３０ 柳钢科技 ２０１８年第１期 基于有限元仿真技术的冷轧退火生产优化 姚敏，严升，陆聪 （冷轧板带厂） 摘 要：运用有限元分析软件对退火炉炉内流场进行仿真模拟，分析柳钢冷轧板带厂全氢罩式退 火炉生产的钢卷表面光洁度低、炉台法兰面积油过多等的原因，介绍对炉台结构实施的优化改造及其 效果。 关键词：钢卷；罩式退火炉；流场；仿真模拟 Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｌｄ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＹＡＯ Ｍｉｎ，ＹＡＮ Ｓｈｅｎｇ，ＬＵ Ｃｏｎｇ （Ｃｏｌｄ－ｒｏｌｌｅｄ Ｓｔｒｉｐ Ｍｉｌ１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｌｆｏｗ ｉｆｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ． Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｗｈｙ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｉｌ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｅｌｌ－ｔｙｐｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｗａｓ ｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｉｌ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｌｆａｎｇｅ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｔａｇｅ ｗａｓ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｔａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｉｌ；Ｂｅｌｌ－ｔｙｐｅ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ；Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ １前言 罩式退火炉是冷轧板卷生产流程中的重要 的制约，炉台循环风机转速与保护气体流量不 能进一步提高。因此分析罩式炉内流场循环特 点，进而对炉台结构进行改进优化，提高炉内 气氛循环效果才是最佳办法。由于罩式炉内流 设备，用于冷轧后钢卷的再结晶退火，目的是 降低轧制后钢卷硬度，细化晶粒，消除组织缺 陷，其退火质量直接影响到冷轧成品卷的力学 场分布复杂，依靠传统的计算方法难以得到较 为准确的炉内流场情况，随着计算流体力学和 计算机技术的发展，借助有限元分析软件ＡＮ— ＳＹＳ对罩式炉炉内流场进行模拟仿真分析，可 以得到炉内流场速度矢量云图与流场轨迹线云 性能与板面质量ｆｌ】０柳钢冷轧板带厂使用的全氢 罩式退火炉，退火后钢卷表面表面光洁度不高， 残留的轧制油及碳灰较多，且钢卷出炉后炉台 法兰面残留有一层浓厚粘稠的轧制油层，严重 堵塞炉台排道，影响退火炉的正常生产与 钢卷的表面质量。钢卷表面质量与炉台法兰面 图，为之后的设备改进优化提供理论依据。本 文进行总结。 积油与退火炉炉内气氛循环和氢气吹扫效果密 切相关，提高炉内保护气体的流速与氢气流量 ２炉内流场模拟分析 ２．１几何模型与网格模型 可以提高钢卷表面质量，但受限于设备与成本 作者：姚敏，大学学历，助理工程师，现主要从 采用三维绘图软件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立炉内流 场几何模型，采用有限元分析软件Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋ— ｂｅｎｃｈ建立流场网格模型，为提高计算效率，降 事罩式退火炉工艺技术工作。 ２０１８年第１期 姚敏，等：基于有限元仿真技术的冷轧退火生产优化 ３ｌ 低计算机运算负担，对流场模型进行了适度简 化。建立的几何模型、流场网格模型见图１。 被叶轮吹出扩散器导流板后，冲击内罩发生分 流，其中一路气体流向为保护气体在内罩与钢 卷外表面问行成一股螺旋上升气流，在气流上 升到内罩顶部后发生汇流，并在内罩壁面的阻 挡以及循环风机的吸力作用下，气体经钢卷内 表面向下流动，最终回到循环风机完成气氛循 环。