从冶金学或加工的必要性来看，在钢铁生产工艺中，从铁矿石的还原和熔融到加工成最终产品的过程是一个反复加热和冷却的过程。为解决提高生产率和产品质量、稳定操作、设备的紧凑化和节能等各种课题，日本各钢铁公司开发了适应各生产工序的最佳加热和冷却技术。可以说，日本钢铁工业的能源单耗和产品质量能够居世界领先水平，如果没有钢铁生产工艺中的最佳加热和冷却技术，就不可能实现。近年来，为进一步提高产品质量，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节能的加热和冷却技术提出了要求。

加热和冷却的基本形式

热传输的形式可分为热传导、对流传热和热辐射等3种。热传导是物质内部的热传输，是构成物质的原子或分子的振动传播使能量传输的现象。对流传热是物质表面和周围气体、液体或固体的宏观流形成流动和混合，产生热传输的现象。热辐射是物体内部所具有的能量以电磁波的形式从其表面放射出，并向周围传递的现象。

关于物质的加热或冷却过程，只要给出物质表面的对流传热及热辐射的临界值，通过数值解析，就能准确求出。也就是说，要想准确预测出加热和冷却过程，就必须给出准确的临界值。但是，由于决定各传热形式的热物性值、流体模型和相变等热传输量的因素很多，而且在实际的加热和冷却过程中，这些传热形式很少是单独存在的，几乎是一种相互关联、非常复杂的现象。因此，在对作为对象工序的加热和冷却进行大量的传热实验后，对热传输量进行了定量，并给出了计算式，同时根据现场积累的操作数据，开发了适合各生产工序的最佳加热和冷却技术。

加热技术

在钢铁生产工艺中应用了许多适合各工序的加热技术，但从能量消耗量的大小或严格控制温度的必要性来看，热轧工序和连续退火及浸镀工序的加热技术的发展值得一提。

在热轧工序中，板坯在加热炉中的放射加热、薄板坯连接用的感应加热或激光加热已应用于实际。在冷轧钢板的连续退火和浸镀工序中，应用了许多加热技术，如采用辐射管的放射加热或使用还原性火焰的对流加热、利用从废气中回收的高温气体进行对流加热和在炉内及炉外对钢板进行感应加热等。加热能力的大小取决于表面对流或放射产生的热流束的大小。

虽然感应加热或激光加热是一种局部加热，但它们能在非常大的热流束(106～107W／m2)下进行加热。板坯加热炉的喷嘴火焰产生的放射加热热流束可达1～4×105W／m2，连续退火炉的还原火焰产生的放射及对流加热热流束可达1～3×105W／m2，连续退火炉的辐射管产生的放射加热热流束可达1～5×104W／m2，气体射流产生的对流加热热流束可达1～2×104W／m2。

在钢铁生产工序中，虽然热流束的覆盖范围广，但应从冶金学上所要求的加热速度的大小、温度的均匀性、加热气氛条件(氧化及还原)、设备及燃料的经济性和设备的维护性等各方面综合考虑后再选择适宜的加热方法。以下就钢铁生产工艺中的加热技术，尤其是近年来引人关注的加热技术进行介绍。

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。板坯加热炉的蓄热式烧嘴系统由一对交叉燃烧式烧嘴构成，每个烧嘴中装有由陶瓷球或陶瓷蜂窝构成的蓄热体，利用切换阀使空气和燃烧气体交叉流入蓄热体中，由此可通过空气回收储存于蓄热体中的燃烧气体的显热，作为高温预热空气进行燃烧。

阀的切换时间以大约30秒为间隔进行循环，对于1300℃的炉温，平均循环一次就能将空气预热到1100℃。另一方面，废气温度的下降仅大约250℃，可将废气热损失降到最低。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。尤其是采用蓄热式烧嘴时，空气被预热到非常高的温度后会出现高温燃烧，NOx呈指数形式增大成为一个课题。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。

根据以往的燃烧概念可知，当空气中的氧浓度下降时，火焰的稳定性会下降，难以维持稳定的燃烧，而且未燃排放物呈增加的趋势。但是，如果空气温度超过1000℃，即使空气中的氧浓度低于5％，也能稳定维持燃烧。采用碳氢化合物燃料时，如果氧浓度降低到2％左右，火焰会呈现无法观测到的无焰氧化反应状态，虽然火焰又长又大，但能持续稳定燃烧。采用普通氧浓度的空气进行燃烧时，当空气预热温度升高时，NOx发生量会呈指数形式增大，但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)，此时，CO和UHC的排放也几乎可以忽略不计。

3冷轧钢板的快速无氧化加热技术

在冷轧钢板的连续退火工序中，有采用辐射管的放射加热方式(下称辐射管加热)和采用还原火焰烧嘴的火焰喷流进行对流加热的方式(下称直焰加热)。采用辐射管加热时，钢带的放射率小，另外从金属管的耐热使用寿命来看，使用温度存在极限，因此存在着不能形成大的热流束的问题。而采用直焰加热时，它几乎不受放射率的影响，由于火焰是高速冲撞到钢板，由此能获得大的热流束。

根据辐射管加热和直焰加热的加热速度比较可知，直焰加热的加热速度是辐射管加热速度的大约4倍。直焰加热可以使火焰具有还原性，用途很广，为此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。为使火焰具有高的还原性能，从原理上来看，可以说预混合燃烧式烧嘴具有优越性。但是，预混合燃烧存在着回火的问题，因此空气预热温度难以提高，难以应用于高温炉。为解决这些问题，开发了高温预热空气还原烧嘴。考虑到高温预混合气体的燃烧速度，对气体流速进行了设计，并对喷嘴的隔热和冷却结构进行了设计，以便即使在低负荷燃烧时(负荷25％)，喷嘴内也不会发生回火。由此可使预混合式的直焰加热技术得以应用于实际，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。

冷却技术

与加热技术一样，从温度严格控制的必要性来看，热轧工序和连续退火工序的冷却技术的发展值得一提。在热轧工序中，为提高钢材的强度、韧性和焊接性等，因此一直在改进水冷却技术。在连续退火工序中，为控制冷轧钢板的冷却速度，已应用了各种冷却技术，如采用气体射流的对流冷却、采用辐射管的放射冷却、采用旋转轧辊的接触冷却和水冷却等。

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，从上下两面对钢板进行快速冷却。采用TMCP时，为确保材质均匀和形状平直，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。

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