帶鋼冷卻風箱設計

黃 河

(中冶京誠工程技術有限公司 北京 100176)

1 前言

冷軋帶鋼在連退退火爐中經過加熱段和均熱段退火后，進入快冷段。通過快速冷冷卻的熱處理方法，調節帶鋼力學性能。

退火爐快速冷卻技術經過多年的發展，主要有以下幾種方式：氣體噴射冷卻、輥式冷卻、氣霧冷卻、水淬冷卻等。氣體噴射冷卻速率調整方便，不會對帶鋼造成氧化，是目前最為常用的冷卻技術。川崎制鐵開發HGJC噴氣冷卻技術，使帶鋼冷卻速率達到50℃/s(0.8mm)。新日鐵采用圓柱形噴嘴，使帶鋼冷卻速率達到60℃/s(0.8mm)。斯坦因公司開發的高氫冷卻器使帶鋼冷卻速度達到70-100℃/s(0.8mm)[1]。

提高冷卻段帶鋼冷卻速率的主要途徑有：優化噴嘴結構參數，在給定風機功率下，獲得最好的換熱效果；增加氣體流量，從而提高噴吹氣流速度；改變冷卻介質成分，提高H2含量可強化換熱。為了優化快冷技術，本文計算了不同型式噴嘴對冷卻速率的影響，對快冷段風箱設計提供依據。

2 噴氣冷卻計算

按噴嘴結構型式，噴氣冷卻可分為縫式噴嘴噴氣冷卻和圓孔式噴嘴噴氣冷卻。

2.1 縫式陣列噴嘴噴氣冷卻計算

H．Martin 等[2]學者研究了狹縫形噴嘴的射流流股特性及局部換熱系數的變化，給出了狹縫噴嘴陣列的平均傳熱系數的計算方法。

(1)

(2)

式中,Ar0=[60+4(H/s-2)]-1/2

Ar=d/L

s=2d

Re=U×S/V

Re—氣流雷諾數；

Pr—氣體常數；

S—特征直徑，m；

d—噴嘴縫隙，m；

H—噴嘴出口到帶鋼距離，m；

L—噴嘴間距，m；

Ar—開孔率；

U—氣流速度，m/s；

κ—氣體導熱系數，W/(m·k)；

ν—氣體運動粘度，m2/s。公式適用范圍1500≤Re≤40000，Ar≤2.5Ar0。

2.2 圓孔陣列噴嘴噴氣冷卻計算

錯排圓孔陣列噴氣冷卻計算可按Martin公式[1]計算：

(3)

(4)

(5)

式中：d—圓孔噴嘴直徑，m；

H—噴嘴出口到帶鋼距離，m；

L—噴嘴間距，m；

適用范圍：2000≤Re≤100000，2≤H/d≤12，0.004≤Ar≤0.04[3]。

3 冷卻風箱設計

3.1 帶鋼冷卻速率與換熱系數

帶鋼噴氣冷卻過程可近似為薄材冷卻，冷卻速率可由下式計算[4]。

(5)

(6)

式中：t—冷卻時間，s；

Cp—帶鋼比熱，J/kg·℃；

ρ—帶鋼密度，kg/m3；

h—帶鋼厚度，m；

Ts—帶鋼初始溫度，℃；

Te—帶鋼冷卻結束溫度，℃；

Tm—冷卻氣體溫度，℃；

v—冷卻速率，℃/s。

從式(5)可以看出，冷卻初始溫度、結束溫度以及氣體溫度一定時，帶鋼冷卻速率主要與帶鋼厚度、換熱系數相關。取帶鋼厚度0.8mm，初始溫度700℃，冷卻結束溫度400℃，冷卻氣體溫度25度，氣體分5%H2、95%N2。從圖1可以看出，冷卻速率與換熱系數之間為線性關系，只要提高帶鋼表面換熱系數即可提高冷卻速率。

圖1 帶鋼冷卻速率

3.2 開孔率對換熱系數影響

帶鋼通過冷卻風箱時，不可避免會產生一定程度的抖動，因此噴嘴不可能過于靠近帶鋼。為保證通板性，噴嘴距帶鋼距離一般設計為100-200mm。風箱開孔率表示噴嘴截面積與風箱總面積之比，開孔率越大，氣體流量越大。其它參數取值為：氣體流速40m/s；氣體成分：5%H2+95%N2；噴嘴距帶鋼距離150mm。根據公式(1)(2)計算，縫式噴嘴換熱系數與開孔率間關系見圖2。縫式噴嘴開孔率范圍為0.03-0.06時，換熱系數最大。除圖3圖5外，其它均根據公式(1)(2)計算得到，圖3所示為圓孔式噴嘴換熱系數與開孔率間關系。圓孔噴嘴開孔率在0.02-0.03時，換熱系數最大。

3.3 噴嘴尺寸對換熱系數影響

風箱設計時，限于風機風量，開孔率取值通常不超過0.04。其它參數取值同上，圖4比較了相同開孔率時，縫式噴嘴縫隙對換熱系數的影響。可以看出：開孔率0.02時，噴嘴縫隙取值6mm；開孔率0.03時，縫隙取值8mm；開孔率0.04時，縫隙取值10mm，可獲得最大換熱系數。圖5為圓孔噴嘴直徑對換熱系統的影響。開孔率0.01時，噴嘴直徑取20mm；開孔率0.02時，噴嘴直徑取30mm；開孔率0.03時，噴嘴直徑取40mm，可獲得最大換熱系數。

圖2 縫式噴嘴換熱系數與開孔率關系

圖3 圓孔噴嘴換熱系數與開孔率關系

圖4 縫式噴嘴縫隙對換熱系數的影響

圖5 圓孔噴嘴直徑對換熱系數影響

3.4 噴嘴距帶鋼距離對換熱系數影響

取縫式噴嘴縫隙d為6、8、10mm，間距L為200、266、333mm(開孔率0.03)，氣流速度40m/s。圖6所示為換熱系數與噴嘴距帶鋼距離間關系。當H/d<5時，噴嘴距帶鋼距離對換熱系數影響較小；H/d>10時，換熱系數隨著噴嘴距帶鋼距離增大而減小。因此風箱設計時，選擇合適的噴嘴距帶鋼距離使得5

圖6 縫式噴嘴距帶鋼距離對換熱系數的影響

3.5 氣流速度對換熱系數影響

保持開孔率0.03不變，噴嘴距帶鋼距離150mm，氣流速度對換熱影響規律如圖7所示。可以看出，隨著氣流速度增大，換熱系數近似線性增大。在開孔率為0.03時，噴嘴縫隙對換熱系數影響較小。氣流速度越大，帶鋼在風箱中抖動越嚴重。因此實際設計中應根據帶鋼厚度、長度選擇合適的氣流速度。

圖7 氣流速度對換熱系數的影響

3.6 H2含量對換熱系數影響

H2導熱系數是N2的6.6倍，因此提高H2含量可以顯著提高換熱系數。另外在同等風機功率下， 提高H2含量，可以提高噴嘴出口氣體流速，從而增大換熱系數。根據計算，同等風機功率下H2從5%增加到50%，換熱系數提高約3倍。

圖8 H2含量對換熱系數的影響

4 結論

(1)縫式噴嘴開孔率為0.03～0.06時，換熱系數最大；圓孔噴嘴開孔率為0.02～0.03時，換熱系數最大；

(2)5

(3)換熱系數隨氣流速度和H2含量增大而增大。同等風機功率下H2從5%增加到50%，換熱系數提高約3倍。