馮 鐵，劉金富

(1.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900；2.寶鋼德盛不銹鋼有限公司固溶廠，福建 福州 350601)

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一種新型帶鋼烘干裝置在固溶生產(chǎn)線的應(yīng)用

馮 鐵1，劉金富2

(1.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900；2.寶鋼德盛不銹鋼有限公司固溶廠，福建 福州 350601)

由于鋼帶表面狀況及鋼帶烘干機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)，影響傳統(tǒng)鋼帶烘干機(jī)的烘干效果及設(shè)備使用。本文設(shè)計(jì)了一種新型鋼帶烘干裝置，介紹了該烘干機(jī)裝置的組成部分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其主要參數(shù)。并根據(jù)寶鋼某熱帶固溶生產(chǎn)線的實(shí)際工況及參數(shù)條件，對(duì)比了該烘干機(jī)的理論參數(shù)和實(shí)際參數(shù)， 說(shuō)明該裝置烘干效果良好，具備高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

帶鋼；烘干裝置；熱交換

0前言

寶鋼某固溶生產(chǎn)線主要是對(duì)熱軋不銹鋼帶鋼進(jìn)行連續(xù)退火、酸洗處理。帶鋼經(jīng)退火爐加熱退火后需要通過(guò)快速冷卻至室溫，快速冷卻過(guò)程一般為：空冷-霧冷-水冷。水冷后帶鋼上、下表面往往殘存大量的水分，因此位于水冷區(qū)域出口處一般設(shè)有一套烘干裝置，用于對(duì)水冷后帶鋼上下表面剩余水分進(jìn)行烘干處理。目前大多烘干裝置均采用蒸汽加熱熱風(fēng)烘干方式，其基本工作原理是：利用蒸汽介質(zhì)通過(guò)熱交換器內(nèi)部的多排波紋晶管循環(huán)后，使晶管加熱，實(shí)現(xiàn)熱交換功能，經(jīng)過(guò)循環(huán)熱交換后的蒸汽變成冷凝水排出。風(fēng)機(jī)的出風(fēng)經(jīng)過(guò)熱交換器并經(jīng)其內(nèi)部熱晶管的加熱作用變?yōu)闊犸L(fēng)。熱風(fēng)被輸送到位于箱體內(nèi)的幾組上、下風(fēng)刀，通過(guò)風(fēng)刀的出風(fēng)刀口對(duì)帶鋼上、下表面進(jìn)行熱吹掃，實(shí)現(xiàn)烘干處理功能。為便于熱風(fēng)反復(fù)循環(huán)使用，烘干機(jī)箱體一般同時(shí)設(shè)有吸風(fēng)口，通過(guò)與之相連的吸風(fēng)管，箱體內(nèi)的熱風(fēng)再由此回流到風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)往復(fù)加熱循環(huán)。

通常狀況下，經(jīng)退火加熱及冷卻后的帶鋼表面狀況會(huì)對(duì)影響烘干效果及設(shè)備使用。如：帶鋼上、下表面存有大量的氧化鐵皮粉塵，大量粉塵聚集在烘干機(jī)箱體底部，被設(shè)置在底部的風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口吸入并長(zhǎng)期聚集在吸風(fēng)管甚至風(fēng)機(jī)內(nèi)部，造成堵塞，影響吸風(fēng)流量及出風(fēng)流量，進(jìn)而影響烘干效果；若烘干機(jī)的風(fēng)刀出風(fēng)刀口距離帶鋼表面較遠(yuǎn)，使刀口吹掃熱風(fēng)的凝聚性變差，影響吹掃烘干的效果；帶鋼經(jīng)過(guò)退火加熱及冷卻后往往表面凹凸不平、邊浪翹曲十分嚴(yán)重，翹曲的邊浪經(jīng)常刮傷風(fēng)刀，造成風(fēng)刀損壞，影響烘干吹掃效果；由于翹曲嚴(yán)重的帶鋼經(jīng)常在上表面形成一定的凹坑效應(yīng)，局部會(huì)有大量聚集性水，常規(guī)的熱風(fēng)烘干無(wú)法對(duì)聚集性的水實(shí)現(xiàn)有效的烘干處理。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型烘干裝置，既能夠達(dá)到良好烘干效果，又具備高效、節(jié)能的顯著優(yōu)點(diǎn)。