另一路气体走向则是保护气体成螺旋状向 下流动，并在炉台底部形成周向循环，这路气 体循环不经过钢卷表面，对于钢卷的热传递以 及轧制油吹扫不起作用，属于炉内气氛损失。 ａ几何模型Ｉ羽 ｂ Ｉ斓格模型图 ＿由速度矢量云图可知（见图２ｈ），保护气体 经炉台扩散器吹出后，在壁面及扩散器导流板 图１几何模型、流场网格模型图 ２．２控制方程与边界条件 附近形成多个涡流区，造成气体流速损失严重。 为进一步对该涡流区进行分析，建立Ｘ＝０处坐 标面，得到该坐标面的速度矢量截面图，对截 采用计算流体力学软件ＦＬＵＥＮＴ对炉内流 场进行仿真模拟，因罩式退火炉内炉台扩散器、 承重板、钢卷以及内罩等物体结构复杂，且气 体在循环风机的叶轮的驱动下，流速与流量较 面图中内罩与扩散器之间存在的涡流区域进行 局部放大，并对速度矢量箭头进行放大处理， 气体沿扩散器导流板开口方向流动，离开导流 板后气体与内罩成一定斜角流向内罩壁，在壁 大，因此采用标准ｋ— 湍流模型模拟气体在炉 内的 维湍流流动Ｉ ～１。标准ｋ—ｓ湍流模型的 湍动能ｋ和耗散率ｓ方程如下： ｐ ： （ ＋ ＋Ｇｋ Ｇ一 （１） 面的阻挡下，气体发生分流，部分气体沿壁面 上升，部分气体则行成朝向炉台中心方向的涡 流，其余部分气体则沿内罩壁面向炉台底部螺 旋流动，并形成如流场轨迹线云图所示的炉台 底部周向循环（见图３ｃ）。在这一过程中，气体 流速损失严重，并导致气氛循环效果变差，同 ｐ警＝ （ ＋ ｃ－ ＋ （２） （ｃ Ｇ Ｇ ）一ｃ２ ｐ｝ 时部分气体携轧制油与乳化液流向炉台底部， 使得轧制油和乳化液堆积在炉台法兰面，进而 堵塞炉台排路，影响钢卷表面质量和设备 稳定性 冷轧厂罩式退火炉采用高温变频循环电机， 其电机转速按丁艺要求在５２０～２ ３００ ｄｍｉｎ。本 次计算以循环风机叶轮表面边界作为气体进出 口边界，其中进口边界设置为速度人口，出口 边界设置为压力出口，其余边界则设为固壁边 界 Ｉ。循环风机转速固定为２ １００ ｆｍｉｎ，此时的 气体入口速度为３５ ｍ／ｓ。没置好条件参数后进行 迭代计算，待计算结果收敛后进行数据后处理， 得到仿真模拟结果。 ２．３ 仿真模拟结果 由轨迹线云图可知（见图２ ），保护气体在 ａ轨迹线罔 ｈ速度矢量图 炉台边缘处的气 氛流动情况 图２罩式炉内部流场 ２０１８年第１期 姚敏，等：基于有限元仿真技术的冷轧退火生产优化 ３３ 炉内保护气体作为传热介质，通过热对流 和热辐射加热钢卷，随着气体流速提升，循环 效果增强，这将提高钢卷的升温速率。对钢卷 进行热电偶插片实验，在钢卷牌号相同，规格 重量相近的情况下，当加热到７００ ｃ【：保温温度 时，３号退火机组钢卷的热点平均温度为６２７ ，冷点温度平均为５４９ ，而未改进扩散器 炉台钢卷的热点平均温度为５７８ ｏＣ，冷点平均 ａ改进前 ｈ改进后 温度为５２２ 。这表明改进扩散器后，炉内气 氛循环效果加强导致钢卷的升温速度加快，这 将为之后缩短加热与保温时间，提高生产效率， 降低能源消耗提供条件。 网５改进前后炉台法兰面速度 组相比，生产出的钢卷表面光洁度提高。未改 进扩散器前的钢卷表面附着着大量未吹扫干净 的轧制油及碳黑，使得钢卷表面呈现出黑灰色 的印迹。未改进前的炉台生产结束后在法兰面 有一层黏稠的积油，排油孑Ｌ容易被堵塞。每当 炉台钢卷出炉后，都需要操作工人花费大量时 问对法兰面积油进行清理，疏通排路，且 炉台法兰积油过多，使得在钢卷出炉需吊开内 罩时，内罩底部易附着油污，并在吊运过程中 ４结语 针对柳钢冷轧厂罩式退火炉退火后钢卷表 面质量不佳这一问题，建立炉内流场仿真模型 进行分析研究，根据仿真模拟结果对炉台扩散 器结构进行了相应的改进优化，以此提升炉内 气氛循环效果。新扩散器结构投用后，退火后 钢卷表面光洁度提升明显，炉台法兰面积油明 滴落到钢卷表面，造成渗透性油斑协议卷的产 生。而改进扩散器后的３号退火机组，其出炉 过后的炉台法兰面就非常干净，几乎没有积油， 显减少，验证了仿真结果的正确性。同时，炉 内保护气体作为传热介质，通过热对流和热辐 射加热钢卷，随着气体流速提升，循环效果增 强，使得钢卷的升温速度加快，钢卷温度更加 均匀，这对于缩短加热及保温时间，提高生产 效率，减低能源消耗提供了条件。 不需要操作Ｔ人进行清油和管路疏通作业，这 对于缩短退火生产周期，提高生产效率，减低 工人工作强度帮助非常大。 参考文献 １张景进．板带冷轧生产．北京：冶金工业出版社，２（）０６．２２４ ２钟渝，张义贵，德军．全氢罩式退火炉ＣＡＥ仿真．计算机辅助工程，２（１１ １，２（）（２）：…４～１（）７ ３祁卫东，宋锦春．罩式退火炉炉内气体流场的仿真研究．冶金设备，２（）１２，１９６（３）：１２～１６ ４祁卫东，宋锦春．ＨＰＨ罩式退火炉保护气氛流场研究．机械设计与制造，２０１３，２６７（３）： １ ２～１ ４
