日本钢铁生产中的加热和冷却技术
<p> 从冶金学或加工的必要性来看，在钢铁生产工艺中，从铁矿石的还原和熔融到加工成最终产品的过程是一个反复加热和冷却的过程。为解决提高生产率和产品质量、稳定操作、设备的紧凑化和节能等各种课题，日本各钢铁公司开发了适应各生产工序的最佳加热和冷却技术。可以说，日本钢铁工业的能源单耗和产品质量能够居世界领先水平，如果没有钢铁生产工艺中的最佳加热和冷却技术，就不可能实现。近年来，为进一步提高产品质量，日本对提高加热和冷却能力及对目标温度的高精度控制提出了要求，同时还对考虑到环保节能的加热和冷却技术提出了要求。</p><p> 加热和冷却的基本形式</p>
<p> 热传输的形式可分为热传导、对流传热和热辐射等3种。热传导是物质内部的热传输，是构成物质的原子或分子的振动传播使能量传输的现象。对流传热是物质表面和周围气体、液体或固体的宏观流形成流动和混合，产生热传输的现象。热辐射是物体内部所具有的能量以电磁波的形式从其表面放射出，并向周围传递的现象。</p>
<p> 关于物质的加热或冷却过程，只要给出物质表面的对流传热及热辐射的临界值，通过数值解析，就能准确求出。也就是说，要想准确预测出加热和冷却过程，就必须给出准确的临界值。但是，由于决定各传热形式的热物性值、流体模型和相变等热传输量的因素很多，而且在实际的加热和冷却过程中，这些传热形式很少是单独存在的，几乎是一种相互关联、非常复杂的现象。因此，在对作为对象工序的加热和冷却进行大量的传热实验后，对热传输量进行了定量，并给出了计算式，同时根据现场积累的操作数据，开发了适合各生产工序的最佳加热和冷却技术。</p>
<p> 加热技术</p>
<p> 在钢铁生产工艺中应用了许多适合各工序的加热技术，但从能量消耗量的大小或严格控制温度的必要性来看，热轧工序和连续退火及浸镀工序的加热技术的发展值得一提。</p>
<p> 在热轧工序中，板坯在加热炉中的放射加热、薄板坯连接用的感应加热或激光加热已应用于实际。在冷轧钢板的连续退火和浸镀工序中，应用了许多加热技术，如采用辐射管的放射加热或使用还原性火焰的对流加热、利用从废气中回收的高温气体进行对流加热和在炉内及炉外对钢板进行感应加热等。加热能力的大小取决于表面对流或放射产生的热流束的大小。</p>
<p> 虽然感应加热或激光加热是一种局部加热，但它们能在非常大的热流束(106～107W／m2)下进行加热。板坯加热炉的喷嘴火焰产生的放射加热热流束可达1～4×105W／m2，连续退火炉的还原火焰产生的放射及对流加热热流束可达1～3×105W／m2，连续退火炉的辐射管产生的放射加热热流束可达1～5×104W／m2，气体射流产生的对流加热热流束可达1～2×104W／m2。</p>
<p> 在钢铁生产工序中，虽然热流束的覆盖范围广，但应从冶金学上所要求的加热速度的大小、温度的均匀性、加热气氛条件(氧化及还原)、设备及燃料的经济性和设备的维护性等各方面综合考虑后再选择适宜的加热方法。以下就钢铁生产工艺中的加热技术，尤其是近年来引人关注的加热技术进行介绍。</p>
<p> 1节能加热技术</p>
<p> 作为钢铁生产工艺中的加热源，主要使用高炉、焦炉等产生的副产气体。为实现节能，重要的是要减少废气损失，即尽可能地回收废气的热能，循环利用于生产工序中。为此，开发了蓄热式烧嘴系统，应用于板坯加热炉或冷轧钢板的连续退火炉等许多设备。板坯加热炉的蓄热式烧嘴系统由一对交叉燃烧式烧嘴构成，每个烧嘴中装有由陶瓷球或陶瓷蜂窝构成的蓄热体，利用切换阀使空气和燃烧气体交叉流入蓄热体中，由此可通过空气回收储存于蓄热体中的燃烧气体的显热，作为高温预热空气进行燃烧。</p>
<p> 阀的切换时间以大约30秒为间隔进行循环，对于1300℃的炉温，平均循环一次就能将空气预热到1100℃。另一方面，废气温度的下降仅大约250℃，可将废气热损失降到最低。大型连续式板坯加热炉或连续退火炉的辐射管烧嘴应用蓄热式烧嘴系统后取得了大幅度节能的效果，节能效果比以往普通烧嘴提高20%～25%。</p>
<p> 2低污染加热技术</p>
<p> 为提高炉子的加热能力，有效的办法是提高火焰温度，但提高火焰温度会出现NOx增大的问题。尤其是采用蓄热式烧嘴时，空气被预热到非常高的温度后会出现高温燃烧，NOx呈指数形式增大成为一个课题。为解决这一课题，研究了采用高温低氧浓度燃烧技术来提高热效率和减少NOx发生量的技术。</p>
