带钢短波红外加热技术及其传热过程分析.pdf

第3 2 卷第6 期 2 0 1 2 年1 2 月 矿冶工程 M I N 矾GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R i b i G V 0 1 ．3 2N 0 6 D e c e m b e r 2 0 1 2 带钢短波红外加热技术及其传热过程分析① 石秀丽1 ，刘华飞2 ，牟战旗2 1 ．上海电视大学宝山分校，上海2 0 0 9 4 0 ；2 ．宝钢股份有限公司，上海2 0 1 9 0 0 摘要基于等热流密度假设，采用解析法推导了红外加热过程中带钢温度分布，并分析了过程的热平衡，得到了功率系数的公 式。考察了红外加热后带钢的温差以及带钢厚度和机组速度对功率系数的影响，结果表明红外加热过程中，带钢厚度方向温度呈 抛物线型分布，加热后带钢的表面与芯部温差非常明显；功率系数随着带钢厚度和机组速度的增大而增大；加热薄带钢时，功率系 数的增长速度，明显高于厚带钢。 关键词短波红外加热；等热流密度；功率系数；解析法 中图分类号T K l 2 4文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 6 一叭1 6 0 4 S h o r t - W a v eI n f r a r e dH e a t i n gT e c h n i q u ef o rS t r i pS t e e la n dA n a l y s i s o fH e a tT r a n s f e rP r o c e s s S H IX i u ．．1 i ，L I UH u a ．f e i 2 ，M O UZ h a n ．q i 2 1 ．B a o s h a nB r a n c h ，S h a n g h a iT VU n i v e r s i t y ，s h a n g h a i2 0 0 9 4 0 ，C h i n a ；2 ．B a o s h a nI r o n S t e e lC oL t d ，S h a n g h a i 2 0 1 9 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nac o n s t a n th e a tf l u xa s s u m p t i o n ，a na n a l y t i c a lm e t h o dw a se m p l o y e dt od e r i v et h et e m p e r a t u r ed i s t i l b u t i o no fs t r i ps t e e ld u r i n gi n f r a r e dh e a t i n ga n da n a l y z et h eh e a tb a l a n c ei nt h eh e a t i n gp r o c e s s ，r e s u l t i n gi np o w e rf a c t o r f o r m u l a ．T h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e so ft h es t r i ps t e e la f t e ri n f r a r e dh e a t i n ga n dt h ee f f e c t so fs t r i pt h i c k n e s sa n d m a c h i n es p e e do nt h ep o w e rf a c t o rw e r ei n v e s t i g a t e d ．I ti sf o u n dt h a tt h et e m p e r a t u r eh a sap a r a b o l i cd i s t r i b u t i o na l o n g t h es t r i pt h i c k n e s sd u r i n gt h ei n f r a r e dh e a t i n g ．T h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es t r i ps u r f a c ea n dc o r ei so b v i o u s ． T h ep o w e rf a c t o ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s ei nt h es t r i pt h i c k n e s sa n dm a c h i n es p e e d ．