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写作时间线

2024-10-29

  • 开始阅读文献《不锈钢连续退火炉模型化研究》

2025-06-21

  • 更换思路解决实际问题

【备忘】本计划要完成的任务

  1. 第一目的：建立不锈钢连续退火炉热场模型
  2. 直接目的：计算最佳保温涂层厚度
  3. 实现方法
    1. 数学建模：利用热力学理论进行计算，设计程序（通用性强，难度高）
    2. 有限元法：利用模型，增加约束条件，进行运算（通用性低，难度低，计算量大）（可采取模型分割，只取一部分局部进行分析）
      马弗管模型

本文目的

通过研读《不锈钢连续退火炉模型化研究》，结合现场实际，进行理论分析：

  • 升降温模型
  • 炉内热过程
  • 炉内气温分布
  • 带钢表面温度分布
  • 炉围温度分布
  • 炉温求解模型

论文内容：以某钢厂不锈钢连续退火炉为研究对象,基于能量平衡分别列出有关于炉气、 炉围、带钢的基本方程,组成非线性方程组,建立了不锈钢连续退火炉热过程三元模型,采用迭代法对炉气温度进行求解。

模型建立(11.2)

基本介绍

连续退火机组(CAPL, Continuous Annealing and Processing Line)是处理带材的热处理设备。其基本工艺特征是：带钢在辊道上匀速运行并被加热，炉内温度基本保持恒定。其作用是可以降低硬度，改善切削加工性能，消除残余应力，减少变形与裂纹，稳定尺寸，调整组织，细化晶粒，消除组织缺陷。

  • 过程：从冶金学角度看。退火可分回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。其中第二阶段再结晶用比较短的时间完成了，第三阶段晶粒长大要较长时间。为了得到非常软和深冲性能良好的带钢，第三阶段的晶粒长大必须充分进行，如果进行了再结晶，就可以保持一定程度的深冲性。由此观点出发，连续退火由于退火时间短，几乎是只有再结品的退火。而且由于快速加热再结晶核产生的频率大，所以再结晶晶粒细小。对于带钢再结晶来说，把带钢在600℃以上A,转变点以下停留的时间称为“有效均热时间”，此有效时间选在25秒以上为好。要达到预期的硬度，必须改变退火温度和这个有效均热时间的长短。其次，加热到退火温度的带钢冷却到常温时的冷却速度也影响带钢的机械性能和深冲性。

    • 图2-192是铁碳平衡图的一部分，a-Fe中固溶的碳量随温度而异，320℃附近快速冷却固溶碳不能完全析出，而以固溶状态冷却下来。在冷却过程中如果不充分析出，以后过饱和的碳从固溶体中析出时产生时效硬化。因此在320℃附近必须缓慢冷却使a-Fe中固溶碳得到充分的析出。从600℃冷到320℃所需的时间称为“有效冷却时间”，有效冷却时间在15~20秒较好。320℃以下a-Fe中固溶的碳量不随温度改变，不妨快速冷却。退火周期的典型例子如图2-193所示。

  • 组成：可分为三个部分：

graph LR
	预热段 --> 加热段
	加热段 --> 冷却段
  • 预热段：现代不锈钢连续退火炉将预热段、加热段合成整体形退火炉结构,将加热段燃料与助燃空气燃烧产生的烟气引入到预热段对带钢进行辐射和对流预热。
  • 加热段：加热方式主要有辐射管加热、直燃式加热、辊式加热、感应加热、盐浴加热、电阻加热、带钢直接通电加热、电子束加热、等离子流加热、 激光照射加热等等。其中直燃式加热的控制方式主要采用: 空气/燃气比例调节和开关烧嘴脉冲式燃烧。
  • 冷却段。冷却段通常可以采用风冷、雾冷等方式进行冷却。冷却介质流量可通过独立设置的开关控制，可满足不同钢种的冷却要求。

炉区建模

退火数学模型是对退火炉的热过程进行数学描述，确定炉内热过程参数间的定量关系，此模型的计算基础是辐射换热研究。本案例的传热过程如下：

此段为炉区（加热段），采用烧嘴进行间接加热。燃料（天然气）与空气混合燃烧后，生成的高温烟气与马弗管、炉围进行辐射换热与对流换热，形成一个三元辐射体系。马弗管又通过辐射换热将热量传至管内带钢，同时借由保护气体对带钢进行热对流，马弗管、保护气体、带钢三者又形成一个内部三元辐射体系。

  • 炉围：连续退火炉的炉顶、炉底、侧墙和端墙统称为炉围。
  • 助燃空气：通过助燃风机抽取，并通过预热段进行加热的热空气
  • 燃气：未经过加热的常温燃气
  • 烟气：燃气点燃后产生的尾气与未充分燃烧的燃气、空气的混合气体
  • 保护气体：氢气、氮气或氢气氮气的混合气体，与带钢直接接触来防止其氧化
  • 马弗管：隔绝烟气与气氛的管腔

注：为了简化模型，暂不考虑冷却段的影响，本文仅分析炉区。

炉区换热示意图

由于实例中内层辐射模型里缺少了一个实际温度值（马弗管里面增加热电偶不现实），从数学上难以求解。这里特殊处理下：把马弗管旧看作一个将热量从烟气传递到保护气体的一个理想平面（热辐射从炉围传递到马弗，马弗辐射到钢带，中间暂不考虑损耗），马弗管内外气体介质密度差异大，不能不考虑中间的变化。简化后的示意图如下
简化后炉区换热的示意图

炉气能量平衡

Qcom,i+Qa,i+Qmov,i+Qc,i+Qr,i+Qwater,i+Qsteel,i=Qstore,i Q_{com,i}+Q_{a,i}+Q_{mov,i}+Q_{c,i}+Q_{r,i}+Q_{water,i}+Q_{steel,i}=Q_{store,i}

带钢表面能量平衡

Qr,i+Qc,i+Qcon,i=0 Q_{r,i}+Q_{c,i}+Q_{con,i}=0

炉围表面段能量平衡

Qr,i+Qcon,i+Qc,i=0 Q_{r,i}+Q_{con,i}+Q_{c,i}=0

参数

  • 助燃风机风量（不考虑其他因素）——风量与加热能力曲线。
    H2 N2 有脱碳效果，

参考值

  • 加热能力：H(x1,x2,x3,x4,...,xn)=H(x_1,x_2,x_3,x_4,...,x_n)=

模型求解

求解辐射能量传递方程是求解辐射场的基础

单位问题

1Mpa=1⋅106Nm2=1⋅Nmm2=1⋅kg⋅gmm2=1g⋅kgmm2=0.10203⋅kgmm21Mpa=\frac{1\cdot10^6 N}{m^2}=1 \cdot\frac{N}{mm^2}=1 \cdot\frac{kg\cdot g}{mm^2}=\frac{1}{g}\cdot\frac{kg}{mm^2}=0.10203\cdot\frac{kg}{mm^2}