不锈钢连续退火炉冷却工艺分析及系统设计

黎志明

（中冶南方（武汉）热工有限公司，湖北 武汉430223）

热轧不锈钢退火是生产高质量不锈钢产品的重要工艺过程，而目前国内不锈钢的生产状况是民营企业很少有全流程生产线，大部分需从市场上购买热轧白卷进行深加工；已有的HAPL机组，自动化程度低，能耗高，生产能力低，关键技术和设备均由国外垄断，外商建设成本高[1-2]。对不锈钢的热轧退火进行国产化研究，形成高效低耗的热轧不锈钢退火技术，对国内不锈钢应用市场的开发推进具有重要意义。本文主要基于热轧不锈钢连续退火炉冷却工艺进行连续退火炉冷却系统设计方法研究。

1 不锈钢退火冷却工艺及制度分析[3-5]

通常不锈钢按在正火状态下钢的组织状态，分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和双相不锈钢。

热轧后的马氏体钢通过退火使马氏体分解为铁素体和球状碳化物。热轧后的铁素体钢中一般含有一些马氏体，为保证获得良好的塑性和韧性以及耐腐蚀性，铁素体不锈钢退火为高温处理后缓冷，尽可能以较小的温度梯度进行冷却。热轧后的奥氏体钢通过退火使带钢再结晶软化，降低带钢硬度，提高韧性，消除残余应力，需使碳化物和σ相分解并固溶到奥氏体中，减少δ铁素体的含量，需快速冷却防止其析出。热轧后的超纯单相铁素体不锈钢不存在马氏体，在脆性敏化温度区间需快速冷却避免σ相和α’相的析出。双相钢、耐热钢、超级奥氏体钢、超级铁素体钢等一系列特殊不锈钢，为了达到其特殊性能，需求的冷却速率各异，与奥氏体、铁素体不锈钢对比，达到完全退火温度高，所需时间较长，退火速度低。

结合文献及某些实际生产现场数据，综合分析得到不同种类不锈钢代表钢种、退火目的、工艺制度要求及选择的炉型（见表1）。下文将主要针对采用连续退火炉的超纯铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和特殊不锈钢的工艺制度要求进行冷却系统设计。

2 冷却介质及冷却方式

热轧不锈钢连续退火炉的冷却系统通常在带钢的上下表面布置喷管，将冷却介质喷向带钢表面冷却带钢。常用的冷却介质主要有空气、水和水雾等，图1给出了各种冷却介质及冷却方式的换热系数范围[6]，可见水的冷却能力最大，水雾次之，空气最小，具体选择需要根据带钢的种类、规格以及冷却速率要求选用某一冷却介质或组合使用。

表1 不同不锈钢冷却工艺对比表

图1 冷却介质及冷却方式的换热系数范围对比图

假设带钢稳定运行时默认在特定冷却位置上带钢的温度在宽度方向和厚度方向上是相同的，即采用零维数学模型对带钢的热量交换进行分析计算，其换热包括与介质喷射换热和与冷却设备的辐射换热两部分，用数学公式表示如下：

带钢运行稳定后，冷却室内温度达到动态平衡，与介质喷射换热比与冷却设备的辐射换热大很多，即可忽略辐射换热，于是式（1）经合并简化后为：

式中：QS—单位时间内带钢热量损失，kW

QC—单位时间内带钢表面与喷吹介质的对流换热量，kW

QR—单位时间内带钢与喷冷单元之间的辐射换热量，kW

v—带钢速度，m/s

d—带钢厚度，m

w—带钢宽度，m

c—带钢比热，J/kg·K

ρ—带钢密度，kg/m3

Tf—冷却介质的温度，K

TSi—带钢入口温度，K

TS0—带钢出口温度，K

TSmean—带钢平均温度，K

A—带钢热交换面积，m2

hc—带钢表面局部综合换热系数，W/m2·K

式（6）就是热轧不锈钢退火冷却过程中零维数学模型的表述。基于上述公式，根据上文不同种类不锈钢的工艺制度要求，计算不同规格、不同TV值下需求的带钢表面局部综合换热系数hc，并结合各种冷却介质及冷却方式的换热系数范围进行配对对比选取合适的冷却方式。

不同不锈钢的冷却工艺不同，但根据冷却速率的变化均可分为高温区需要保证板型的缓冷区域、中温需要满足工艺制度要求的快冷区域及低温对冷却速率无要求区域三个区域，在冷却设备的布置过程中可以划分为初冷段1区、初冷段2区和终冷段。根据工艺制度要求对不同种类不同规格带钢三个区域需求的换热系数试算，结果见表2。

