冷軋立式連續(xù)退火爐的探討與分析

新余鋼鐵股份有限公司 陳 軍 伏小燕 李 清

1.前言

新鋼公司1550冷軋薄板工程于2007年籌備建設(shè)，總投資22億元，是江西省單項(xiàng)投資最大、工藝裝備最復(fù)雜、技術(shù)含量最高的工程項(xiàng)目。該工程年設(shè)計(jì)能力120萬(wàn)噸，產(chǎn)品厚度0.2-2mm，寬度700-1430mm，擁有一條酸軋聯(lián)合機(jī)組、一條連續(xù)退火機(jī)組、一條重卷機(jī)組、一條包裝包裝機(jī)組及輔助設(shè)施。產(chǎn)品定位以中高檔汽車(chē)結(jié)構(gòu)板、家電板和建筑板為主，最高強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到780Mpa。該工程于2011年8月全面建成投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)一年多的生產(chǎn)，連續(xù)退火機(jī)組也逐漸達(dá)成達(dá)標(biāo)。連續(xù)退火機(jī)組集帶鋼的清洗、退火、平整、精整等工藝一體，具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品品種多樣化、產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低等許多優(yōu)勢(shì)，連退技術(shù)最核心的技術(shù)裝備為立式連續(xù)退火爐，它在冷軋上得到廣泛的應(yīng)用。

2.冷軋過(guò)程的實(shí)質(zhì)

冷軋工程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)加工硬化的過(guò)程，即金屬材料在冷塑性變形后所發(fā)生的強(qiáng)度和硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。冷軋不經(jīng)加熱的室溫狀態(tài)鋼，經(jīng)過(guò)軋制壓力加工，便產(chǎn)生不能自行恢復(fù)原形和尺寸的變化，即在軋制過(guò)程中，各個(gè)晶粒順著軋制方向伸長(zhǎng)、壓扁、破碎，形成纖維狀。同時(shí)在晶粒內(nèi)部將出現(xiàn)一些相互平行的滑移。

經(jīng)過(guò)冷軋出來(lái)的成品冷軋卷一般不作為商品卷出售，其硬度、強(qiáng)度較高，塑性、韌性低，利用價(jià)值不高，使用范圍窄。在經(jīng)過(guò)退火工藝處理后，可改善其組織性能，降低硬度，提高塑性，方可作為商品卷出售。

3.連續(xù)退火機(jī)理

鋼帶經(jīng)過(guò)冷軋變形后，金屬內(nèi)部組織產(chǎn)生晶粒拉長(zhǎng)、晶粒破碎和晶粒缺大量存在位錯(cuò)現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬內(nèi)部自由能升高，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且有自發(fā)恢復(fù)到比較完整、規(guī)則和自由能低的穩(wěn)定平衡狀態(tài)的趨勢(shì)。將其加熱到再結(jié)晶溫度以上，Ac1以下，使原子獲得足夠的擴(kuò)散功能，消除晶格畸變，經(jīng)保溫后冷卻，使組織和性能發(fā)生變化。

即：在結(jié)晶退火。

如圖1所示，加工硬化金屬材料在加熱時(shí)組織和性能的變化隨著加熱溫度的升高，組織和性能的變化經(jīng)過(guò)三個(gè)階段，即回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大。

4.連退爐的發(fā)展與爐型的比較

自從20世紀(jì)70年代初日本新日鐵公司成功地開(kāi)發(fā)出CAPL以來(lái)，全世界鋼鐵對(duì)連續(xù)退火爐及退火工藝給于極大的關(guān)注，并迅速開(kāi)發(fā)了適應(yīng)各種產(chǎn)品要求的新工藝技術(shù)裝備。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界已建設(shè)60余條連續(xù)退火線(xiàn)，其中連續(xù)退火爐成為冷軋退火工藝發(fā)展主流。用連續(xù)退火爐既可以生產(chǎn)普通級(jí)別的沖壓成形冷軋薄板、深沖板、超深沖板，也可以生產(chǎn)烤漆硬化鋼、硬質(zhì)與軟質(zhì)的鍍錫原板、微合金鋼、雙相鋼等高強(qiáng)和超高強(qiáng)冷軋板。

