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      帶鋼冷卻風(fēng)箱設(shè)計(jì)

      2019-10-23 06:41:40
      冶金設(shè)備 2019年3期
      關(guān)鍵詞:孔率風(fēng)箱噴氣

      黃 河

      (中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京 100176)

      1 前言

      冷軋帶鋼在連退退火爐中經(jīng)過加熱段和均熱段退火后,進(jìn)入快冷段。通過快速冷冷卻的熱處理方法,調(diào)節(jié)帶鋼力學(xué)性能。

      退火爐快速冷卻技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)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(diào)整方便,不會(huì)對(duì)帶鋼造成氧化,是目前最為常用的冷卻技術(shù)。川崎制鐵開發(fā)HGJC噴氣冷卻技術(shù),使帶鋼冷卻速率達(dá)到50℃/s(0.8mm)。新日鐵采用圓柱形噴嘴,使帶鋼冷卻速率達(dá)到60℃/s(0.8mm)。斯坦因公司開發(fā)的高氫冷卻器使帶鋼冷卻速度達(dá)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(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù),在給定風(fēng)機(jī)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(zhì)成分,提高H2含量可強(qiáng)化換熱。為了優(yōu)化快冷技術(shù),本文計(jì)算了不同型式噴嘴對(duì)冷卻速率的影響,對(duì)快冷段風(fēng)箱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

      2 噴氣冷卻計(jì)算

      按噴嘴結(jié)構(gòu)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(jì)算

      H.Martin 等[2]學(xué)者研究了狹縫形噴嘴的射流流股特性及局部換熱系數(shù)的變化,給出了狹縫噴嘴陣列的平均傳熱系數(shù)的計(jì)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—?dú)饬骼字Z數(shù);

      Pr—?dú)怏w常數(shù);

      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—?dú)饬魉俣?,m/s;

      κ—?dú)怏w導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·k);

      ν—?dú)怏w運(yùn)動(dòng)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(jì)算

      錯(cuò)排圓孔陣列噴氣冷卻計(jì)算可按Martin公式[1]計(jì)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(fēng)箱設(shè)計(jì)

      3.1 帶鋼冷卻速率與換熱系數(shù)

      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(jì)算[4]。

      (5)

      (6)

      式中:t—冷卻時(shí)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(jié)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(jié)束溫度以及氣體溫度一定時(shí),帶鋼冷卻速率主要與帶鋼厚度、換熱系數(shù)相關(guān)。取帶鋼厚度0.8mm,初始溫度700℃,冷卻結(jié)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(shù)之間為線性關(guān)系,只要提高帶鋼表面換熱系數(shù)即可提高冷卻速率。

      圖1 帶鋼冷卻速率

      3.2 開孔率對(duì)換熱系數(shù)影響

      帶鋼通過冷卻風(fēng)箱時(shí),不可避免會(huì)產(chǎn)生一定程度的抖動(dòng),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(shè)計(jì)為100-200mm。風(fēng)箱開孔率表示噴嘴截面積與風(fēng)箱總面積之比,開孔率越大,氣體流量越大。其它參數(shù)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(jù)公式(1)(2)計(jì)算,縫式噴嘴換熱系數(shù)與開孔率間關(guān)系見圖2??p式噴嘴開孔率范圍為0.03-0.06時(shí),換熱系數(shù)最大。除圖3圖5外,其它均根據(jù)公式(1)(2)計(jì)算得到,圖3所示為圓孔式噴嘴換熱系數(shù)與開孔率間關(guān)系。圓孔噴嘴開孔率在0.02-0.03時(shí),換熱系數(shù)最大。

      3.3 噴嘴尺寸對(duì)換熱系數(shù)影響

      風(fēng)箱設(shè)計(jì)時(shí),限于風(fēng)機(jī)風(fēng)量,開孔率取值通常不超過0.04。其它參數(shù)取值同上,圖4比較了相同開孔率時(shí),縫式噴嘴縫隙對(duì)換熱系數(shù)的影響。可以看出:開孔率0.02時(shí),噴嘴縫隙取值6mm;開孔率0.03時(shí),縫隙取值8mm;開孔率0.04時(shí),縫隙取值10mm,可獲得最大換熱系數(shù)。圖5為圓孔噴嘴直徑對(duì)換熱系統(tǒng)的影響。開孔率0.01時(shí),噴嘴直徑取20mm;開孔率0.02時(shí),噴嘴直徑取30mm;開孔率0.03時(shí),噴嘴直徑取40mm,可獲得最大換熱系數(shù)。

      圖2 縫式噴嘴換熱系數(shù)與開孔率關(guān)系

      圖3 圓孔噴嘴換熱系數(shù)與開孔率關(guān)系

      圖4 縫式噴嘴縫隙對(duì)換熱系數(shù)的影響

      圖5 圓孔噴嘴直徑對(duì)換熱系數(shù)影響

      3.4 噴嘴距帶鋼距離對(duì)換熱系數(shù)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(shù)與噴嘴距帶鋼距離間關(guān)系。當(dāng)H/d<5時(shí),噴嘴距帶鋼距離對(duì)換熱系數(shù)影響較小;H/d>10時(shí),換熱系數(shù)隨著噴嘴距帶鋼距離增大而減小。因此風(fēng)箱設(shè)計(jì)時(shí),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(duì)換熱系數(shù)的影響

      3.5 氣流速度對(duì)換熱系數(shù)影響

      保持開孔率0.03不變,噴嘴距帶鋼距離150mm,氣流速度對(duì)換熱影響規(guī)律如圖7所示。可以看出,隨著氣流速度增大,換熱系數(shù)近似線性增大。在開孔率為0.03時(shí),噴嘴縫隙對(duì)換熱系數(shù)影響較小。氣流速度越大,帶鋼在風(fēng)箱中抖動(dòng)越嚴(yán)重。因此實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)帶鋼厚度、長度選擇合適的氣流速度。

      圖7 氣流速度對(duì)換熱系數(shù)的影響

      3.6 H2含量對(duì)換熱系數(shù)影響

      H2導(dǎo)熱系數(shù)是N2的6.6倍,因此提高H2含量可以顯著提高換熱系數(shù)。另外在同等風(fēng)機(jī)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(shù)。根據(jù)計(jì)算,同等風(fēng)機(jī)功率下H2從5%增加到50%,換熱系數(shù)提高約3倍。

      圖8 H2含量對(duì)換熱系數(shù)的影響

      4 結(jié)論

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

      (2)5

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

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