<p> 根据以往的燃烧概念可知，当空气中的氧浓度下降时，火焰的稳定性会下降，难以维持稳定的燃烧，而且未燃排放物呈增加的趋势。但是，如果空气温度超过1000℃，即使空气中的氧浓度低于5%，也能稳定维持燃烧。采用碳氢化合物燃料时，如果氧浓度降低到2%左右，火焰会呈现无法观测到的无焰氧化反应状态，虽然火焰又长又大，但能持续稳定燃烧。采用普通氧浓度的空气进行燃烧时，当空气预热温度升高时，NOx发生量会呈指数形式增大，但采用高温低氧浓度燃烧时，NOx的增加比例与温度的关系小，即使空气温度达到1150℃，当氧浓度下降到5%时，NOx浓度也非常低(大约100ppm)，此时，CO和UHC的排放也几乎可以忽略不计。</p>
<p> 3冷轧钢板的快速无氧化加热技术</p>
<p> 在冷轧钢板的连续退火工序中，有采用辐射管的放射加热方式(下称辐射管加热)和采用还原火焰烧嘴的火焰喷流进行对流加热的方式(下称直焰加热)。采用辐射管加热时，钢带的放射率小，另外从金属管的耐热使用寿命来看，使用温度存在极限，因此存在着不能形成大的热流束的问题。而采用直焰加热时，它几乎不受放射率的影响，由于火焰是高速冲撞到钢板，由此能获得大的热流束。</p>
<p> 根据辐射管加热和直焰加热的加热速度比较可知，直焰加热的加热速度是辐射管加热速度的大约4倍。直焰加热可以使火焰具有还原性，用途很广，为此开发了将燃料和空气分别供给进行燃烧的扩散燃烧式烧嘴和预先将空气和燃料进行充分混合后供给的预混合燃烧式烧嘴。为使火焰具有高的还原性能，从原理上来看，可以说预混合燃烧式烧嘴具有优越性。但是，预混合燃烧存在着回火的问题，因此空气预热温度难以提高，难以应用于高温炉。为解决这些问题，开发了高温预热空气还原烧嘴。考虑到高温预混合气体的燃烧速度，对气体流速进行了设计，并对喷嘴的隔热和冷却结构进行了设计，以便即使在低负荷燃烧时(负荷25%)，喷嘴内也不会发生回火。由此可使预混合式的直焰加热技术得以应用于实际，其预热空气温度可达到400℃，炉温可达到1350℃。当空气温度在400℃时，炉效率为大约59%，与没有空气预热相比，可节能大约20%，同时可大幅度缩短炉子的长度。</p>
<p> 冷却技术</p>
<p> 与加热技术一样，从温度严格控制的必要性来看，热轧工序和连续退火工序的冷却技术的发展值得一提。在热轧工序中，为提高钢材的强度、韧性和焊接性等，因此一直在改进水冷却技术。在连续退火工序中，为控制冷轧钢板的冷却速度，已应用了各种冷却技术，如采用气体射流的对流冷却、采用辐射管的放射冷却、采用旋转轧辊的接触冷却和水冷却等。</p>
<p> 1水冷却技术</p>
<p> 在热轧工序中，采用水冷控制组织，提高钢材的强度、韧性和焊接性的材质控制工艺TMCP(热机械控制工艺)在上世纪80年代由日本率先采用，从此以后，它成为热轧工艺中不可或缺的技术，其应用范围越来越广。</p>
<p> TMCP采用的水冷却方式主要是移动式冷却方式，即一面使钢板移动，一面进行冷却的方式。在输出辊道的上下面设置了各种水喷嘴，从上下两面对钢板进行快速冷却。采用TMCP时，为确保材质均匀和形状平直，要求钢板必须均匀冷却，因此可以将下列冷却方式组合使用。</p>
<p> (1)层流冷却</p>
<p> 层流冷却的方法是降低喷嘴出口流速，使水以层流的形状从喷嘴喷出，冲撞到钢板上。层流冷却用喷嘴有圆管状层流喷嘴和狭缝式层流喷嘴。采用层流冷却时，由于水是从距离钢板较远的位置落下，因此能有效消除水的动量产生的汽膜，并在水驻点获得高的冷却能力。</p>
<p> (2)喷射冷却</p>
<p> 喷射冷却的方法是将水加压后喷出，由此利用其与周围空气隔绝的作用，使水的粒度变成100～500μm后冲撞到钢板上。通过控制水量密度，可以获得较广的冷却范围。</p>
<p> (3)喷雾冷却</p>
<p> 喷雾冷却的方法是从水喷流的外围吹加压空气，使水成粒状后与空气一起冲撞到钢板上。通过控制空气量，可以在大的范围内调整冷却能力。我们将这种用空气使水变成粒状后不会产生大的动量来控制冷却能力的方法称作喷雾冷却。</p>
<p> (4)浸渍冷却</p>
