速度與碳含量關系曲線 酒鋼公司采用的奧氏體不銹鋼冷軋連續退火冷卻工藝，以38.5/s速率快速冷卻，使帶鋼從1150冷卻到180；再用水噴淋冷卻，使帶鋼從180冷卻到80；最后經干燥段烘干出爐。對于不銹鋼連續退火爐冷卻段的設計，一般采用鋼板焊

4、接的冷卻室。在鋼帶上下面各布置多排噴頭，將冷卻介質噴向鋼帶表面，冷卻鋼帶。通常采用的冷卻介質有水、水霧、蒸汽、空氣等，按鋼帶的材質和厚度選用。鋼帶的冷卻速度主要由其熱處理工藝要求來確定。從大多數不銹鋼連續退火爐的實際冷卻系統來看，都存在冷卻介質多樣，設備復雜的特點。2. 酒鋼不銹鋼冷軋連續退火爐冷卻系統酒鋼采用的是目前世界上最先進的冷卻技術【2】，即將空冷段與水冷段合二為一。具體方式如下：（1） 空氣噴射冷卻段冷軋采用的是8段式，長度41.6m。將加熱后的帶鋼按規定冷卻速度冷卻至要求溫度。每一個空氣冷卻段由4mm厚的AISI-304不銹鋼板制成，并用鋼結構加固。其中，1st、2nd段內覆有30

5、mm的絕熱材料。其它結構如空氣供給、排煙管道等都是普碳鋼制成。噴氣箱由AISI-316制成，每個噴氣箱都包含一個控制閥門，噴氣箱與普通鋼質總管相連。為收集鋼帶帶來的粉塵和碎片，每一個噴射冷卻段的底部都安裝了一套濕式除塵裝置。其工作原理如圖3所示。帶鋼上、下分別設有空氣噴管，并按規定的冷卻速度進行冷卻。 圖3 帶鋼冷卻原理圖（2） 噴水冷卻段其冷卻形式是水霧冷卻。設有10排水噴管，噴嘴為水霧式，長度6m。通過水霧冷卻，將帶鋼冷卻至規定溫度。最終噴水冷卻段由4mm厚AISI-304不銹鋼板制成，同時內部安裝了成排的噴水總管。每排管子都成上下布置。管子上所接的平噴式噴嘴材質是AISI-304不銹鋼。

6、水的供給的分布和控制被分成了6組，每組都有獨立的開/關控制（一上一下兩跟管子）。每個總管都有一個手動的流量調節閥來調節水量，這個調節閥也可以調節冷卻區域。噴射總管的布置可以實現當切斷后不滴水，此時可以用干燥風機供給的空氣進行冷卻。為了便于移動，噴射管采用了便于快速分離的連接方式。3.冷卻段的傳熱計算分析（1）不銹鋼帶進入冷卻區后的換熱過程是一個復雜的熱傳遞過程，包含了對流、輻射以及帶鋼內部的傳導三種傳熱形式。對于空冷段的傳熱分析，可認為是射流沖擊傳熱【3】。但射流沖擊換熱現象復雜【4】，無法在實際計算中運用傳熱學原理進行計算。所以尋找一種簡單的計算方法成了本節討論的重點。通過考慮，帶鋼在冷卻段

7、的運行方式，采用流體外掠平板傳熱的計算方式。采用如下公式，對帶鋼在冷卻段的冷卻進行分析。 Nu=0.332Re0.5Pr0.333 （1） 式中：Nu為努賽爾數，Hl/。 Re為雷諾數，Re=UL/=205368 。其中U為速度特征尺度， L為長度特征尺度，為運動學黏性系數。Pr為普朗特數，Pr=/=c/k=0.703。為動力粘度；c為等壓比熱容；k為熱導率；為導溫系數，為運動粘度。通過計算當地的努賽爾數為：134 H=/LNu=(0.0267/0.067)×134=59.2W/(m2·K) （2）假設產品板厚為1mm ，板寬B為1250 ，鋼帶速度v為100m/min,帶