W h e nt h i ns t r i ps t e e li sh e a t e d ， t h ei n c r e a s i n gr a t eo ft h ep o w e rf a c t o ri s h i g h e rt h a nt h a t o ft h i c ks t r i ps t e e l ． K e yw o r d s s h o r t w a v ei n f r a r e dh e a t i n g ；c o n s t a n th e a tf l u x ；p o w e rf a c t o r ；a n a l y t i cm e t h o d 带钢表面涂层的烘干与固化是涂层钢板生产中必 不可少的工艺，传统的烘干固化工艺设备多采用燃气 炉或热风循环烘干炉，不仅生产线长，而且燃烧和废气 排放系统庞大，加热效率低。近年来随着红外加热技 术的应用，逐渐形成了集辊涂机涂敷、红外加热炉固 化、高速喷气段冷却的高效生产处理系统J 。 短波红外加热是利用红外辐射波长范围内 0 ．7 6 ～10 0 0 斗m 0 ．7 6 2 ．0 斗m 的波长区间来加热物体的 方法。由于红外辐射加热具有速度快、可控性良好、生 产效率高、设备空间节省等优点，近年来在钢铁、造纸、 印刷、汽车等行业已得到广泛应用心。4J 。国内外对红 外辐射加热理论与应用展开了广泛砑究，葛世名等。5 J 介绍了高红外加热的原理，并探讨了应用高红外加热 进行表面涂层烘干固化时的频谱匹配问题；杨丽君∞』 分析了远红外加热工作波段及辐射源温度的选择问 题，指出要根据物料的厚薄来确定是否采用匹配吸收 方法；贾阳。7o 采用M o n t eC a r l o 方法计算了红外加热 笼、卫星表面和热沉三者问的能量传递与热平衡；魏 晓艳等喁。对远红外干燥炉设计中的热平衡进行了分 析。上述文献中对红外加热的频谱匹配和热平衡进行 了详尽的分析，但对被加热对象在红外加热条件下的 温度变化并未进行讨论。 宝钢某电镀锌机组主要生产高表面要求的耐指纹 涂层板，机组的涂层段采用了短波红外加热炉。耐指 纹涂层板的生产工艺要求机组速度、产品规格变化时， 经红外加热后，带钢都能保持准确、恒定的固化温度。 这需要对红外加热过程中带钢的温度分布和红外炉内 的热平衡进行分析，并制定相应的控制模型。 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 6 - 2 4 基金项目上海市青年科技启明星计划 0 8 Q B l 4 0 0 2 作者简介石秀丽 1 9 7 7 一 ，女，山西阳泉人，讲师，工学硕士，研究方向为流体传动与控制。 通讯作者刘华飞 1 9 7 4 一 ，男，湖北武汉人，高级工程师，工学博士，研究方向为流体传动与传热研究。 万方数据 第6 期石秀H 等一特钢觚波} J 外加热技术及j t 传热过私分析 本文针对红外加热过程中带钢的温度变化和加热 后的温差进行传热分析，并建立红外加热炉的热平衡， 考察工艺参数对工作功率的影响。 用可控硅控制系统，当 j 三，扯线速度、产品规格以及涂层 品种变化时，可很方便地进行及时调整控制，保证干燥 温度的稳定。 I 短波红外加热技术的特点2 短波红外加热过程分析 短波红外加热具有如下特点 1 短波红外辐射能被整个涂层均匀吸收。对于 如图l a 所示的常规热风或长波辐射加热，换热只在 涂层表面进行，涂层下面将被遮蔽，首先涂层表面被加 热，逐步向内热传导。当采用短波红外辐射加热时，涂 层通常是半透明的；短波辐射能直接穿透到涂层内部， 可同时被涂层内部的颗粒和涂层基体吸收，从内到外 或同步地加热涂层 如图l b 所示 。短波红外加热 的这种加热模式，使得涂层溶剂能充分、快速挥发，避 免涂层出现气泡、起壳或褶皱现象。 长波辐射 热风 k ＼- ∑ oOOOO oOOOO 短波辐射 一 UO OOO ；I 7oO0 1 7 0 ▲ 、一 『’∽ ▲ 、 泡 反射辐射 n b 图l传统热风加热和短波红外加热特点示意 a 传统热风加热； b 短波红外加热 2 采用短波辐射加热，可以采用高热流密度。由 于短波辐射能被涂层均匀吸收，不必担心高热流密度 造成涂层厚度方向的加热不均匀，短波红外加热系统 最高可达到0 ．