連續(xù)退火機組退火爐能力與機組vd 值的選擇

孫召亮

（中天鋼鐵集團有限公司，江蘇 常州213011）

隨著社會的不斷進步與科學技術(shù)的不斷發(fā)展，能源緊張成為嚴重困擾國民經(jīng)濟發(fā)展的重大問題，這迫使工業(yè)部門一方面不斷開發(fā)和利用新能源，另一方面，人們采用節(jié)能措施，即不斷采用新技術(shù)、新工藝改進舊的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)條件進而得以節(jié)能。

在連退機組中退火爐能力（加熱與冷卻能力）和機組運輸能力選擇上至關(guān)重要， 選擇適合的退火爐能力和機組運輸能力， 既能發(fā)揮設(shè)備能力， 節(jié)能生產(chǎn)，又能節(jié)省投資，節(jié)約資源。

連續(xù)退火機組退火爐主要用于冷軋帶鋼軋制后再結(jié)晶退火，消除冷加工硬化，為建筑、家電、汽車等行業(yè)提供性能優(yōu)異、高表面質(zhì)量的薄帶鋼退火卷。

連續(xù)退火機組主要由入口段運輸設(shè)備、 入口段設(shè)備、焊機、入口拉矯機、清洗設(shè)備、入口活套設(shè)備、連續(xù)退火爐設(shè)備、出口活套設(shè)備、平整機設(shè)備、檢查活套設(shè)備、帶鋼切邊及處理設(shè)備、帶鋼檢查設(shè)備、靜電涂油機設(shè)備、出口段設(shè)備、出口段運輸設(shè)備組成。

立式連續(xù)退火技術(shù)因產(chǎn)量大、 生產(chǎn)品種全而得到飛速的發(fā)展。 為了降低能耗及保證設(shè)備的運行性能，機組產(chǎn)能能力及機組速度（運輸能力）的選擇至關(guān)重要。其中，退火爐的能力選擇與機組速度相輔相成，互相制約，既不能選擇能力過大的退火爐，又不能選擇過大的機組速度。

下面就退火爐能力與機組速度的選擇作詳細的理論分析。

1 退火爐組成

連退產(chǎn)品在退火爐中根據(jù)工藝過程需經(jīng)加熱－均熱－緩冷－快冷－過時效－最終冷卻－水淬冷卻的工藝過程，因此，退火爐相應(yīng)由加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、過時效段、最終冷卻、水淬冷卻段組成。

與退火爐能力選擇與機組速度選擇有關(guān)的主要為加熱段加熱能力與冷卻段冷卻能力。

2 退火爐能力計算

2.1 退火爐加熱段工作原理

在連續(xù)退火機組退火爐中， 帶鋼一般采用輻射管間接加熱的方式， 帶鋼在加熱段內(nèi)通過輻射管加熱到規(guī)定的退火溫度，其原理如圖1 所示。

圖1 W 型輻射管帶鋼加熱形式

如圖所示， 加熱段輻射管采用W 型輻射管形式，其工作原理為冷的助燃空氣從W 型輻射管排煙端裝有空氣/煙氣換熱器處從空氣管內(nèi)供入，經(jīng)換熱器加熱后從輻射管的垂直管道供入到燒嘴處， 在燒嘴端與供入的煤氣混合經(jīng)點火后發(fā)生燃燒， 燃燒產(chǎn)物在輻射管內(nèi)沿圖所示方向進行流動。 在煙氣流動的過程中， 高溫煙氣的熱量不斷通過輻射管傳遞給帶鋼，達到加熱帶鋼的目的。 煙氣最后經(jīng)空氣/煙氣換熱器換熱后從輻射管排煙處排出。

2.2 退火爐加熱段理論計算

在輻射管退火爐加熱段中， 帶鋼加熱主要以輻射傳熱為主，對流傳熱可以忽略不計。 因此，本文加熱計算原理建立在全輻射傳熱基礎(chǔ)上。

2.2.1 輻射傳熱基礎(chǔ)及v×d（v:機組速度，d：帶鋼厚度）值的推導

在輻射傳熱中， 根據(jù)經(jīng)典輻射傳熱公式可得輻射體（爐膛內(nèi)的綜合溫度）向帶鋼輻射熱量為：

式中：Q放—爐膛輻射給帶鋼的熱量，W

ξ—黑度系數(shù)

