從冶金學(xué)或加工的必要性來看，在鋼鐵生產(chǎn)工藝中，從鐵礦石的還原和熔融到加工成最終產(chǎn)品的過程是一個反復(fù)加熱和冷卻的過程。為解決提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定操作、設(shè)備的緊湊化和節(jié)能等各種課題，日本各鋼鐵公司開發(fā)了適應(yīng)各生產(chǎn)工序的最佳加熱和冷卻技術(shù)。可以說，日本鋼鐵工業(yè)的能源單耗和產(chǎn)品質(zhì)量能夠居世界領(lǐng)先水平，如果沒有鋼鐵生產(chǎn)工藝中的最佳加熱和冷卻技術(shù)，就不可能實現(xiàn)。近年來，為進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，日本對提高加熱和冷卻能力及對目標(biāo)溫度的高精度控制提出了要求，同時還對考慮到環(huán)保節(jié)能的加熱和冷卻技術(shù)提出了要求。
加熱和冷卻的基本形式
熱傳輸?shù)男问娇煞譃闊醾鲗?dǎo)、對流傳熱和熱輻射等3種。熱傳導(dǎo)是物質(zhì)內(nèi)部的熱傳輸，是構(gòu)成物質(zhì)的原子或分子的振動傳播使能量傳輸?shù)默F(xiàn)象。對流傳熱是物質(zhì)表面和周圍氣體、液體或固體的宏觀流形成流動和混合，產(chǎn)生熱傳輸?shù)默F(xiàn)象。熱輻射是物體內(nèi)部所具有的能量以電磁波的形式從其表面放射出，并向周圍傳遞的現(xiàn)象。
關(guān)于物質(zhì)的加熱或冷卻過程，只要給出物質(zhì)表面的對流傳熱及熱輻射的臨界值，通過數(shù)值解析，就能準(zhǔn)確求出。也就是說，要想準(zhǔn)確預(yù)測出加熱和冷卻過程，就必須給出準(zhǔn)確的臨界值。但是，由于決定各傳熱形式的熱物性值、流體模型和相變等熱傳輸量的因素很多，而且在實際的加熱和冷卻過程中，這些傳熱形式很少是單獨存在的，幾乎是一種相互關(guān)聯(lián)、非常復(fù)雜的現(xiàn)象。因此，在對作為對象工序的加熱和冷卻進行大量的傳熱實驗后，對熱傳輸量進行了定量，并給出了計算式，同時根據(jù)現(xiàn)場積累的操作數(shù)據(jù)，開發(fā)了適合各生產(chǎn)工序的最佳加熱和冷卻技術(shù)。
加熱技術(shù)
在鋼鐵生產(chǎn)工藝中應(yīng)用了許多適合各工序的加熱技術(shù)，但從能量消耗量的大小或嚴(yán)格控制溫度的必要性來看，熱軋工序和連續(xù)退火及浸鍍工序的加熱技術(shù)的發(fā)展值得一提。
在熱軋工序中，板坯在加熱爐中的放射加熱、薄板坯連接用的感應(yīng)加熱或激光加熱已應(yīng)用于實際。在冷軋鋼板的連續(xù)退火和浸鍍工序中，應(yīng)用了許多加熱技術(shù)，如采用輻射管的放射加熱或使用還原性火焰的對流加熱、利用從廢氣中回收的高溫氣體進行對流加熱和在爐內(nèi)及爐外對鋼板進行感應(yīng)加熱等。加熱能力的大小取決于表面對流或放射產(chǎn)生的熱流束的大小。
雖然感應(yīng)加熱或激光加熱是一種局部加熱，但它們能在非常大的熱流束(106～107W/m2)下進行加熱。板坯加熱爐的噴嘴火焰產(chǎn)生的放射加熱熱流束可達1～4×105W/m2，連續(xù)退火爐的還原火焰產(chǎn)生的放射及對流加熱熱流束可達1～3×105W/m2，連續(xù)退火爐的輻射管產(chǎn)生的放射加熱熱流束可達1～5×104W/m2，氣體射流產(chǎn)生的對流加熱熱流束可達1～2×104W/m2。
在鋼鐵生產(chǎn)工序中，雖然熱流束的覆蓋范圍廣，但應(yīng)從冶金學(xué)上所要求的加熱速度的大小、溫度的均勻性、加熱氣氛條件(氧化及還原)、設(shè)備及燃料的經(jīng)濟性和設(shè)備的維護性等各方面綜合考慮后再選擇適宜的加熱方法。以下就鋼鐵生產(chǎn)工藝中的加熱技術(shù)，尤其是近年來引人關(guān)注的加熱技術(shù)進行介紹。