1 5 3W ／m m 2 的能量密度，而传统热风系 统一般只有0 ．0 1 8W ／m m 2 ，可见红外加热系统的加热 速度远高于传统热风系统，涂层干燥可在数秒内完成， 显著缩短了干燥时间。传统的彩色涂层机组的热风炉 长达5 0 多米，需要庞大的管道系统，而短波红外干燥 炉长度只有5m 左右，节省了设备空问。 3 短波红外加热器热响应速度快。由于红外加 热器热容量低，设备启动后，能在毫秒级时问内达到 8 0 ％的能量输出，几秒钟内达到1 0 0 ％的能量输出，生 产线停机后或在涂层产品向非涂层产品切换时i 能在 瞬间停止能量输出，具有很高的热响应速度，镝髁了系 统的即开即用、即关即停，避免能量的无效投入。如果 采用中波加热技术，如陶瓷或电阻丝加热，系统热响应 可达数分钟。传统的热风加热系统，热响应时间则更 长，且机组短时停机时，传统加热系统通常要持续运行。 4 短波红外加热系统可实现无级控制。由于采 由于短波红外加热的能流密度大，在加热带钢时 与常规的辐射加热和热风加热比较，会呈现不同的特 点。下面对其加热过程进行传热学分析，并对红外炉 进行热平衡分析。 2 ．1 带钢等热流加热过程的解析 如图2 所示，温度为t 。，厚度为6 的带钢以“；的速 度通过长度为己的红外加热段，在红外加热段带钢。j 辐射加热器进行热交换。 近红外辐射加热器 近红外辐射加热器 图2 带钢等热流加热物理模型 为简化问题，引入如下假设 1 由于红外加热段带钢温度变化范围小，通常为 3 0 1 0 0 ℃，可假设带钢的热物性为常数。 2 忽略带钢宽度方向的温度不均匀性。 3 由于红外加热热流密度大，可将加热视为等热 流J J l I 热过程。 由此以带钢为对象，写出带钢通过红外加热段非 稳念换热的能量守恒方程及其定解条件 蚂。鲁咄雾 1 ￡。 t o 7 ． 0 2 b ．c T t 。 ，2 虿’ t 而2 q - J 。 ． 下 0 3 t p 一睾，吐誓Ⅶ～ 一’ 式中p ，为钢板密度，k g ／m 3 ；6 为钢板厚度，m ；A 、为钢板 导热系数，W ／ m K ；f 、为钢板温度，o c ；f 。为钢板初 始滞 度，c c C 。为钢板定J t ．t L 热窬。J ／ k g K ；j ‘为俊 方向一卜标，1 1 1 ；f 『、为表l f I f 热流密发，硒t , ／I l l ；丁为时问，一 ，j I 入尤l } 纲温J 业0 丛7 一；卫，无馈纲厚度y 7 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 考，付立叶数R 歹a T ，s 6 ／2 为透热深度，a ￡毛为 导温系数，无量纲化后力‘程变为 警 等，⋯≤1 a 声 nl y 1 | ‘I 、‘ F 。 0 ，p 0 D 。，爨L ⋯ 4 5 6 方程解的形式为 p y ，R 生％i 盟 R 芋一古 一 7 ∑矗 一1 ”1 c o s k 。r e 吨2 怕 k 。 n 1 T ，凡 1 ，2 ，⋯ 8 当F 0 0 ．5 时，无穷级数部分趋近于0 ，即表示初 始条件影响很小，各点以同样的速度升温，进入正 规期。 t t 。 i q , S 【F a T 了1 考 2 一百1 ] 9 正规期的钢板平均温度，可通过积分得到 部分为涂层吸收q 。，一部分为涂层中水分吸收q 。，到 达带钢表面后，被带钢吸收q 。，q 。已由前一节的等热 流加热分析给出。 q 。 p 。C 。A t ／丁 1 3 q H P C x H 2 0 △Ⅳ／r 1 4 q 。 p ，c 呻A t i } ／丁 1 5 式中血为带钢温升，o C ；疋H ’0 为涂层中水含量，％；J D 。 为涂层密度，k g ／m 2 ；A H 为水的气化潜热，J ／k g 。 投射辐射q 。为 g 。 生 生 g 。 ／s 。 1 6 、6 _ c舌s 川 式中占。，占。，s 。分别为涂层黑度，带钢黑度，系统总黑度。 由此红外炉的功率系数为 7 7 q 。／q ， 1 7 式中q ．为设计总功率，W ／m 2 。当带钢的厚度和速度 发生变化时，可以根据式 1 7 计算得到需要的输出功 率，然后通过可控硅自动调整系统输出电压，实现功率 的无级调整。 f 去￡嘶 喾凡“ 1 。 3 实际生产过程分析 因此带钢加热后的平均温度与热流存在如下 关系 p 。C 。 f t o S g 。丁 1 1 厶， q 。 p 。C P B A t 詈／r 1 2 厶 ． 通过传热分析可知，等热流密度加热时，钢板内部 厚度方向存在温差，与通常将带钢作为薄材处理是不 同的。 2 ．