1 新型帶鋼烘干裝置的工藝

若采用常規(guī)烘干處理工藝，很難在較短的時(shí)間內(nèi)將帶鋼表面的聚集性水分烘干。因此通常先采用機(jī)械性擠壓處理的方式(如：擠干輥擠干)將帶鋼表面聚集性自由狀態(tài)的水去除，然后帶鋼上、下表面僅以非自由狀的水跡狀態(tài)進(jìn)入烘干機(jī)進(jìn)行烘干處理。對(duì)于較厚較硬的熱軋不銹鋼原料帶鋼，退火后帶鋼邊浪翹曲十分嚴(yán)重，采用擠干輥擠干的方式，沿帶鋼寬度方向往往不能保證全部壓緊，擠干效果受到影響，而且擠干輥的襯膠表面極容易被帶鋼翹邊刮傷。因此寶鋼某廠通過(guò)在烘干機(jī)入口處設(shè)置2組吹掃風(fēng)刀的強(qiáng)力吹掃，可以去除帶鋼上、下表面自由狀態(tài)的水分，特別是板帶上表面凹坑效應(yīng)所產(chǎn)生的聚集性水，再通過(guò)烘干機(jī)箱體內(nèi)部4組烘干風(fēng)刀將剩余的水跡烘干。該烘干處理工藝如圖1所示。

圖1 烘干處理工藝簡(jiǎn)圖Fig.1 Drying process diagram

2 烘干裝置的結(jié)構(gòu)組成及功能特點(diǎn)

新型的烘干裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。新型烘干機(jī)箱體內(nèi)4組風(fēng)刀均為“一”字型風(fēng)刀，刀口處在一條直線上，便于在刀口入口方向增加托輥以有效保護(hù)風(fēng)刀。風(fēng)刀設(shè)計(jì)成紡錘形結(jié)構(gòu)，風(fēng)刀刀口在托輥出口處，且距離輥面一定高度，托輥使風(fēng)刀刀口的噴射靶距縮短，即使板帶邊浪翹曲嚴(yán)重，在相對(duì)較少的風(fēng)量、風(fēng)壓條件下也能夠達(dá)到良好的烘干效果。實(shí)際證明：為避免被板帶擦傷，沒(méi)有托輥保護(hù)時(shí)刀口的噴射靶距最少是有托輥的2倍，熱風(fēng)凝聚性變差，嚴(yán)重影響帶鋼表面的烘干效果。

傳統(tǒng)烘干機(jī)一臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)集中供風(fēng)給多組風(fēng)刀，而新型烘干機(jī)采用單獨(dú)供風(fēng)的方式，每臺(tái)風(fēng)機(jī)出風(fēng)通過(guò)各自的出風(fēng)道經(jīng)過(guò)各自的熱交換器加熱后，再由各自的分叉風(fēng)道對(duì)其相應(yīng)的1組上、下風(fēng)刀供風(fēng)。分叉風(fēng)道的軸測(cè)效果圖如圖2所示，進(jìn)風(fēng)口通流截面為矩形，與熱交換器接口對(duì)應(yīng)；出風(fēng)口為兩個(gè)圓孔與對(duì)應(yīng)組的2個(gè)風(fēng)刀進(jìn)風(fēng)接口連接。這種“天圓地方”的漸變通流結(jié)構(gòu)，使熱風(fēng)經(jīng)過(guò)分叉風(fēng)道時(shí)其壓力、流量幾乎沒(méi)有損耗。相比傳統(tǒng)“一供多”的分配風(fēng)箱出風(fēng)結(jié)構(gòu)，烘干機(jī)的供風(fēng)、出風(fēng)系統(tǒng)更加高效、節(jié)能。采用單獨(dú)供風(fēng)方式，可以根據(jù)季節(jié)環(huán)境溫度的狀況或?qū)嶋H現(xiàn)場(chǎng)需求來(lái)選擇性地投用、停用若干臺(tái)風(fēng)刀風(fēng)機(jī)，在滿足烘干效果同時(shí)，烘干機(jī)可以在低負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行。因此新型烘干機(jī)總的裝機(jī)容量還是遠(yuǎn)低于常規(guī)烘干機(jī)。