1節(jié)能加熱技術(shù)
作為鋼鐵生產(chǎn)工藝中的加熱源，主要使用高爐、焦?fàn)t等產(chǎn)生的副產(chǎn)氣體。為實現(xiàn)節(jié)能，重要的是要減少廢氣損失，即盡可能地回收廢氣的熱能，循環(huán)利用于生產(chǎn)工序中。為此，開發(fā)了蓄熱式燒嘴系統(tǒng)，應(yīng)用于板坯加熱爐或冷軋鋼板的連續(xù)退火爐等許多設(shè)備。板坯加熱爐的蓄熱式燒嘴系統(tǒng)由一對交叉燃燒式燒嘴構(gòu)成，每個燒嘴中裝有由陶瓷球或陶瓷蜂窩構(gòu)成的蓄熱體，利用切換閥使空氣和燃燒氣體交叉流入蓄熱體中，由此可通過空氣回收儲存于蓄熱體中的燃燒氣體的顯熱，作為高溫預(yù)熱空氣進行燃燒。
閥的切換時間以大約30秒為間隔進行循環(huán)，對于1300℃的爐溫，平均循環(huán)一次就能將空氣預(yù)熱到1100℃。另一方面，廢氣溫度的下降僅大約250℃，可將廢氣熱損失降到最低。大型連續(xù)式板坯加熱爐或連續(xù)退火爐的輻射管燒嘴應(yīng)用蓄熱式燒嘴系統(tǒng)后取得了大幅度節(jié)能的效果，節(jié)能效果比以往普通燒嘴提高20%～25%。
2低污染加熱技術(shù)
為提高爐子的加熱能力，有效的辦法是提高火焰溫度，但提高火焰溫度會出現(xiàn)NOx增大的問題。尤其是采用蓄熱式燒嘴時，空氣被預(yù)熱到非常高的溫度后會出現(xiàn)高溫燃燒，NOx呈指數(shù)形式增大成為一個課題。為解決這一課題，研究了采用高溫低氧濃度燃燒技術(shù)來提高熱效率和減少NOx發(fā)生量的技術(shù)。
根據(jù)以往的燃燒概念可知，當(dāng)空氣中的氧濃度下降時，火焰的穩(wěn)定性會下降，難以維持穩(wěn)定的燃燒，而且未燃排放物呈增加的趨勢。但是，如果空氣溫度超過1000℃，即使空氣中的氧濃度低于5%，也能穩(wěn)定維持燃燒。采用碳氫化合物燃料時，如果氧濃度降低到2%左右，火焰會呈現(xiàn)無法觀測到的無焰氧化反應(yīng)狀態(tài)，雖然火焰又長又大，但能持續(xù)穩(wěn)定燃燒。采用普通氧濃度的空氣進行燃燒時，當(dāng)空氣預(yù)熱溫度升高時，NOx發(fā)生量會呈指數(shù)形式增大，但采用高溫低氧濃度燃燒時，NOx的增加比例與溫度的關(guān)系小，即使空氣溫度達到1150℃，當(dāng)氧濃度下降到5%時，NOx濃度也非常低(大約100ppm)，此時，CO和UHC的排放也幾乎可以忽略不計。
3冷軋鋼板的快速無氧化加熱技術(shù)
在冷軋鋼板的連續(xù)退火工序中，有采用輻射管的放射加熱方式(下稱輻射管加熱)和采用還原火焰燒嘴的火焰噴流進行對流加熱的方式(下稱直焰加熱)。采用輻射管加熱時，鋼帶的放射率小，另外從金屬管的耐熱使用壽命來看，使用溫度存在極限，因此存在著不能形成大的熱流束的問題。而采用直焰加熱時，它幾乎不受放射率的影響，由于火焰是高速沖撞到鋼板，由此能獲得大的熱流束。
根據(jù)輻射管加熱和直焰加熱的加熱速度比較可知，直焰加熱的加熱速度是輻射管加熱速度的大約4倍。直焰加熱可以使火焰具有還原性，用途很廣，為此開發(fā)了將燃料和空氣分別供給進行燃燒的擴散燃燒式燒嘴和預(yù)先將空氣和燃料進行充分混合后供給的預(yù)混合燃燒式燒嘴。為使火焰具有高的還原性能，從原理上來看，可以說預(yù)混合燃燒式燒嘴具有優(yōu)越性。但是，預(yù)混合燃燒存在著回火的問題，因此空氣預(yù)熱溫度難以提高，難以應(yīng)用于高溫爐。為解決這些問題，開發(fā)了高溫預(yù)熱空氣還原燒嘴。