全氢罩式退火炉退火过程传热的研究

　　关键词: 全氢罩式退火炉; 传热; 对流; 等效导热系数

　　1　前言

　　全氢罩式退火炉是70 年代初由奥地利EBNER公司开发并应用于钢铁工业的, 称为高对流全氢罩式退火炉( HICON/ H2) 。之后, 德国LOI 公司也开发了这种以强对流和全氢气为特色的罩式炉( HPH) 。以上两种炉型的主要特点相同, 都是采用氢气取代原来的氮氢混合气体作为炉内保护气氛。实际运行表明, 全氢罩式炉的生产率比传统罩式炉提高40% ～60%[ 1] , 且带钢退火质量也大大提高。

　　2　全氢罩式退火炉内的传热过程分析全氢罩式退火炉内的主要传热形式见图1, 内罩内的传热包括内罩与钢卷的辐射换热, 氢气与钢卷及内罩的对流换热和钢卷内部传热。内罩外的传热则与炉子的操作过程密切相关。在加热阶段, 内外罩间的传热主要是高温烟气与内外罩的对流与辐射换热, 内罩与外罩内表面的辐射换热, 加热罩外表面散热以及加热罩壁的导热。在带加热罩冷却阶段, 停止燃料供应, 从烧嘴中喷出助燃空气冲刷内罩, 起到冷却的作用, 当达到一定温度即可取下加热罩换上冷却罩。在此阶段, 内罩直接裸露在空气中, 和环境进行辐射与自然对流换热。此过程只是两个主要热工操作的中间过程。冷却罩夹紧后, 罩顶的大流量循环风机开始工作, 对内罩进行强制冷却。当炉底控制热电偶达到工艺要求的温度时, 启动快速冷却装置,进行快速冷却。当钢卷达到规定的出炉温度时, 整个退火过程结束。

　　3　钢卷导热数学模型的建立

　　如图2 所示, 钢卷内部导热方程为

　　式中: Qs 为钢的密度, kg / m3 ; cp 为钢的比热容, J/( kg ·℃) ; Kz 为钢卷轴向导热系数, 即钢的导热系数, W/ ( m·℃) ; Kr 为钢卷径向等效导热系数, W/( m·℃) ; T i 为第i 卷钢的温度, ℃。

　　根据内罩内的换热情况, 可方便得到钢卷表面与内罩及保护气体的辐射与对流换热的边界条件。

　　4　对流换热系数与钢卷径向等效导热系数的计算对流换热系数与钢卷径向等效导热系数是影响罩式炉内传热的两个主要参数。

　　4. 1　对流换热系数

　　对流换热为全氢罩式炉内的主要换热方式, 对流换热的热流密度最大可达辐射换热热流密度的600 倍以上。炉内气体介质与钢卷表面的对流换热系数可由下式计算[ 2]

　　式中: v 为气体流速, m/ s; Df 为气体通流直径, m; Kg为气体导热系数, W/ ( m·℃) ; Lg 为气体动力粘度,Pa ·s; Qg 为气体密度, kg/ m3; L 为气体流动路线的长度, m。由式( 2) 可知, 对流换热系数与保护气体的流速和热物性密切相关。氢气的密度仅为氮气的1/ 14,动力粘性系数仅是氮气的50%, 使得循环风机的能力得以提高, 气流循环量大大增加。图3 给出了氢气与氮气介质对流换热系数的变化, 可见使用氢气强化了炉内的对流换热。