8、鋼進冷卻段時的溫度tB1為1150，要求經過空冷段后，鋼帶溫度降至tB2為180。先計算帶鋼在1#冷卻箱體內的冷卻模式;但由于在1#冷卻箱體內，帶鋼溫度較高，在計算其傳熱系數時，需要考慮帶鋼對冷卻介質的輻射。在這里取輻射換熱系數為a輻5=57 W/(m2·K)。 則1#冷卻箱體內帶鋼總的傳熱系數為h=H+a輻 （3）設空氣帶走的熱量為Q【6】。由公式： Q=h·A·T （4）設帶鋼的平均溫度為 T=（tB1×tB2）0.5 （5）則：Q =115×5.2×1.25×1042×=1605754W 則帶鋼在冷卻出口的溫

9、度為: T出= tB1-Q/(C×M) = 357 （6） 式中c帶鋼比熱，kJ（/ kg·）； M帶鋼質量，kg；而在2#至8箱體計算時沒有考慮帶鋼對氣體的輻射熱，因為根據實際測的溫度和計算的溫度來看，帶鋼的溫度是較低的。設在2#箱體內空氣帶走的熱量為Q2則 Q2=h×A×T = 59×5.2×1.25×400×=245440W （7）表1是2#至8#冷卻箱內帶鋼的出口溫度。與工藝要求的帶鋼溫度是相一致的。2#2283#1794#1345#1156#1027#648#35表1 2#至8#冷卻箱內帶鋼的出口溫度為了

10、驗證計算的正確性，通過測量規格為1.078×1250mm的帶鋼，得到了各冷卻箱體出口的溫度，見表2。 1# 3652#2173#1834#1525#1386#1097#908#54表2 1#至8#冷卻箱內帶鋼的實際出口溫度（風機功率在75%） （2）以上是八臺風機在滿負荷的情況下的帶鋼冷卻溫度。但是為了節約能源、降低帶鋼的生產成本。對冷卻段風機進行降低功率消耗的計算驗證。通過計算，當風機的功率在75%時，其雷諾數Re=154026；而其努賽爾數Nu=116；因空氣的普朗特數為定值，經計算,此時的對流換熱系數為H=52W/(m2·K)。（為計算方便，假設在所有計算中，唯一的變

11、量只有帶鋼與空氣之間的對流傳熱系數）則依據（1）的計算原理，得到冷卻段帶鋼的溫度分布；如表2所示：1#3982#2443#1884#1405#1236#1117#788#52表3 1#至8#冷卻箱內帶鋼的出口溫度（風機功率在75%）與工藝要求的帶鋼溫度是相一致的。 當風機功率在50%時，通過計算得表3所示的溫度分布，如下所示：1#4672#3593#3104#2655#2466#2337#1948#165表4 1#至8#冷卻箱內帶鋼的出口溫度（風機功率在50%）顯然此時是不能滿足工藝要求的。通過計算，當風機功率為72%時，帶鋼表面的溫度能滿足生產工藝。相當于能節省28%的電量。當風機功率為16

12、0KW,八臺風機1小時可節省的電量為：Q=160×0.28×8=358KW/h 。在滿足帶鋼工藝生產的前提下，盡量減小風機的功率，能減少帶鋼的生產成本，為提高企業在同行業中的競爭力有一個指導性的意義。（3）在噴水冷卻中，占主導的是有相變的對流換熱，即沸騰換熱【7】。沸騰換熱的換熱系數要比無相變時的對流換熱系數大得多。因空冷段冷卻后的溫度，已經滿足帶鋼所要求的溫度。因此水冷段傳熱暫不做計算分析。讀者可參考空冷段的計算原理進行分析。4結束語為了降低成本、提高生產能力及產品質量，同時也為了提高能源效率，簡化設備，不銹鋼熱處理冷卻段的要求也越來越高。本文介紹了不銹鋼帶水平懸索式連續

13、退火爐冷卻系統的工藝與應用，并對冷軋不銹鋼退火爐的冷卻段進行了分析，包括空冷段、水冷段。所介紹的連續退火爐，合理選擇配置了冷卻系統，實現了帶鋼表面換熱均勻；優化采用空冷段與水冷段合二為一；能夠滿足冷軋不銹鋼生產的高效率、高質量的需要。通過優化風機功率，可在一定程度上降低帶鋼的生產成本，為企業在本行業中的競爭力有一個指導性的意義。參考文獻：1 竇坦明，金曉宏.不銹鋼帶連續退火爐冷卻系統工藝分析J. 山東冶金. ，2006，4,（8）4446.2 王福凱，白秀艷.冷軋不銹鋼帶連續退火爐J.Industrial Furnace,2004，（1）：1820.3 4 楊世銘，陶文銓.傳熱學M .北京：高