為解決烘干機(jī)箱體底部灰塵容易聚集的問(wèn)題，該烘干機(jī)箱體的2個(gè)吸風(fēng)口設(shè)置在箱體上部，且箱體相對(duì)常規(guī)烘干機(jī)設(shè)計(jì)較高，保證吸入的灰塵減少到最小程度。同時(shí)使吸入的風(fēng)具有較高的熱量，更加利于往復(fù)加熱循環(huán)，確保熱風(fēng)始終在較高溫度下循環(huán)使用，從而保證了烘干效果。位于箱體入口處的吸風(fēng)口供入口2臺(tái)風(fēng)刀風(fēng)機(jī)共同使用；位于箱體出口處的吸風(fēng)口供出口2臺(tái)風(fēng)刀風(fēng)機(jī)共同使用。吸入的風(fēng)經(jīng)由每個(gè)吸風(fēng)口再經(jīng)由各自的吸風(fēng)道，最后分別通過(guò)吸風(fēng)道下部?jī)蓚?cè)的吸風(fēng)管由分別與兩側(cè)吸風(fēng)管連接的風(fēng)刀風(fēng)機(jī)吸入，實(shí)現(xiàn)了往復(fù)循環(huán)。吸風(fēng)底部設(shè)置為積灰斗，少量的灰塵吸入后在此收集沉淀，通過(guò)拆卸積灰斗下方的盲板定期清灰。兩側(cè)風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)管分別與吸風(fēng)道下方兩側(cè)的吸風(fēng)口連接。風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)管為3通結(jié)構(gòu)，其中的2通接口分別與風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)接口及吸風(fēng)道相應(yīng)側(cè)吸風(fēng)口連接，第3通為自由接口，該接口設(shè)有插板閥。板帶在烘干機(jī)內(nèi)部烘干后，在箱體內(nèi)會(huì)留存較多的水汽。通過(guò)調(diào)節(jié)插板閥開(kāi)口來(lái)調(diào)節(jié)吸入外界新風(fēng)的流量，既可以滿足熱風(fēng)往復(fù)循環(huán)以確保足夠的烘干溫度，也能夠避免烘干機(jī)內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間無(wú)足夠的新風(fēng)補(bǔ)入所造成的水汽環(huán)境。

圖2 烘干裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Drying device structural diagram

3 主要性能參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)有工況條件及參數(shù)

現(xiàn)有蒸氣介質(zhì)溫度 130 ℃

帶鋼厚度 2.6 mm

帶鋼最大寬度 1 010 mm

帶鋼最大運(yùn)行速度 27 m/min

3.2 烘干熱風(fēng)溫度參數(shù)

進(jìn)風(fēng)溫度為10 ℃，現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)?shù)匾荒曜畹铜h(huán)境溫度。熱風(fēng)溫度根據(jù)現(xiàn)有蒸氣溫度130 ℃，經(jīng)過(guò)熱交換后最大出風(fēng)溫度設(shè)為 120 ℃。熱風(fēng)吹掃后帶鋼加熱的最高溫度70 ℃。

3.3 烘干熱風(fēng)壓力參數(shù)

P=P0+PZ+PL=4 812 Pa

式中，P為熱風(fēng)入口壓力，即風(fēng)機(jī)排壓；P0為熱風(fēng)出口壓力，即風(fēng)刀出口熱風(fēng)壓力，P0=12ρ空υ2= 4 712 Pa；ρ空為熱空氣密度，120 ℃熱空氣密度約為0.9 kg/m3；υ為熱風(fēng)出口速度，m/s，υ=υxsinθ；υx為沿帶鋼水平方向熱風(fēng)吹掃速度，對(duì)于氧化鐵皮的粉塵，使之與熱風(fēng)沖撞分散充分，υx取值范圍為20～40 m/s[1]，本文取υx=35 m/s；θ為風(fēng)刀吹掃方向與帶鋼夾角，20°；PZ為熱交換器空氣阻力，選型SRZ型熱交換器，查得：PZ≈100 Pa；PL為沿途管路阻力，可忽略不計(jì)。

