日本钢铁生产工艺的加热和冷却技术

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可以说日本钢铁工业的能源单耗和产品质量能够位居世界领先水平，如果没有钢铁生产工艺中的最佳加热和冷却技术，是不可能实现的。近年来，为进一步提高产品质量，因此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的节能及污染小的加热和冷却技术提出了要求。
    一、加热技术
    1节能加热技术
     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。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%。
   2低污染加热技术
     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。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。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)。
     3冷轧钢板的快速无氧化加热技术
      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。即使在低负荷燃烧时(负荷25%)，喷嘴内也不会发生回火。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。
      二、冷却技术
      1水冷却技术
      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年代由日本在世界上率先采用，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。
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，从上下两面快速对钢板进行冷却。采用TMCP时，为确保材质的均匀和形状平直，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。
      (1)层流冷却
       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。
       (2)喷射冷却
      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100~500m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。
      (3)喷雾冷却
       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。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。
      (4)浸渍冷却
     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。
     2气体射流冷却技术
      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。
      3轧辊冷却技术
       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。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。