連退爐爐型發(fā)展主要有臥式爐和立式爐兩種。而爐型的選擇與比較要從機(jī)組產(chǎn)量、產(chǎn)品品種、鋼板規(guī)格、建設(shè)場(chǎng)地、投資、操作、發(fā)展趨勢(shì)等各方面進(jìn)行綜合考慮，選擇性?xún)r(jià)比高的爐型以適合機(jī)組的生產(chǎn)要求。

對(duì)于生產(chǎn)低端產(chǎn)品、年產(chǎn)量低于30萬(wàn)噸、鋼板規(guī)格偏厚、產(chǎn)品質(zhì)量要求不高的機(jī)組一般選用臥式爐。臥式爐對(duì)機(jī)組長(zhǎng)度將會(huì)增長(zhǎng)，鋼帶在爐內(nèi)的板形控制、跑偏控制均很困難。而立式爐用于速度高、年產(chǎn)量在30萬(wàn)噸以上、規(guī)格薄、產(chǎn)品質(zhì)量高的機(jī)組上，鋼帶在立式爐內(nèi)通過(guò)轉(zhuǎn)向輥輸送，并纏繞在轉(zhuǎn)向輥上，可以改善鋼帶的表面質(zhì)量，防止鋼帶在加熱過(guò)程中熱變形。基于新鋼冷軋連續(xù)退火機(jī)組生產(chǎn)規(guī)模、投資、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品規(guī)格的定位較高，經(jīng)綜合分析，其選擇立式爐爐型。

5.連退爐的關(guān)鍵技術(shù)

連續(xù)退火爐由爐子機(jī)械、介質(zhì)系統(tǒng)、隔熱材料等組成。爐段可分為：預(yù)熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、過(guò)時(shí)效段、終冷段和水淬。其常采用的關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)鋼帶加熱及冷卻技術(shù)

預(yù)熱段利用加熱段均熱段排出的廢氣中的熱量將鋼帶預(yù)熱，可以充分利用煙氣余熱達(dá)到節(jié)能目的，降低燃?xì)庀?，減少加熱段第一根導(dǎo)向輥所受的熱沖擊。預(yù)熱段采用保護(hù)氣體循環(huán)噴吹預(yù)熱鋼帶，從而保證帶鋼表面的清潔，可以在無(wú)任何氧化危險(xiǎn)的條件下預(yù)熱帶鋼，即使在停爐時(shí)也不必?fù)?dān)心帶鋼被氧化。

加熱段均熱段采用交替布置的B型、U型或W型輻射管加熱，既保證帶鋼表面無(wú)氧化物，又可以加熱平穩(wěn)控制爐溫，避免帶鋼在停爐或產(chǎn)品轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生影響。輻射管燒嘴采用抽鼓式低Nox燒嘴，與空氣熱交換器預(yù)熱助燃空氣、比例調(diào)節(jié)燃燒方式。

冷卻方式的選擇取決于冷卻速度的大小。冷卻技術(shù)有氣體噴射冷卻、氣—水加速冷卻、水淬冷卻、輥式冷卻及高速氣體噴射冷卻。緩冷段選擇冷卻速度為5~30℃/s的氣體噴射冷卻，生產(chǎn)的產(chǎn)品品種多，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定。在快冷段選擇輥式冷卻，其冷卻速度可達(dá)100~400℃/s，可以生產(chǎn)深沖板和高強(qiáng)度鋼。

(2)爐輥熱凸度控制技術(shù)