3.4 烘干熱風(fēng)風(fēng)量參數(shù)

帶鋼表面烘干處理過(guò)程主要分為兩個(gè)部分：一是熱風(fēng)烘干帶鋼上下表面的殘余水分；二是熱風(fēng)將帶鋼本身加熱至熱風(fēng)吹掃后的溫度。因此所需熱風(fēng)風(fēng)量為

V=V0+V1

式中，V為熱風(fēng)總風(fēng)量，m3/h；V0為烘干帶鋼上、下表面水分所需風(fēng)量，m3/h；V1為將帶鋼本身加熱至熱風(fēng)吹掃后的溫度所需風(fēng)量，m3/h。

首先測(cè)算帶鋼在烘干處理前上下表面含水量。退火后的帶鋼上、下表面存有較多的氧化鐵粉，該氧化鐵粉作為含水附加層存在，帶鋼表面水跡的水分實(shí)際上幾乎全部存在于上下含水附加層中，如圖3所示。

圖3 帶鋼含水附加層構(gòu)成模型Fig.3 Structural model of additional layer containing water on the strip

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，上、下含水附加層厚度約為0.2 mm，因此含水附加層總厚度為0.4 mm。水分體積含量約占整個(gè)附加層體積的30%～50%，本文取40%。因此，帶鋼水分含量為

W水=ρ水eA×40%=0.743 kg

式中，ρ水為水的密度,1 000 kg/m3；e為含水附加層厚度，0.4×10-3m；A為干燥面積，A=3.5×1.3=4.55 m2,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有空間設(shè)計(jì)整個(gè)烘干機(jī)箱體內(nèi)腔長(zhǎng)度為3.5 m，帶鋼寬度為1.01 m，考慮到帶鋼跑偏因素等，為確保安全，干燥寬度取1.3 m。

參考相關(guān)文獻(xiàn)，環(huán)境溫度為10℃，相對(duì)濕度為80%，經(jīng)120 ℃熱風(fēng)吹掃處理后等于帶鋼加熱后的溫度70 ℃。比條件下干燥1 kg水所需風(fēng)量為55.6 kg。

烘干帶鋼上下表面水分所需風(fēng)量為55.6×0.743= 41 kg。折算成單位小時(shí)體積風(fēng)量為V0=41/ρ空t，t為干燥時(shí)間，烘干機(jī)箱體內(nèi)腔長(zhǎng)度為3.5 m，生產(chǎn)線速度為27 m/min，因此t=3.527×60=0.0022 h。

V0=41/(ρ空t)=410.9×0.0022=20.7×103m3/h

V1的計(jì)算可根據(jù)熱平衡方程式進(jìn)行，即熱風(fēng)加熱帶鋼損失的熱量等于帶鋼吸入的熱量。即

Q空=Q鋼

式中，Q空為熱風(fēng)損失的熱量，Q空=W空c空(T2-T1)，W空為熱風(fēng)質(zhì)量，W空=1 283.41.026×(120-70)=25 kg；c空為熱空氣比熱容，120℃空氣比熱容為1.026 kJ/kg·℃，T2為熱風(fēng)初始溫度，120℃；T1為吹掃后熱風(fēng)溫度，70℃；Q鋼為帶鋼吸入的熱量，Q鋼=W鋼c鋼(T1-T0)=1 283.4 kJ；W鋼為帶鋼質(zhì)量，干燥面積A為4.55 m2，帶鋼厚度h為2.6×10-3m，因此帶鋼質(zhì)量W鋼=7.85×103×4.55×2.6×10-3=93 kg。c鋼為鋼的比熱容，取0.46 kJ/kg·℃；T1為帶鋼加熱溫度；70℃，T0為水冷后帶鋼初始溫度，40℃。