考慮到高溫預(yù)混合氣體的燃燒速度，對氣體流速進行了設(shè)計，并對噴嘴的隔熱和冷卻結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，以便即使在低負荷燃燒時(負荷25%)，噴嘴內(nèi)也不會發(fā)生回火。由此可使預(yù)混合式的直焰加熱技術(shù)得以應(yīng)用于實際，其預(yù)熱空氣溫度可達到400℃，爐溫可達到1350℃。當(dāng)空氣溫度在400℃時，爐效率為大約59%，與沒有空氣預(yù)熱相比，可節(jié)能大約20%，同時可大幅度縮短爐子的長度。
冷卻技術(shù)
與加熱技術(shù)一樣，從溫度嚴(yán)格控制的必要性來看，熱軋工序和連續(xù)退火工序的冷卻技術(shù)的發(fā)展值得一提。在熱軋工序中，為提高鋼材的強度、韌性和焊接性等，因此一直在改進水冷卻技術(shù)。在連續(xù)退火工序中，為控制冷軋鋼板的冷卻速度，已應(yīng)用了各種冷卻技術(shù)，如采用氣體射流的對流冷卻、采用輻射管的放射冷卻、采用旋轉(zhuǎn)軋輥的接觸冷卻和水冷卻等。
1水冷卻技術(shù)
在熱軋工序中，采用水冷控制組織，提高鋼材的強度、韌性和焊接性的材質(zhì)控制工藝TMCP(熱機械控制工藝)在上世紀(jì)80年代由日本率先采用，從此以后，它成為熱軋工藝中不可或缺的技術(shù)，其應(yīng)用范圍越來越廣。
TMCP采用的水冷卻方式主要是移動式冷卻方式，即一面使鋼板移動，一面進行冷卻的方式。在輸出輥道的上下面設(shè)置了各種水噴嘴，從上下兩面對鋼板進行快速冷卻。采用TMCP時，為確保材質(zhì)均勻和形狀平直，要求鋼板必須均勻冷卻，因此可以將下列冷卻方式組合使用。
(1)層流冷卻
層流冷卻的方法是降低噴嘴出口流速，使水以層流的形狀從噴嘴噴出，沖撞到鋼板上。層流冷卻用噴嘴有圓管狀層流噴嘴和狹縫式層流噴嘴。采用層流冷卻時，由于水是從距離鋼板較遠的位置落下，因此能有效消除水的動量產(chǎn)生的汽膜，并在水駐點獲得高的冷卻能力。
(2)噴射冷卻
噴射冷卻的方法是將水加壓后噴出，由此利用其與周圍空氣隔絕的作用，使水的粒度變成100～500μm后沖撞到鋼板上。通過控制水量密度，可以獲得較廣的冷卻范圍。
(3)噴霧冷卻
噴霧冷卻的方法是從水噴流的外圍吹加壓空氣，使水成粒狀后與空氣一起沖撞到鋼板上。通過控制空氣量，可以在大的范圍內(nèi)調(diào)整冷卻能力。我們將這種用空氣使水變成粒狀后不會產(chǎn)生大的動量來控制冷卻能力的方法稱作噴霧冷卻。
(4)浸漬冷卻
浸漬冷卻是將鋼板直接浸漬在水槽中進行冷卻的方法。該冷卻裝置構(gòu)成簡單，但難以控制冷卻的均勻性。通過各種實驗，以噴嘴間距、噴嘴直徑和水量密度等為參數(shù)，對水冷卻法的特性進行了定量化。對許多實驗數(shù)據(jù)采用回歸式進行表示，據(jù)此計算出各種冷卻方式的冷卻溫度范圍和熱流束的大小。
一般說來，采用水冷卻時，在100～300℃范圍內(nèi)會出現(xiàn)核沸騰區(qū)域，隨著溫度的升高，熱流束會增大，在200～300℃范圍內(nèi)出現(xiàn)最大熱流束，在300～500℃范圍內(nèi)出現(xiàn)由核沸騰變?yōu)槟し序v的轉(zhuǎn)變沸騰區(qū)域，隨著溫度的升高，熱流束會下降。當(dāng)溫度超過500℃時，會出現(xiàn)表面形成水蒸汽膜的膜沸騰區(qū)域，由于水蒸汽熱阻抗的作用，熱流束會下降。
由于冷卻條件的不同，各區(qū)域的溫度范圍也不同。在轉(zhuǎn)變沸騰區(qū)域，沸騰的現(xiàn)象是不穩(wěn)定的，熱流束會發(fā)生大的變化。要在該區(qū)域內(nèi)使鋼板均勻冷卻是很困難的，因此幾乎不在該區(qū)域?qū)︿摪暹M行冷卻。但是，在熱軋材的冷卻工序中，采用SuperOLAC(超級在線快速冷卻)進行冷卻，不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)變沸騰區(qū)域，能將整個區(qū)域保持在核沸騰狀態(tài)下，使鋼板均勻、快速冷卻。