表2 热轧不锈钢退火冷却方式对比表

3 冷却系统装备集成及实例

3.1 兼容厚规格不锈钢生产机组冷却系统集成

对于能够生产厚规格不锈钢的退火机组，其技术难点在于机组前后的机械设备，其通常带速很低，机组TV值相对较小。对于其冷却系统，由于板厚，其需要的冷却强度大，无论是何种钢种，在850℃以上的为防止变形的缓冷，采用纯空气喷射冷却需要的炉段长度很长，极大提高投资成本和运行成本，需要采用气雾冷却或者低流量的弱水冷，鉴于厚规格生产机组生产常规规格钢种的需求，在其850℃以上的缓冷区域设置一段气雾冷却，在850～500℃之间的高速冷却则需要采用水冷方能满足冷却制度要求，最后终冷段也需要采用快速水冷才能满足，但对于850～500℃之间的高速冷却区域仍需要考虑尽可能的均匀冷却技术。如某热轧不锈钢退火机组，其机组TV值90 mm·m/min，设置为4段，第一段采用气雾冷却，第二段采用高度均匀的高温高速冷却技术水喷淋冷却，后两段采用常规的高速水喷淋冷却。

3.2 兼容薄规格不锈钢生产机组冷却系统集成

对于能够生产薄规格不锈钢的退火机组，其通常带速高，机组TV值相对较大。对于其冷却系统，由于带钢规格小，其技术难点在于高温区域的冷却变形，因此通常在850℃以上的缓冷区域，采用纯空气喷射冷却保证冷却均匀性，保证其板型质量，在850～500℃之间的高速冷却采用气雾冷却或者水冷方式均能满足冷却制度要求，考虑常规规格，采用宽范围的组合冷却技术，采用水喷淋喷管和小风箱交叉布置，最后终冷段则采用快速水冷满足要求。如某热轧不锈钢退火机组，其机组TV值240 mm·m/min，设置为5段，第一段为空气喷吹冷却，第二段为空气和喷嘴喷射混合冷却段，后三段为直喷管水喷射冷却。该机组能兼容进行1 mm左右薄规格冷轧产品的退火。

3.3 兼容多品种不锈钢生产机组冷却系统集成

根据冷却工艺分析，不同品种对冷却制度的要求不一，特别是特殊不锈钢，其退火温度高，冷却速度要求大，因此对于兼容多品种不锈钢的退火机组，其通常带速高，机组TV值相对较大。其冷却系统由于需兼容特殊不锈钢钢种生产需要，因此通常在850℃以上缓冷区域和850～500℃之间的高速冷却区域均需要采用水冷方能满足冷却要求。基于此，对于该特殊机组在500℃以上区域均采用水冷，但冷却喷嘴调节范围大，而且需要高度均匀的高温高速冷却技术，方能实现不同钢种不同规格产品的生产要求，通常该机组不适合薄规格产品的生产。对于其终冷段则采用快速水冷满足要求。如某热轧不锈钢退火机组，其机组TV值240 mm·m/min，设置为6段，前1～3段为初始冷却部分，采用高度均匀的高温高速冷却技术，冷却水轻柔避免带钢变形，后4～6段是最终冷却段，冷却后将达到带钢的目标温度。

4 冷却系统换热计算及示例

热轧不锈钢退火炉冷却段的换热过程是一个包含了对流、辐射和传导三种传热形式的复杂热传递过程。无论是空气喷射冷却还是水喷淋冷却，其对流换热系数均比较大，可以忽略其他传热方式。同时因带钢较薄，带钢内部热传导热阻如若可以忽略，其传热过程即可简化为薄材零维非稳态导热问题，采用集总参数法进行计算。在上文的冷却方式选取过程中已经阐述该计算模型。通过该计算模型求得需求的换热系数后，需要进行冷却段各段需求的空气量或者水流量的计算，即根据需要的换热系数反算介质流量。

4.1 空气喷射冷却换热系数的计算

高温带钢表面的气体射流冷却过程中由于不涉及相变换热问题，带钢表面对流换热系数与带钢表面温度无关，只与喷嘴参数以及空气的物性参数相关。经查阅资料及实际工程反馈，H．Martin的对流传热计算方法比较可靠[7]。

其中针对垂直射流的圆形喷嘴阵列（Array of Round Nozzles）：

2 000≤Re≤100 000

0．004≤f≤0．04

3.人才建设。央企党组织坚持党管人才原则，立足实际选拔优秀人才，增强领导干部的执行力和治企能力。根据企业的实际工作需要，选拔年轻、业务水平高的人员充实党务工作者队伍，为央企培养优秀的经营管理人才，改变中央企业党组织年龄偏大、素质不高的状态，使企业党组织的政治优势与现代企业人才制度结合起来。最为典型是中国航天科技集团公司［4］，作为一家高科技战略型的中央企业，其党建工作围绕人才战略展开。通过探索人才成长规律，完善“工程牵引、实践成才、协同成才、师承效应”等人才成长模式，在实践中造就和培育人才，使航天科技集团焕发生机和活力，促进我国航天事业的发展。

