卧式连续退火炉工艺设备与控制问题探讨

卧式连续退火炉工艺设备与控制问题探讨

【摘要】由于立式退火炉主要采用辐射管间接加热，在带钢的表面质量控制上有一定优势，在近十几年得到了飞速的发展。与此同时，卧式连续退火炉一方面主要用于家电板、建材的生产，另一方面其炉内张力较立式炉要小，非常适合生产硅钢和不锈钢等特殊钢种，目前仍被广泛应用。本文将就卧式连续退火炉工艺设备以及模型控制的研究进展及其发展趋势进行分析。

【关键词】卧式连续退火炉;工艺设备;加热技术

1.工艺设备概况

带钢经过冷轧变形后，内部发生晶粒的扭曲和破碎，导致加工硬化和残余应力的产生，通常还需要经过退火处理。退火是将带钢加热到适当的温度，然后经过一段时间的保温，并按规定的速度进行冷却，以此来获得良好的工艺性能及使用性能。对冷轧卷的退火属于再结晶退火，在这一过程中带钢的内部组织将经过回复、再结晶、晶粒长大等三个主要过程。

为了完成上述工艺过程，通常采用连续退火炉对带钢进行热处理。卧式连续退火炉一般由预热段、加热段(包括加热段和保温段)、冷却段等构成。预热段一般为不供热段，主要利用从加热段流过来的高温烟气对带钢进行预热。根据带钢表面质量和加热速度的要求，加热段可以选用明火焰直接加热和辐射管间接加热两种方式。整个加热段内划分为数个独立控制区域，每一控制区域的烧嘴或辐射管可以进行单独控制。冷却段分为缓冷段和快冷段，缓冷段通常采用气体喷射冷却方式，快冷段一般采用水雾冷却和水喷射冷却，使带钢达到工艺要求的冷却速度。

除上述主要工艺段之外，在炉子入口段一般都设有事故冷却段，在断带事故发生时用于冷却从炉子入口端回退的带钢。在预热段，还设有余热回收装置，用于对烟气余热的多级回收。高温烟气首先用来预热助燃空气，而后与带钢干燥用空气进行热交换，使最终排烟温度进一步降低。在最终冷却段后还设有带钢干燥段，利用热空气对带钢进行干燥。

2.工艺设备发展

总体上看，卧式炉内主要热过程可分为加热和冷却。加热方式主要有直接加热和间接加热两种。在直接加热过程中，热源与带钢直接接触，尽管这种方式加热效率很高，但对带钢表面质量的影响较大。而在间接加热方式下，热源与带钢非直接接触，故不会对带钢表面质量造成影响。

目前应用于板带退火过程的其它加热方法有电阻加热、盐浴加热等。而一些研究结果表明快速加热可以使板带具有超高塑性，为其它一些快速加热方法在板带退火过程中的应用提供了理论依据。例如：激光照射加热、等离子流加热和电容储能加热等。

退火过程中的另外一个关键点就是冷却方式的选取及控制。传统用于带钢快速冷却的方式主要有高速气体喷射冷却、辊冷技术、气-水双相冷却技术和水冷技术等。

除了上述冷却方式之外，新发展的一些工艺具有更高的表面质量以及低的能耗。如全空气悬浮冷却技术，由于带钢在冷却过程中不与炉辊接触，可以大幅提高带钢的表面质量。比利时冶金研究中心(CRM)开发的强紊流辊冷技术(HTRC)，相比传统喷射冷却能耗大幅降低。今后连续退火设备将朝着机组高速度、带钢高

质量、控制智能化、低能耗和低污染的方向发展。

3.模型研究进展

由于连续退火工艺过程复杂，包括预热、加热、均热、缓冷和快冷等一系列热过程，涉及的传热方式和传热机理差异也很大，同时由于生产过程频繁变化，过于简化模型难以反映系统的动态特性，而复杂模型又难以满足实时性要求。目前国内外有关带钢连续退火机组热过程数学模型，广泛应用的主要有两类：一类是利用现场数据进行模型关键参数估计的系统辨识模型，另一类是依据经典传热方程建立的传热机理模型。两种模型各有长处。

带钢退火过程传热模型是依据传热学、流体力学和燃烧学等相关基础理论并经过严密的数学推导而建立起来的。关于传热机理模型的研究，最具有代表性的是两类模型，即：带温跟踪模型和带温分布模型。

加热段的求解方法有区域法、热流法和蒙特卡洛法等。区域法的主要思想是将炉膛划分为若干区域，并假定各区域内温度均匀，从而建立各区域间辐射传递方程进行求解。假想面等效黑度法将辐射管和炉墙对带钢的辐射等效为假想灰平面对带钢的辐射，大大简化了辐射管炉内辐射传热的计算。蒙特卡洛法利用统计思想，将表面发射的辐射能看成许多能束组成，并对能束进行跟踪统计得到两辐射表面间的传递系数。求解带钢冷却过程的换热系数，目前主要利用传热反问题的方法解决。

国外有报导的文献对于数学模型的研究较少，在对模型的求解上，采用的方法主要是利用商业软件。例如利用COMSOL软件建立连续退火炉内三维有限元带温模型，并利用MATLAB软件建立了一维和二维有限差分模型；利用商业软件Ansys计算模拟预热炉中带钢温度和应力分布耦合模型，并在模型中加入炉辊温度平衡方程，经过模拟研究发现锥形炉辊容易导致带钢宽度方向上严重的温度分布不均，从而引起带钢屈曲；这些研究成果也为国内今后的退火炉数学模型的建立及求解提供了新的选择和思路。

4.自动控制系统研究进展

4.1基于带钢数学模型的控制策略

20世纪90年代末，川铁开发出了一套复杂的带钢温度控制模型，通过带速与炉温的匹配来实现优化控制。国内学者开发了基于带钢全炉温度模型的混合控制仿真模型，开发了连续退火炉炉温优化仿真系统，以连续退火炉数学模型为依据，采用了炉温启发式优化策略，该算法主要由滚动优化和启发式参数调整规则构成。

4.2基于智能优化技术的控制策略

智能优化技术不需要对被控对象建立复杂的物理模型，能够针对不确定的系统特性建立控制模型。随着智能技术的不断发展，越来越多的智能技术融入到控制理论中，如专家系统控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法、人工免疫等控制算法。这些控制方法在退火炉等工业炉窑控制中也逐步得到了应用。

5.结论

(1)一些新的高速加热方式，如激光加热、等离子束的加热技术等若用于卧式炉的带钢加热，将会促使卧式炉长度大幅度缩短。(2)今后卧式炉内的冷却技术发展趋势预计是高效冷却介质的喷射冷却，如液氮、液氨以及甲醇等烃类物。

(3)目前针对卧式炉退火过程数学模型的研究较少，然而卧式退火炉在生产中也存在诸多问题急需解决，对于卧式炉进行相应的建模研究具有重要的理论意义和现实意义。(4)对于喷流冷却目前还有很多问题没有得到很好的解决，这主要是