因此，單位小時(shí)體積風(fēng)量為

V1=25/ρ空t=12.7×103m3/h

總烘干風(fēng)量為

V=(20.7+12.7)×103=33.4×103m3/h

本烘干機(jī)為4臺(tái)風(fēng)機(jī)單獨(dú)供風(fēng)形式，因此每臺(tái)風(fēng)機(jī)排量為V/4=8.35×103m3/h。

3.5 熱交換器參數(shù)

現(xiàn)有蒸氣介質(zhì)溫度 130℃；

進(jìn)風(fēng)溫度 10℃；

加熱后出風(fēng)溫度 120℃；

每臺(tái)交換器處理的熱風(fēng)風(fēng)量 8.35×103m3/h；

3.6 理論和實(shí)際參數(shù)對(duì)照及分析

烘干機(jī)理論參數(shù)和實(shí)際選型參數(shù)比對(duì)見(jiàn)表1。

表1 理論參數(shù)和實(shí)際參數(shù)對(duì)比表

根據(jù)對(duì)比結(jié)果來(lái)看：風(fēng)機(jī)風(fēng)壓理論和實(shí)際數(shù)值基本相同，說(shuō)明吹掃風(fēng)速大小的確定與實(shí)際狀況基本符合；但是風(fēng)量的數(shù)值兩者有所差異，主要原因是計(jì)算只是考慮了熱風(fēng)烘干的強(qiáng)制對(duì)流及熱傳導(dǎo)的傳熱方式，沒(méi)有考慮到實(shí)際存在的箱體內(nèi)部自然對(duì)流、熱擴(kuò)散等傳熱因素，因此實(shí)際所需烘干風(fēng)量略小于理論測(cè)算值，同樣滿足烘干要求。

4 應(yīng)用效果

新型烘干機(jī)于2013年在該固溶廠投產(chǎn)，與原設(shè)備使用效果相比，帶鋼上、下表面全部烘干，而原有設(shè)備烘干率僅為40%左右；新設(shè)備的裝機(jī)容量?jī)H為30 kW，為原裝備(75 kW)的40%。因此，該新型烘干機(jī)通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，充分驗(yàn)證了其高效節(jié)能的顯著優(yōu)勢(shì)，值得在帶鋼烘干等板帶處理產(chǎn)線上大力推廣應(yīng)用。

[1] 劉廣文.干燥設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 胡宗武.非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3] 陶全貴.我國(guó)干燥設(shè)備行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].河南化工,2005(05).

[4] 桐榮良主編.干燥裝置手冊(cè)[M].上海： 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1983.

[5] 史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社,2014.

[6] 錢(qián)樹(shù)德 顧芳珍.干燥過(guò)程中的節(jié)能方法[J].化工進(jìn)展，1988(02).

[7] 岑軍健，趙菊初.非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1978.

[8] 潘永康.干燥過(guò)程特性和干燥技術(shù)的研究策略[J].化學(xué)工程，1997(03).

A new type strip drying device and its application on the annealing plant

FENG Tie1，LIU Jin-fu2

(1.Baosteel Engineering & Technology Grop., Ltd.,Shanghai 201900, China；2.Baosteel Desheng stainless steel Ltd.Annealing plant, Fuzhou 350601, China)

As the strip surface is abnormal of some annealing plant, the general strip drying device is usually not fit for this bad condition, whose drying effect and equipment performance is affected. In this article, presentation about a new type drying device’s structural specialty and dissertation of this device’s novelty and advanced characteristic by presenting its main components. Based on some actual working condition and related parameter of an hot anneal pass line of the Baosteel, contracting the theoretical parameters and actual parameters, the device’s perfect drying effect is shown with lower energy consumption and higher efficient.

strip；drying device；heat exchange

2014-06-04；

2014-09-02

馮鐵(1974-)，男，寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司工程師。

TF351.4

A

1001-196X(2015)01-0027-05