2≤H/D≤12

若为出口处直接开圆孔的喷箱形式，需要用截面收缩系数ε来修正w，D，f：

对于平行狭缝阵列（Array of Slot Nozzles）：

f0（H/S）=[60＋4（H/S-2）2]-1/2

1 500≤Re≤40 000

0．008≤f≤2．5f0（H/S）

两种喷嘴的计算式中，Re=wS/ν，Pr=ν/α式中：H—喷嘴到固体表面的垂直距离，m

D—圆喷嘴直径，m

B—狭缝喷嘴宽度，m

S—流动特征尺寸（圆喷嘴S=D，狭缝喷嘴S=2B），m

W—喷射速度，m/s

ν—运动学黏度，m2/s

α—气体的热扩散率，m2/s

f—喷嘴与喷嘴阵列的相对面积

然后由Nu求得气体侧的对流传热系数。

4.2 气雾、水喷淋冷却换热系数的计算

目前国内外研究人员对影响气雾、水喷淋冷却单相区和两相区的换热关键参数进行了大量的实验研究，并给出了单相区和两相区的无量纲关联式。

对于单相区冷却换热的研究，不同研究人员得出的结果比较接近。而两相区冷却换热由于有相变的存在，机理十分复杂，相比之下，不同学者得到的结论往往不同甚至彼此矛盾，给出传热关联式的研究成果也较少。但由于热轧不锈钢机组的冷却过程中，由于带钢温度偏大，存在水蒸发的相变过程，属于两相区冷却换热过程。

目前两相区冷却换热研究成果发表较多，主要经验公式[8-9]如表 3 所示，其中：h 为传热系数，W/（m2·K）；W 为水流密度，L/（m2·s）；Tw为冷却水入口温度，℃；Ts为热壁面温度，℃；vs为水滴速度，m/s。

表3 两相区冷却换热经验公式

通过对实际运行机组进行校核验证发现，在热轧不锈钢机组初冷段高温部分采用菲格洛（Thiguro）公式进行水流量的校核，终冷段低温部分采用热平衡进行水流量的校核时，误差能控制在10%左右。

4.3 冷却系统换热计算实例

对于各段的水流量及空气量可根据实际生产产品种类工艺、规格及机组速度计算确定。下面以某热轧不锈钢退火机组的极限规格、机组速度、设备情况、工艺要求为计算基础，根据冷却制度要求，通过0维数学模型和热平衡法计算其需求的对流换热系数，通过设备情况和设备PID图的系统参数采用换热计算方法分别计算其实际流量下的对流换热系数，进行对比分析对设计方法进行检验校核，表4为某热轧不锈钢退火机组冷却系统计算结果。

表4 某热轧不锈钢退火机组冷却系统计算结果

从表4可以看出：对于热轧不锈钢退火机组的初冷部分，其平均冷却速率应控制在30℃/s以内，需求对流换热系数应控制在 600 W/（m2·K）左右，采用水冷方式，基于实际机组设备流量与系统PID图的系统流量采用本文换热计算方法计算得到的对流换热系数分别为 593 W/（m2·K）和 628 W/（m2·K），终冷段通过热平衡计算得到总水量与系统水量相近且稍微偏小。可见，当机组的规格、机组速度确定的情况下，根据工艺要求的冷却速度可计算工艺长度，根据工艺要求的对流换热系数可计算出设备能力和设备PID图的系统参数，从而可进行喷嘴、风机选型、喷管设计，实现从产品大纲、工艺分析基础到机组冷却系统集成、布置、设备总体布置的基本设计过程。

5 结语

基于热轧不锈钢连续退火炉冷却工艺分析进行连续退火炉冷却系统设计方法研究，为设计提供理论基础，能够完成从产品大纲、工艺分析基础到机组冷却系统集成、布置、设备总体布置的设计过程，能够实现多样性产品冷却系统的基本设计过程。

为了降低成本、提高机组生产能力，提升产品质量，需要提高能源效率，简化设备，对于热轧不锈钢连续退火炉冷却系统，合理选择配置冷却系统喷管喷嘴，实现带钢表面换热均匀；建立完善的喷嘴压力和流量自动控制系统，建立带钢温度预测模型及增加前馈、反馈自动控制，才能够满足热轧不锈钢高效率、高质量和产品多样性的生产需要。因此，下一步需要在冷却工艺分析和冷却系统设计的基础上完成实际设备和自动控制系统的设计。