2氣體射流冷卻技術(shù)
為消除冷軋后鋼板的加工硬化，目前一般是采用連續(xù)退火爐對鋼板進行退火。實現(xiàn)了在退火爐內(nèi)一面使鋼板連續(xù)移動，一面進行冶金學(xué)上所要求的加熱和冷卻循環(huán)。冷卻主要采用氣體射流冷卻技術(shù)，使氣體從噴嘴噴出，沖撞到鋼板上進行冷卻。
氣體射流方式有配置數(shù)個圓孔噴嘴的多孔式氣體射流方式和配置狹縫狀噴嘴的狹縫式氣體射流方式。采用狹縫式氣體射流方式時，噴嘴呈喙?fàn)畈贾茫瑲怏w容易向鋼板寬度方向穿過，使鋼板寬度方向的冷卻均勻。為防止帶材變形，因此可以在帶材溫度高的區(qū)域使用這種氣體射流冷卻方式。多孔式氣體射流的每單位冷卻能力高，一般用于預(yù)熱帶或最終冷卻帶等板帶和冷卻氣體溫差小的區(qū)域。
3軋輥冷卻技術(shù)
為提高鋼板的冷卻速度和節(jié)能的要求，軋輥冷卻技術(shù)已應(yīng)用于實際。軋輥冷卻的方法是使鋼板直接與水從內(nèi)部貫穿流過的旋轉(zhuǎn)軋輥接觸，通過接觸傳熱進行冷卻。軋輥冷卻法的優(yōu)點是運轉(zhuǎn)動力比需要使大量 氣體循環(huán)的氣體射流方式的小。
根據(jù)軋輥、冷軋鋼板的表面光潔度和介質(zhì)氣體的傳熱系數(shù)，可以近似地計算出軋輥冷卻的接觸傳熱系數(shù)。軋輥冷卻的課題是解決軋輥寬度方向的均勻接觸問題。為解決這一問題，在軋輥表面開了吸氣用的小孔，利用吸入壓力使軋輥和鋼板接觸，采用這種抽吸方式使氣體射到鋼板表面，利用氣體的噴射動壓，可使軋輥和鋼板均勻接觸。采用軋輥冷卻的傳熱系數(shù)是氣體射流冷卻的5～10倍。近年來，通過對軋輥的水路結(jié)構(gòu)進行改進，提高了軋輥殼體部分的傳熱效率，降低了制造成本。
今后的發(fā)展趨勢
為減輕車身重量、節(jié)約能耗和提高防碰撞的安全性，今后汽車業(yè)對高強度鋼板的需求將越來越大。將鋼板從再結(jié)晶溫度快速冷卻(例如，150℃/s以上)，可以生產(chǎn)出高強度鋼板。如此快的冷卻速度如果采用以往的以氮氣為主要成分的氣體射流冷卻是不可能實現(xiàn)的，因此采用了噴霧冷卻或浸漬冷卻等方式，但缺點是表面會發(fā)生氧化，需要酸洗處理。
為實現(xiàn)在保持還原氣氛的條件下進行快速冷卻，人們期待著使用氫作冷卻劑的氣體射流冷卻。由于氫的傳熱系數(shù)比氮大，因此在相同噴流條件下能獲得高的冷卻性能。由此可知，在氫濃度高的情況下，其傳熱系數(shù)是采用氮進行氣體射流的2倍以上。采用氫氣體射流時，通過優(yōu)化噴嘴布置和噴出速度，可獲得700W/(m2·K)以上的傳熱系數(shù)。
提高爐內(nèi)氣體的氫濃度可以提高氣體射流的冷卻能力，但由于氫是燃燒性強的氣體，從安全性來考慮，日本的大型退火爐不采用這種方法。但是，在歐洲有些大型退火爐采用了氫濃度高的氣體射流。今后，在不使用水的干氣氛下對鋼板進行快速冷卻的技術(shù)是人們所期待的。
結(jié)束語
鋼鐵生產(chǎn)工藝中的加熱和冷卻技術(shù)已按照各工藝要求進行了不斷的改進和開發(fā)，今后還應(yīng)根據(jù)新的工藝要求，不斷進行開發(fā)。尤其是，為進一步提高材質(zhì)的均勻性和強度特性等產(chǎn)品質(zhì)量，因此對快速加熱和冷卻技術(shù)的要求越來越高，對考慮到環(huán)保的節(jié)能與低污染加熱和冷卻技術(shù)的要求也將越來越高。為此，應(yīng)進一步研究傳熱現(xiàn)象，改進現(xiàn)有技術(shù)，并將加熱和冷卻技術(shù)更好地融合到電磁技術(shù)領(lǐng)域和熱化學(xué)領(lǐng)域，以滿足各種工藝要求。