σ0—黑體輻射常數(shù)，W/（m2·K4）

T—帶鋼溫度，K

Tf—輻射體溫度（爐膛內(nèi)的綜合溫度），K

s—加熱帶鋼的面積，m2

帶鋼吸熱量為：

式中：m—加熱帶鋼的質(zhì)量流量，kg/h

c—帶鋼比熱，×4.18 kJ/（kg·℃）

dT—帶鋼的溫度改變量，℃

式中：TSo—帶鋼出口溫度，℃

TSi—帶鋼進口溫度，℃

Tf—輻射體溫度（爐堂內(nèi)的綜合溫度），K

Tsm—帶鋼平均溫度， 其計算值為Tsm=（TSo+TSi）/2，K

因：

式中：ρ—體積密度，kg/m3

V—體積流量，m3/h

v—帶鋼速度，m/h

d—帶鋼厚度，m

b—帶鋼寬度，m

l—帶鋼加熱長度，m

通過式（5）、式（6）、式（7）和式（8）得：

式中，K0為變形系數(shù)。

通過以上得出爐子加熱長度和帶鋼的加熱溫度限制v×d 值，也就是限制爐子產(chǎn)量。

在需設(shè)計的退火爐中，根據(jù)帶鋼加熱時間計算，帶鋼在加熱段的加熱長度l 為常數(shù)（已知數(shù)），爐溫設(shè)定值Tf、帶鋼進加熱段的溫度TSi、帶鋼出加熱段的溫度（加熱目標溫度）TSo也為常數(shù)（已知數(shù)）。 通過對式（10）的變換得：

通過對退火爐加熱段的理論分析得出， 帶鋼在加熱段速度v 和帶鋼厚度d 成反比， 其速度v 和厚度d 的關(guān)系見圖2。

通過理論計算分析，在機組速度允許的條件下，機組速度和帶鋼厚度成反比，即v×d 值為一常數(shù)。

2.2.2 爐子供熱功率ph與v×d×b 值的推導

在退火爐中，退火爐加熱段通過輻射管的形式向爐內(nèi)供熱，其供熱功率ph與帶鋼吸熱量如下關(guān)系：

設(shè)退火爐供熱段熱效率為η，其有效熱為

圖2 機組速度v 與帶鋼厚度d 關(guān)系圖

式中，Qη為爐子有效熱。

因帶鋼吸熱等于有效熱，即：

對于需設(shè)計退火爐的加熱段， 退火爐加熱功率ph為常數(shù)，η 也基本為恒量，推導時按常數(shù)處理，通過對式（15）的變換得：

通過以上的關(guān)系式，我們可以得出機組速度v、帶鋼厚度d 和帶鋼寬度b 的關(guān)系圖（見圖3）。

圖3 機組速度v 與帶鋼厚度d 及帶鋼寬度b 關(guān)系圖

通過式（16）及其關(guān)系圖我們可以解釋為什么在寬度b 過寬時而v×d 值沒有達到最大值的原因。 也就是爐子供熱功率ph限制v×d 值。

當厚度一定的情況下， 當寬度變化達到爐子最大產(chǎn)量時，此時若帶鋼寬度再增加，機組速度就要下降，保持爐子最大生產(chǎn)能力不變，此時機組保持最大生產(chǎn)能力運行。

2.3 退火爐冷卻段的計算

在連續(xù)退火機組退火爐中， 帶鋼冷卻一般采用氣體噴吹的方法進行冷卻。冷卻以對流傳熱為主。因此，本文冷卻計算原理建立在對流傳熱基礎(chǔ)上。

2.3.1 對流傳熱基礎(chǔ)及v×d 值的推導

對于帶鋼與保護氣體之間的對流換熱， 通過簡化有如下的等式：

式中：α—對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）

TSo—帶鋼出口溫度，℃

TSi—帶鋼進口溫度，℃

Tgo—氣體出口溫度，℃

Tgi—氣體進口溫度，℃

假設(shè)需設(shè)計的退火爐， 帶鋼在冷卻段的冷卻長度l 為常數(shù)，氣體進口的溫度Tgi、氣體出口的溫度Tgo也過換熱冷卻技術(shù)保持為常數(shù)。 對于給定的退火曲線，帶鋼進口溫度TSi、帶鋼出口的溫度TSo也為常數(shù)，聯(lián)系式（17）、式（6）和式（7）得

