我国冷轧薄板的生产能力已达到年产量3277.3万吨,居世界第一。全氢罩式退火炉是带钢退火处理的关键设备。实际生产中,钢卷存在力学性能和表面质量的问题,其主要原因是退火工艺不尽合理,影响退火工艺的主要因素是流场和温度场。因此,本文在前人研究成果的基础上,开展了全氢罩式炉内罩内保护气体的流动特性及传热的研究,为改善冷轧钢卷罩式炉退火质量提供依据。首先,本文通过相似原理设计并搭建了与生产现场罩式炉为1:5比例的全氢罩式炉冷态实验台并对其数值模拟计算,采用颗粒图像测速技术(PIV)对罩式炉模型冷态流场进行环缝通道的测试,并通过空气动力探针和热线式风速仪完成压力和速度的测试,进而验证数值模拟的准确性。结果表明,在钢卷外侧环缝通道中,各点流速的探针测量值与数值模拟值,平均相对误差为10.1%;比较PIV实验值与数值模拟值,平均相对误差为12.9%,误差均在允许范围内;在钢卷芯部通道中,各点流速的热线测量值与数值模拟值,平均相对误差为8.68%,误差在允许范围之内,验证了模拟的准确性。然后,以国内某钢铁企业冷轧厂的实际生产设备为原型,采用数值模拟的方法,对罩式炉原型保护气体流动状态进行了研究,分析了全氢罩式炉保护气体流动规律,优化了扩散器结构,进一步证明了现场右旋式扩散器的合理性和上下等长梯形叶片式对流板的合理性;为了优化对流板结构,提出了在对流板芯部通道增加导流翼的新型结构,优化了钢卷通道之间的氢气流量比例,第二层对流板流量分配较原型多了11.97%,第三层对流板流量分配较原型多了18.07%,有效地解决了第二层钢卷和第三层钢卷的传热瓶颈问题,顶层通道流量减少了0.4%,其他气流通道的传热也将有所改善。最后,本文运用动网格技术并采用流固耦合传热技术,针对中型尺寸罩式炉进行了流场和温度场的数值模拟,结果表明,沿罩式炉高度方向上保护气体的流速逐渐衰减,并且芯部通道衰减速度比外侧通道快,在对流板处流速存在突变;钢卷边缘处角点的温度上升速度较中间部位快,钢卷外侧的升温速度大于内侧;在加热终了时,第四层钢卷的冷点温度最高为745℃,其余三层钢卷的冷点温度差别不大,第三层钢卷的冷点温度最低为659℃;升温较快的冷点位置为第一层钢卷,由于三面受热,顶层钢卷的升温速度也比较快;对于钢卷上下表面的径向换热来说,第四层钢卷的换热效果>第二层钢卷换热效果>第一层钢卷换热效果>第三层钢卷换热效果;由钢卷外表面的总热流分布可知,沿罩式炉高度方向,钢卷外表面的总热流逐渐增大。