冷軋罩式爐退火離線模型研究及應用

紀 娟，程書生，楊 航

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

隨著馬鋼冷軋脫脂機組投產，罩式退火原料表面殘油與殘鐵得到大幅度改善，產品表面潔凈度達到92%以上，表面殘油與殘鐵控制10 mg/m2以下，罩退的產品表面質量得到有效提升。根據產品設計大綱，機組具備組織生產HSLA（低合金高強鋼）的能力，但是，2016年1～10月份生產低合金高強鋼M280VK、H340LA 共12 048 t（冷軋總廠連退線），直接賠付異議量為189 t，連退線生產的主要問題有：（1)客戶反應沖壓開裂成形性能差，導致客戶抱怨不斷；(2)連退產能無法有效釋放。

因此，迫切需要將部分低合金高強鋼轉移到罩式退火先生產。但罩式爐機組退火周期較長，爐臺數較多，產能有效釋放對于下游機組產生直接影響。同時罩式爐在整個精整工序能耗中占比高達80%。目前罩式爐機組加熱罩生產使用過程加熱時效長，無法匹配罩式爐加熱模式對爐臺生產要求，存在熱效率不足，加熱段加熱模式延時加熱，能耗過高，加熱過程故障報警頻繁等問題，嚴重制約產能有效釋放并影響工序能耗。因此需要進一步優化退火加熱工藝制度，提高加熱效率，提升罩式爐產能效率，降低工序能耗。

1 模型優化及驗證試驗裝置、方法及試樣

1.1 建立罩退爐內傳熱模型

罩式爐內的熱交換形式為：加熱罩（外罩）、內罩與爐料及保護氣體間的輻射熱交換，保護氣體與爐料及內罩間的對流換熱[2]，爐料內部的導熱，如圖1 所示。通過建立罩式爐熱工工藝模型及傳熱過程分析研究[3]、建立鋼卷傳熱過程控制方程并離散化、傳熱模型控制方程分析計算、運用MATLAB 編程求解，完成離線傳熱模型的編程與求解并確定冷點位置。

圖1 鋼卷傳熱過程示意圖

鋼卷內部導熱微分方程：

1.2 插片試驗驗證

1.2.1 插片試驗原理

（1）鋼卷在傳熱學上屬于厚材，其內部導熱熱阻相對于表面對流換熱系數來說比較大，不可忽略，因此鋼卷內部和表面存在溫差。

（2）循環氫氣的溫度只能定性反應出鋼卷中的溫度場，而不能確定鋼卷中的溫度場。

（3）為了獲得退火過程中鋼卷內部的溫度場，通過在鋼卷中特定位置插入熱電偶，然后將鋼卷置于退火爐中進行退火過程，這樣可以直接測量得到鋼卷中不同位置在整個退火過程中的溫度變化，進而推導出鋼卷中其余位置的溫度場變化特點。

1.2.2 插片試驗過程

在測試中，選用薄鋼片厚度為3 mm，寬度為5 mm 左右，鋼片間距3 mm，另選用4 個有代表性的鋼卷堆垛，鋼卷信息如表1 所列。在上下兩個鋼卷中選取內、中、外三測點（內熱點、中冷點、外熱點），中間三個鋼卷選取中、外兩點（中冷點、外熱點），另外再選取兩個爐溫測點，如圖2所示。

表1 試驗鋼卷信息表

圖2 插片具體布置及測點位置

試驗中所使用的熱電偶為直徑2 mm·K 型熱電偶，溫度信號通過溫度巡檢儀記錄，采集頻率為每0.5 min 1次，測試結果通過接口在計算機中記錄。

2 試驗結果討論與應用

2.1 插片試驗數據分析研究

建立的退火模型根據插片試驗數據多次修正及驗證后，模型計算的準確率很高，可認為模型計算結果在工業生產允許的偏差范圍內準確。因此，將該研究建立的模型視為優化模型，在相同計算工況下通過優化模型計算結果和馬鋼罩式爐現場退火模型進行對比分析和討論。

如圖3 所示，1#插片試驗測得最大冷點溫度為667.2 ℃，出現時刻為18.5 h；離線模型計算的最大冷點溫度為671.3 ℃，出現時刻為18.2 h，現場在線模型計算的最大冷點溫度為650 ℃，出現時刻為18.6 h。

圖3 1#鋼卷試驗數據對比

如圖4 所示，2#插片試驗測得最大冷點溫度為671.2 ℃，出現時刻為18.52 h；離線模型計算的最大冷點溫度為677.9 ℃，出現時刻為18.15 h，現場在線模型計算的最大冷點溫度為658 ℃，出現時刻為18.5 h。

圖4 2#鋼卷試驗數據對比

如圖5 所示，1#鋼卷現場離線模型計算的最大冷點溫度誤差達57 ℃，如圖6 所示，2#鋼卷現場離線模型計算的最大冷點溫度誤差達58 ℃，遠遠大于優化模型計算結果。

圖5 1#鋼卷芯部溫度計算誤差曲線

圖6 2#鋼卷芯部溫度計算誤差曲線

現場模型實際冷點溫度與要求控制冷點溫度偏差較大，在現場模型計算達到冷點溫度時，現場模型計算冷點溫度取點值為626 ℃左右，但插片試驗取得同時刻的值為659 ℃左右，偏差達到30 ℃以上。

2.2 模型計算精度的驗證及應用

根據離線模型研究結果及驗證對比，現場實際冷點溫度控制具有優化空間，在模型研究結果的基礎上，對現場生產進行冷點溫度降低試驗，從而進一步驗證現場離線模型研究的準確性。

針對現場CQ 級鋼種進行降低冷點溫度試驗，冷點溫度由現有設定的620 ℃調整為600 ℃，第一輪試驗8卷，第二輪試驗12卷，第三輪試驗65卷，三輪試驗結果如表2所列。

表2 降低冷點溫度試驗結果匯總表

由表2可以看出，經過三輪降低冷點溫度試驗，共計85卷，屈服強度、抗拉強度、延伸率等各項性能合格率高達100%，在不降低產品性能的基礎上，通過工藝調整有效減少了能源浪費。該應用案例進一步證明了本研究所建立的離線模型的精度，可以有效地指導現場工藝制度的優化改進，對現場生產具有較大的指導意義。

3 結論

（1）所建立的離線模型計算出來的最高芯部溫度與插片試驗得到的實際數據誤差較小，說明本研究所建立的模型具有較高的精度。

（2）通過該模型指導生產現場進行降低冷點溫度試驗，對于提高加熱效率，節約成本降低能耗具有很大的意義。