爐輥輥型單錐、雙錐度優(yōu)化設(shè)計(jì)能保證帶鋼可以自行對(duì)中，也可以減少熱瓢曲的產(chǎn)生。在加熱段內(nèi)帶鋼與輻射管溫度有很大溫差，爐輥兩端被輻射管輻射加熱，而爐輥中央被相對(duì)溫度較低的帶鋼冷卻，這樣爐輥產(chǎn)生凸度，導(dǎo)致帶鋼跑偏和斷帶。要充分考慮帶鋼尺寸和帶鋼溫度后設(shè)計(jì)爐輥初始凸度，同時(shí)為了減少輻射管的熱輻射影響，在加熱段頂輥下部與頂輥之間以及底輥上部各設(shè)置有隔熱板。

在冷卻段冷的保護(hù)氣體易進(jìn)入頂輥和底輥通道，減少保護(hù)氣體溫度。頂輥和底輥中央被帶鋼加熱，頂輥和底輥兩側(cè)被冷保護(hù)氣體冷卻，使?fàn)t輥產(chǎn)生正凸度導(dǎo)致帶鋼瓢曲。通常在頂輥和底輥通道設(shè)置相關(guān)設(shè)備阻止冷保護(hù)氣體進(jìn)入輥室，同時(shí)設(shè)有電加熱器維護(hù)該區(qū)域正常爐溫。

圖1 連續(xù)退火機(jī)理

(3)帶鋼穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)

在爐內(nèi)合理設(shè)置糾偏輥，配合輥型產(chǎn)生良好的帶鋼運(yùn)行控制，且在爐內(nèi)有的配置有熱張緊輥，實(shí)現(xiàn)熱區(qū)和冷區(qū)分段張力控制，保證穩(wěn)定通板的同時(shí)，防止帶鋼熱瓢曲。在爐子各段設(shè)置張力測(cè)量輥，保證高精度張力控制，對(duì)爐輥凸度其表面粗糙度采用優(yōu)化技術(shù)，避免帶鋼在爐內(nèi)跑偏和瓢曲，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行和良好板形的作用。同時(shí)爐子分成各獨(dú)立的爐室，每個(gè)爐室頂部裝有工業(yè)電視，操作人員可以觀察帶鋼在爐內(nèi)的運(yùn)行及跑偏情況，根據(jù)觀察結(jié)果及時(shí)調(diào)整。

(4)節(jié)能技術(shù)

在輻射管段燃燒廢氣的熱能利用上，將三級(jí)使用廢氣的熱能直接利用到連退爐上：輻射管燒嘴將助燃空氣預(yù)熱至~400℃左右；其煙氣經(jīng)過(guò)與預(yù)熱段的煙氣/保護(hù)氣換熱器內(nèi)的保護(hù)氣的熱交換，加熱要噴吹到帶鋼上的保護(hù)氣；其煙氣經(jīng)過(guò)余熱回收系統(tǒng)的煙氣/過(guò)熱水交換器內(nèi)的過(guò)熱水的熱交換，可用于機(jī)組清洗段堿液加熱。

6.結(jié)束語(yǔ)

新鋼冷軋連退爐配置有國(guó)際上先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，擁有許多優(yōu)點(diǎn)，但其同樣兼用冷軋連退爐的不足，需要在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中不斷的完善和發(fā)展。

(1)技術(shù)復(fù)雜，連續(xù)化生產(chǎn)難度大，一次投資費(fèi)用較高，要求生產(chǎn)人員素質(zhì)高。在冷軋生產(chǎn)技術(shù)力量薄弱的企業(yè)建設(shè)連退爐，相對(duì)達(dá)產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。

(2)生產(chǎn)厚規(guī)格產(chǎn)品有困難。盡管連退爐發(fā)展迅速，但還不能完全取代罩式爐，在生產(chǎn)厚度大于2mm的帶鋼較困難。

(3)生產(chǎn)規(guī)模范圍不宜太寬，規(guī)格變化靈活性較差。

[1]傅作金.冷軋薄鋼板生產(chǎn)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

[2]金屬材料學(xué)[M].