罩式退火炉传热模型与带钢氧化控制研究

摘要

冷轧钢卷罩式退火炉是钢铁公司冷轧钢板生产流程中的重要设备，退火工艺直接影响冷轧钢板的性能和表面质量。罩式退火炉炉型技术发展比较迅速，已经从传统罩式炉、混氢强对流罩式炉发展到HPH罩式炉。罩式炉的钢卷径向传热模型对强化传热效率、缩短退火时间、提高生产率和产品的机械性能具有重要意义。钢卷退火过程中钢卷的氧化现象造成产品的废品率和返修率逐年增大，已成为限制产品成品率的重要因素之一。
　　本文通过对某公司冷轧厂HPH罩式退火炉工作过程的分析，在消化引进设备原有控制模型和工作原理的基础上，结合生产实际研究了HPH罩式退火炉钢卷退火工艺，论文的主要研究工作和结论有:
　　(1)在分析了HPH罩式退火炉退火物理工作特性的基础上，建立了离线钢卷退火的控制模型和传热数学模型，并采用数值计算技术进行求解。编制了全氢罩式退火炉退火过程的模拟计算软件，该软件能够实现以下功能:对于不同的炉子结构尺寸，不同的钢卷尺寸，只要输入原始数据，即可进行退火过程数值模拟计算;根据不同参数，计算钢卷的退火温度曲线和相应的退火时间;数值模拟计算结果的可视化。
　　(2)采用MATLAB软件编制了全氢罩式炉退火过程的模拟计算软件的界面应用程序，使得退火过程的分析更加简单，便捷。并根据HPH罩式炉的生产数据，将模拟计算曲线与现场热电偶实测温度曲线相比较，验证数学模型的合理性。
　　(3)从钢卷厚度、宽度、保护气体的温度等九个方面，分析讨论钢卷退火工艺的影响因素，提出现场退火工艺的改进措施。
　　(4)通过综合分析可能造成钢卷在退火过程中发生氧化的多种原因，确定外部氧化性气体深入内罩是造成钢卷退火氧化的直接原因。该现象由两方面的因素引起:一是炉内气体在冷却过程中形成负压区;二是炉台环形密封圈密封不良。采用FLUENT流体力学仿真分析软件对炉内气体流场进行仿真研究，找到造成炉内气氛负压区的原因和消除方法;采用ANSYS软件对炉台水冷密封圈进行有限元分析，研究提高炉台密封的方案。根据研究结论提出设备改造措施。
　　(5)通过实验研究，验证了计算模型和仿真结果的正确性。研究结果应用在了实际生产当中，使退火工艺减少了随意性，缩短了钢卷热处理时间，平均每炉缩短5小时，产能和工效提高约10％，年直接经济效益2550万元;同时，钢卷的退火氧化现象明显减少，退火氧化色平均改判率小于0.05％/月，氧化中间返修量平均小于800吨/月，均低于次品率指标。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 冷轧钢卷罩式退火炉的炉型发展

1．1．1 传统罩式炉

1．1．2 混氢(HNX)强对流罩式炉

1．1．3 全氢罩式炉

1．1．4 混氢强对流罩式炉与传统罩式炉的比较

1．1．5 HPH炉与HNX炉相比的优点

1．2 HPH罩式炉的机械设备简介

1．2．1 炉台

1．2．2 内罩

1．2．3 加热罩

1．2．4 冷却系统

1．3 HPH罩式炉的控制设备简介

1．3．1 中央控制室的设备

1．3．2 现场电气仪表设备

1．4 冷轧钢卷罩式退火炉的工艺要求

1．4．1 传热

1．4．2 保护气

1．4．3 消耗

1．4．4 控制

1．5 炉内传热过程

1．6 退火氧化问题

1．7 本文研究的主要内容

第2章 罩式炉控制模型分析

2．1 HPH罩式炉控制模型

2．1．1 样板设计

2．1．2 退火设计

2．1．3 HPH罩式炉设定点计算

2．2 HPH罩式炉控制模型程序

2．3 HPH罩式炉控制模型分析

2．3．1 加热时间的计算公式

2．3．2 Kg和Dg的取值

2．4 本章小结

第3章 HPH罩式炉退火模型研究

3．1 钢卷传热过程分析

3．2 简单空心圆柱体传热数学模型

3．3 考虑钢卷层间充满保护气体的传热模型

3．3．1 导热控制微分方程

3．3．2 计算方法

3．3．3 对流换热系数的计算

3．3．4 钢卷径向等效导热系数

3．3．5 表面辐射热流密度计算

3．3．6 时间步长△τ的确定

3．4 钢卷传热过程的仿真设计

3．4．1 MATLAB简介

3．4．2 计算程序

3．4．3 计算界面

3．5 本章小结

第4章 罩式炉理论模型的验证及分析

4．1 模型的验证

4．1．1 HPH罩式炉实际温度变化规律的实测

4．1．2 理论模型验证

4．2 带钢退火温度影响因素的分析

4．2．1 导热系数对温度的影响

4．2．2 钢卷外径对温度的影响

4．2．3 带钢宽度对温度的影响

4．2．4 带钢厚度对导热系数的影响

4．2．5 操作参数的影响

4．3 带钢退火时间影响因素的分析

4．3．1 保护气最高温度变化对钢卷加热时间的影响

4．3．2 钢卷外径变化对加热时间的影响

4．3．3 钢卷堆垛高度变化对加热时间的影响

4．3．4 钢卷径向等效导热系数变化对加热时间的影响

4．4 本章小结

第5章 退火过程钢卷氧化原因研究

5．1 问题概述

5．2 保护气体中含氧量过高的原因分析

5．2．1 O2含量过高的原因

5．2．2 H2O含量过高的原因

5．2．3 CO2含量过高的原因

5．2．4 综合原因分析

5．3 氧化性气体含量过高问题的解决方案

5．3．1 O2含量过高问题的解决方案

5．3．2 H2O含量过高问题的解决方案

5．3．3 CO2含量过高问题的解决方案

5．3．4 综合解决方案

5．4 主要研究方案

5．4．1 炉内气氛负压区的研究方案

5．4．2 炉台密封情况研究方案

5．5 本章小结

第6章 炉内保护气体流场与密封研究

6．1 流体多维流动的基本控制方程

6．1．1 物质导数

6．1．2 连续性方程

6．1．3 N-S方程

6．2 罩式退火炉内的气体模型分析

6．2．1 气体模型的建立

6．2．2 边界条件的确定及参数计算

6．3 仿真分析

6．3．1 Model 1的气体流场分析

6．3．2 Model 2的气体流场分析

6．3．3 Model 3的气体流场分析

6．3．4 Model 4的气体流场分析

6．4 炉台环形密封圈的有限元分析

6．4．1 橡胶材料的特性

6．4．2 橡胶弹性理论

6．4．3 热弹性轴对称问题的热应力

6．5 炉台环形密封圈的有限元分析

6．5．1 模型的建立

6．5．2 求解步骤及参数确定

6．5．3 求解分析

6．6 本章小结

第7章 炉内保护气体流场实验研究

7．1 实验方案

7．2 实验原则

7．3 实验数据分析

7．3．1 采用改造措施前

7．3．2 采用改造措施后

7．4 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论著和科研、获奖情况

作者简介