孫召亮

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 常州213011）

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，能源緊張成為嚴(yán)重困擾國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問(wèn)題，這迫使工業(yè)部門(mén)一方面不斷開(kāi)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(jìn)舊的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)條件進(jìn)而得以節(jié)能。

在連退機(jī)組中退火爐能力（加熱與冷卻能力）和機(jī)組運(yùn)輸能力選擇上至關(guān)重要， 選擇適合的退火爐能力和機(jī)組運(yùn)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(jī)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(chē)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(jī)組主要由入口段運(yùn)輸設(shè)備、 入口段設(shè)備、焊機(jī)、入口拉矯機(jī)、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(jī)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(jī)設(shè)備、出口段設(shè)備、出口段運(yùn)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(yùn)行性能，機(jī)組產(chǎn)能能力及機(jī)組速度（運(yùn)輸能力）的選擇至關(guān)重要。其中，退火爐的能力選擇與機(jī)組速度相輔相成，互相制約，既不能選擇能力過(guò)大的退火爐，又不能選擇過(guò)大的機(jī)組速度。

下面就退火爐能力與機(jī)組速度的選擇作詳細(xì)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(guò)程需經(jīng)加熱－均熱－緩冷－快冷－過(guò)時(shí)效－最終冷卻－水淬冷卻的工藝過(guò)程，因此，退火爐相應(yīng)由加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、過(guò)時(shí)效段、最終冷卻、水淬冷卻段組成。

與退火爐能力選擇與機(jī)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(jì)算

2.1 退火爐加熱段工作原理

在連續(xù)退火機(jī)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(guò)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(diǎn)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(jìn)行流動(dòng)。 在煙氣流動(dòng)的過(guò)程中， 高溫?zé)煔獾臒崃坎粩嗤ㄟ^(guò)輻射管傳遞給帶鋼，達(dá)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(jì)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(duì)流傳熱可以忽略不計(jì)。 因此，本文加熱計(jì)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(jī)組速度，d：帶鋼厚度）值的推導(dǎo)

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(jìn)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(jì)算值為T(mén)sm=（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(zhǎng)度，m

通過(guò)式（5）、式（6）、式（7）和式（8）得：

式中，K0為變形系數(shù)。

通過(guò)以上得出爐子加熱長(zhǎng)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(jì)的退火爐中，根據(jù)帶鋼加熱時(shí)間計(jì)算，帶鋼在加熱段的加熱長(zhǎng)度l 為常數(shù)（已知數(shù)），爐溫設(shè)定值Tf、帶鋼進(jìn)加熱段的溫度TSi、帶鋼出加熱段的溫度（加熱目標(biāo)溫度）TSo也為常數(shù)（已知數(shù)）。 通過(guò)對(duì)式（10）的變換得：

通過(guò)對(duì)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(jiàn)圖2。

通過(guò)理論計(jì)算分析，在機(jī)組速度允許的條件下，機(jī)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(dǎo)

在退火爐中，退火爐加熱段通過(guò)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(jī)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(duì)于需設(shè)計(jì)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(dǎo)時(shí)按常數(shù)處理，通過(guò)對(duì)式（15）的變換得：

通過(guò)以上的關(guān)系式，我們可以得出機(jī)組速度v、帶鋼厚度d 和帶鋼寬度b 的關(guān)系圖（見(jiàn)圖3）。

圖3 機(jī)組速度v 與帶鋼厚度d 及帶鋼寬度b 關(guān)系圖

通過(guò)式（16）及其關(guān)系圖我們可以解釋為什么在寬度b 過(guò)寬時(shí)而v×d 值沒(méi)有達(dá)到最大值的原因。 也就是爐子供熱功率ph限制v×d 值。

當(dāng)厚度一定的情況下， 當(dāng)寬度變化達(dá)到爐子最大產(chǎn)量時(shí)，此時(shí)若帶鋼寬度再增加，機(jī)組速度就要下降，保持爐子最大生產(chǎn)能力不變，此時(shí)機(jī)組保持最大生產(chǎn)能力運(yùn)行。

2.3 退火爐冷卻段的計(jì)算

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

2.3.1 對(duì)流傳熱基礎(chǔ)及v×d 值的推導(dǎo)

對(duì)于帶鋼與保護(hù)氣體之間的對(duì)流換熱， 通過(guò)簡(jiǎn)化有如下的等式：

式中：α—對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）

TSo—帶鋼出口溫度，℃

TSi—帶鋼進(jìn)口溫度，℃

Tgo—?dú)怏w出口溫度，℃

Tgi—?dú)怏w進(jìn)口溫度，℃

假設(shè)需設(shè)計(jì)的退火爐， 帶鋼在冷卻段的冷卻長(zhǎng)度l 為常數(shù)，氣體進(jìn)口的溫度Tgi、氣體出口的溫度Tgo也過(guò)換熱冷卻技術(shù)保持為常數(shù)。 對(duì)于給定的退火曲線，帶鋼進(jìn)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(guò)以上計(jì)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(dǎo)

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(guò)以上對(duì)加熱段及冷卻段v×d 值及v×d×b 值的推導(dǎo)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(duì)設(shè)計(jì)爐子能力與機(jī)組速度的選擇有一定的指導(dǎo)意義。

3 爐子產(chǎn)量計(jì)算

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

3.1 年生產(chǎn)時(shí)間的計(jì)算

生產(chǎn)時(shí)間指除去各種因素不能生產(chǎn)的純工作時(shí)間，按照一般的操作規(guī)程計(jì)算（見(jiàn)表1）。

表1 年生產(chǎn)時(shí)間計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算，連退機(jī)組工作時(shí)間選擇在6 000 h 左右，對(duì)于不同的生產(chǎn)廠家，可以選取不同的生產(chǎn)時(shí)間。

3.2 不同鋼種的爐子產(chǎn)量

根據(jù)公式（10），對(duì)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(shuō)的爐子最大能力是指處理最低退火溫度的鋼種時(shí)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(gè)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(jiàn)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(jī)組最大vd 值的選取

通過(guò)對(duì)退火爐加熱及冷卻段的分析， 我們選取爐子產(chǎn)量時(shí)以上述結(jié)論為計(jì)算依據(jù)。

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

圖4 機(jī)組vd 值與爐子能力p 關(guān)系圖

一般，爐子的產(chǎn)量與機(jī)組vd 值是經(jīng)過(guò)不斷反復(fù)計(jì)算后作成曲線確定，但對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的人員，可以根據(jù)幾次比較計(jì)算結(jié)果得出較為合適的爐子能力與機(jī)組vd 值。

3.4 爐子產(chǎn)量及機(jī)組最大vd 值的確定

通過(guò)對(duì)所有產(chǎn)品大綱的鋼種及規(guī)格的產(chǎn)量計(jì)算， 可以計(jì)算出每種鋼種及規(guī)格的產(chǎn)量及所用的年生產(chǎn)時(shí)間， 所有鋼種生產(chǎn)時(shí)間相加得出的生產(chǎn)時(shí)間（產(chǎn)品大綱）所需的年生產(chǎn)小時(shí)。 通過(guò)產(chǎn)品大綱的年生產(chǎn)小時(shí)判定退火爐能力和機(jī)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(jìn)行計(jì)算，直至合理為止。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)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(jī)組vd 值的理論依據(jù)， 通過(guò)該理論依據(jù)我們可以方便計(jì)算選擇合適的爐子能力與機(jī)組vd 值，為選擇合適的機(jī)組提供強(qiáng)有力的理論支持。