14、等教育出版社，2006.8.5 鋼鐵廠工業爐設計參考資料M .北京：冶金工業出版社,1981.36 楊世銘，陶文銓.傳熱學M .北京：高等教育出版社，2006.8.7 鋼鐵廠工業爐設計參考資料M .北京：冶金工業出版社,1981.3附錄假設產品板厚為1mm ，板寬B為1250mm，鋼帶速度v為100m/min,帶鋼進冷卻段時的溫度tB1為1150，要求經過空冷段后，鋼帶溫度降至tB2為180。(1)基礎計算設風機的風量為：=46600Nm3/h.則冷卻風在帶鋼一側的流量為1=/2=23300 Nm3/h. (1)而空氣在每秒中的流量為q=1/3600=6.47 Nm3/h. (2)下面進行對空

15、氣進入冷卻段流速的計算，因為通過流速可以確定空氣經過帶鋼表面時所形成的是紊流還是層流。紊流與層流間的傳熱系數是不同的。 V=q/A (3) 式中：A為空氣流經帶鋼的面積。設帶鋼的寬度B=1250mm，L=空冷鍛箱體長度/空氣在實際帶鋼上的接觸長度，取箱體的一半。則 A=L×B=2.5×2.6=6.5m2 (4)則 V=6.47/6.5=0.995726m/s (5) Re=VL/ (6)式中：V為速度特征尺度，L為長度特征尺度，為運動學黏性系數。（空氣的在20時查表為6.0×10-5 m2/s）則Re=VL/=0.99572×2.65/(6.0×

16、;10-5)= 205368Pr=/=c/k=0.703 (7)則Nu=0.332Re0.5Pr0.333 =134又因為Nu=Hl/ (8) 式中：H為對流換熱系數，為空氣的導熱系數。（2）傳熱系數計算求得H=59W/(m2·K) ；先計算帶鋼在1#冷卻箱體內的冷卻模式;但由于在1#冷卻箱體內，帶鋼溫度較高，在計算其傳熱系數時，需要考慮帶鋼對冷卻介質的輻射。在這里取輻射換熱系數為a輻 =57 W/(m2·K)。則1#冷卻箱體內帶鋼總的傳熱系數為h=H+a輻 （3）傳熱量的計算 求得對流換熱系數是為了空氣掠過帶鋼表面時求出所帶走的熱量,設帶鋼帶走的熱量為Q,則Q=H

17、5;A×T (10) 式中：A為換熱面積， T 為帶鋼與空氣間的溫度差。在計算溫度差時，帶鋼出口的溫度是不知道的。這是本次計算所要解決的問題，通過查詢資料，以及換熱量計算經驗得如下的計算方式。先假設帶鋼出口的溫度是根據冷卻速度而定，因假設條件下的冷卻溫度平均為38.5/s，而箱體的長度為5.2m。帶鋼走完一個箱體的時間為大約3s。故此時空氣冷卻的溫度為38.5×3=107，其意義是帶鋼經過空冷箱體之后，要冷卻掉107的熱量。但是根據經驗以及對流換熱的性質。帶鋼在1#；2#箱體內冷卻的速度遠遠大于這個值，根據數值計算，取150。則帶鋼的平均溫度為 T=（tB1×tB2）0.5 (11)式中：tB1 為帶鋼進入冷卻箱體時的溫度， tB2 為帶鋼在冷卻箱體出口時的溫度。則在1#箱體內，帶鋼的平均溫度為T1= 1072.則T= T1-T室=1072-30=1042 （12）則Q=H×A×T =115×5.2×1.25×1042×=1605754W則帶鋼在冷卻出口的溫度為: T出= tB1-Q/(C×M) = 357 （13）式中c帶鋼比熱，kJ（/ kg·）；M帶鋼質量，kg；而在2#至8箱體計算時沒有考慮帶鋼