通過以上計算，結(jié)論與加熱段結(jié)論一致，v×d 值為一常數(shù)。

2.3.2 爐子冷卻能力pc與v×d×b 值的推導

帶鋼放熱量與冷卻能力pc有如下關(guān)系：

結(jié)論與加熱段結(jié)論一致，v×d×b 值為一常數(shù)。

通過以上對加熱段及冷卻段v×d 值及v×d×b 值的推導可得出一致的結(jié)論， 即v×d 及v×d×b 值為常數(shù)。 該結(jié)論對設(shè)計爐子能力與機組速度的選擇有一定的指導意義。

3 爐子產(chǎn)量計算

爐子的產(chǎn)量計算依據(jù)是在計劃的年工作時間內(nèi)完成計劃的任務(wù)，即產(chǎn)品大綱。

3.1 年生產(chǎn)時間的計算

生產(chǎn)時間指除去各種因素不能生產(chǎn)的純工作時間，按照一般的操作規(guī)程計算（見表1）。

表1 年生產(chǎn)時間計算表

根據(jù)計算，連退機組工作時間選擇在6 000 h 左右，對于不同的生產(chǎn)廠家，可以選取不同的生產(chǎn)時間。

3.2 不同鋼種的爐子產(chǎn)量

根據(jù)公式（10），對于不同的鋼種，若退火溫度不同，爐子產(chǎn)量也就不同。我們一般所說的爐子最大能力是指處理最低退火溫度的鋼種時的爐子產(chǎn)量。 假如我們以處理最低退火溫度的鋼種的爐子產(chǎn)量作為參考， 處理其余退火溫度的鋼種的爐子產(chǎn)量應(yīng)在處理最低退火溫度的鋼種的爐子產(chǎn)量乘以一個小于1的能力系數(shù)。

若以720 ℃作為參考， 其他退火溫度的能力因子見表2。

表2 能力因子與退火溫度關(guān)系

3.3 爐子產(chǎn)量選取及機組最大vd 值的選取

通過對退火爐加熱及冷卻段的分析， 我們選取爐子產(chǎn)量時以上述結(jié)論為計算依據(jù)。

確定適合的爐子產(chǎn)量及機組最大vd 值，能滿足在凈生產(chǎn)時間內(nèi)完成計劃的任務(wù)（產(chǎn)品大綱），又能發(fā)揮最大的機組能力，這種配置最為經(jīng)濟。 因此，選取合適的爐子產(chǎn)量及機組最大vd 值顯得很重要。在一定的生產(chǎn)時間內(nèi)，將機組最大vd 值與爐子能力通過計算所得的值作成曲線，可以看出機組vd 值及爐子能力選擇是否合適（如圖4 所示）。

圖4 機組vd 值與爐子能力p 關(guān)系圖

一般，爐子的產(chǎn)量與機組vd 值是經(jīng)過不斷反復計算后作成曲線確定，但對于有經(jīng)驗的人員，可以根據(jù)幾次比較計算結(jié)果得出較為合適的爐子能力與機組vd 值。

3.4 爐子產(chǎn)量及機組最大vd 值的確定

通過對所有產(chǎn)品大綱的鋼種及規(guī)格的產(chǎn)量計算， 可以計算出每種鋼種及規(guī)格的產(chǎn)量及所用的年生產(chǎn)時間， 所有鋼種生產(chǎn)時間相加得出的生產(chǎn)時間（產(chǎn)品大綱）所需的年生產(chǎn)小時。 通過產(chǎn)品大綱的年生產(chǎn)小時判定退火爐能力和機組vd 值選擇是否合理。 若不合理，則需重新選取vd 值和爐子能力進行計算，直至合理為止。

4 結(jié)論

通過對退火爐加熱及冷卻段的分析，我們可以得出選擇爐子能力與機組vd 值的理論依據(jù)， 通過該理論依據(jù)我們可以方便計算選擇合適的爐子能力與機組vd 值，為選擇合適的機組提供強有力的理論支持。