2 缈卜加热系统的热平衡 短波红外加热处理涂层时，伴随能量吸收与分配， 需要对过程的热平衡进行计算分析。由于短波红外线 具有很强的穿透性，可同时被涂层内部的颗粒和涂层 基体吸收，从内到外或同步地加热涂层。如图3 所示， 投射辐射q 投射到涂层表面，在穿过涂层的过程中，一 辐射加j ；f | } 器 辐射加热器 图3 红外炉内热平衡模型 以连续电镀锌耐指纹机组的红外固化段为计算实 例，机组最大速度1 5 0m ／m i n ，带钢入口温度4 0c c ，带 钢厚度0 ．3 ～1 ．6m m ，红外固化段有效长度约3 ．4 5 m ，红外加热器设计总功率1 5 51 9 7W ／m 2 。下面分别 考察红外加热后的温度分布以及机组速度和带钢厚度 变化对功率系数的影响。 图4 是机组速度1 5 0m ／r a i n ，带钢厚度1 ．6m m ，辐 射热流为q 。 8 58 0 0W ／m 2 ，由式 9 计算得到的经红 外加热后带钢厚度方向的温度分布。由于热流密度 高，带钢经1 ．3 8s 加热后，平均温度已达到7 9 ．0 8 ℃， 平均温升3 9 ．0 8 ℃，升温速率为2 8 ．3 ℃／s 。经过快速 加热后，带钢厚度方向温度呈抛物线型分布，最高温度 1 0 1 ．9 7o C ，最低温度6 7 ．6 5 ℃，最大温差达3 4 ．3 ℃。 带钢厚度方向的温度差异表明，红外加热能迅速地使 ．匡虱 ＼／ 、。。。， Y ／h i m 图4 经红外加热后带钢厚度方向的温度分布 万方数据 第6 期 石秀丽等带钢短波红外加热技术及其传热过程分析 带钢表层升温，实现了有选择性地加热，实现涂层固 化。如果采用传统的热风加热，换热系数通常为1 0 0 1 5 0W ／ m 2 K ，内部内阻远小于外部热阻，对应 的毕奥数B i 0 ．2 ，带钢可视为薄材，厚度方向的温差 是忽略不计的，要达到表面涂层固化，带钢基板也要整 体升温。 图5 为机组速度为1 5 0m ／m i n 时，不同厚度的带 钢经过红外加热段时功率系数的输出曲线。 b ，1 1 1 1 1 1 1 图5机组速度1 5 0m ／r a i n 时带钢厚度对功率系数锋的影响 由图5 可知，所需的功率系数叼随着带钢厚度的 增加而增加，卵的增长速度，在即热薄带钢 b 1 ．0m m ，因此厚带钢加 热时，功率系数叼要根据带钢厚度进行调整，否则容 易引起过热。 图6 显示了不同的带钢厚度情况下，机组速度酩。 对输出功率系数的影响。机组速度的增加，机组产能 也随之增加，需要的功率系数也随之增加；相同的机组 速度情况下，带钢厚度越大，需要的功率系数亦越大。 Ⅱ。／ m m i n 。 图6 不同厚度带钢在不同机组速度下的功率系数 根据以上原理对红外炉的输出功率进行控制， 表1 为现场实际测量的带钢出口温度。 表1 不同规格和速度下带钢出口温度 由表1 可以看出，即使带钢厚度、机组速度有较大 的变化，实际带钢温度与目标温度1 0 0 ℃差别不大，表 明基于等热流传热模型和热平衡模型建立的控制模型 具有很强的适应工艺参数变化的能力，并能达到很高 的温度控制精度。 4 结论 1 基于等热流假设建立了带钢内部传热模型，并 由此推导了红外加热过程的热平衡模型；现场实际测 量表明，建立的控制模型能适应工艺参数变化，且能达 到很高的温度控制精度。 2 带钢经短波红外加热后，带钢厚度方向温度呈 抛物线型分布，表面与芯部温差显著。 3 机组速度增加，红外炉的功率系数也随之增 加；机组速度相同情况下，厚度越大，功率系数越大。 参考文献 [ 1 ] 牟战旗，霍胜娟．短波红外加热技术在连续板钢生产线中的应用 [ J ] ．电镀与精饰，2 0 0 8 ，3 0 1 1 2 4 2 6 ． [ 2 ]崔听，孙磊，宋奎伟，等．红外辐射在油漆烘烤中的应用 [ J ] ．机械制造，2 0 0 1 ，3 9 2 3 9 4 0 ． [ 3 ] 袁海军，张钧，黄广连．微波加热与远红外加热均匀性实验研 究[ J ] 。国防科技大学学报，1 9 9 8 ，2 0 3 1 0 6 1 0 9 ． [ 4 ]温昆，吴玮．大型客车车身涂装工艺过程中远红外加热技术 的应用[ J ] ．红外技术，1 9 9 6 ，1 8 4 3 5 3 7 ． [ 5 ] 葛世名，李工一．表面涂层烘干固化新工艺新技术[ J ] ．腐蚀科 学与防护技术，2 0 0 3 ，1 5 6 3 5 6 3 6 0 ． [ 6 ] 杨丽君．远红 I - 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