<p> 浸渍冷却是将钢板直接浸渍在水槽中进行冷却的方法。该冷却装置构成简单，但难以控制冷却的均匀性。通过各种实验，以喷嘴间距、喷嘴直径和水量密度等为参数，对水冷却法的特性进行了定量化。对许多实验数据采用回归式进行表示，据此计算出各种冷却方式的冷却温度范围和热流束的大小。</p>
<p> 一般说来，采用水冷却时，在100～300℃范围内会出现核沸腾区域，随着温度的升高，热流束会增大，在200～300℃范围内出现最大热流束，在300～500℃范围内出现由核沸腾变为膜沸腾的转变沸腾区域，随着温度的升高，热流束会下降。当温度超过500℃时，会出现表面形成水蒸汽膜的膜沸腾区域，由于水蒸汽热阻抗的作用，热流束会下降。</p>
<p> 由于冷却条件的不同，各区域的温度范围也不同。在转变沸腾区域，沸腾的现象是不稳定的，热流束会发生大的变化。要在该区域内使钢板均匀冷却是很困难的，因此几乎不在该区域对钢板进行冷却。但是，在热轧材的冷却工序中，采用SuperOLAC(超级在线快速冷却)进行冷却，不会出现转变沸腾区域，能将整个区域保持在核沸腾状态下，使钢板均匀、快速冷却。</p>
<p> 2气体射流冷却技术</p>
<p> 为消除冷轧后钢板的加工硬化，目前一般是采用连续退火炉对钢板进行退火。实现了在退火炉内一面使钢板连续移动，一面进行冶金学上所要求的加热和冷却循环。冷却主要采用气体射流冷却技术，使气体从喷嘴喷出，冲撞到钢板上进行冷却。</p>
<p> 气体射流方式有配置数个圆孔喷嘴的多孔式气体射流方式和配置狭缝状喷嘴的狭缝式气体射流方式。采用狭缝式气体射流方式时，喷嘴呈喙状布置，气体容易向钢板宽度方向穿过，使钢板宽度方向的冷却均匀。为防止带材变形，因此可以在带材温度高的区域使用这种气体射流冷却方式。多孔式气体射流的每单位冷却能力高，一般用于预热带或最终冷却带等板带和冷却气体温差小的区域。</p>
<p> 3轧辊冷却技术</p>
<p> 为提高钢板的冷却速度和节能的要求，轧辊冷却技术已应用于实际。轧辊冷却的方法是使钢板直接与水从内部贯穿流过的旋转轧辊接触，通过接触传热进行冷却。轧辊冷却法的优点是运转动力比需要使大量 气体循环的气体射流方式的小。</p>
<p> 根据轧辊、冷轧钢板的表面光洁度和介质气体的传热系数，可以近似地计算出轧辊冷却的接触传热系数。轧辊冷却的课题是解决轧辊宽度方向的均匀接触问题。为解决这一问题，在轧辊表面开了吸气用的小孔，利用吸入压力使轧辊和钢板接触，采用这种抽吸方式使气体射到钢板表面，利用气体的喷射动压，可使轧辊和钢板均匀接触。采用轧辊冷却的传热系数是气体射流冷却的5～10倍。近年来，通过对轧辊的水路结构进行改进，提高了轧辊壳体部分的传热效率，降低了制造成本。</p>
<p> 今后的发展趋势</p>
<p> 为减轻车身重量、节约能耗和提高防碰撞的安全性，今后汽车业对高强度钢板的需求将越来越大。将钢板从再结晶温度快速冷却(例如，150℃／s以上)，可以生产出高强度钢板。如此快的冷却速度如果采用以往的以氮气为主要成分的气体射流冷却是不可能实现的，因此采用了喷雾冷却或浸渍冷却等方式，但缺点是表面会发生氧化，需要酸洗处理。</p>
<p> 为实现在保持还原气氛的条件下进行快速冷却，人们期待着使用氢作冷却剂的气体射流冷却。由于氢的传热系数比氮大，因此在相同喷流条件下能获得高的冷却性能。由此可知，在氢浓度高的情况下，其传热系数是采用氮进行气体射流的2倍以上。采用氢气体射流时，通过优化喷嘴布置和喷出速度，可获得700W／(m2·K)以上的传热系数。</p>
<p> 提高炉内气体的氢浓度可以提高气体射流的冷却能力，但由于氢是燃烧性强的气体，从安全性来考虑，日本的大型退火炉不采用这种方法。但是，在欧洲有些大型退火炉采用了氢浓度高的气体射流。今后，在不使用水的干气氛下对钢板进行快速冷却的技术是人们所期待的。</p>
<p> 结束语</p>
<p> 钢铁生产工艺中的加热和冷却技术已按照各工艺要求进行了不断的改进和开发，今后还应根据新的工艺要求，不断进行开发。尤其是，为进一步提高材质的均匀性和强度特性等产品质量，因此对快速加热和冷却技术的要求越来越高，对考虑到环保的节能与低污染加热和冷却技术的要求也将越来越高。为此，应进一步研究传热现象，改进现有技术，并将加热和冷却技术更好地融合到电磁技术领域和热化学领域，以满足各种工艺要求。 </p>
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