連續(xù)退火爐爐內(nèi)氣氛分析與控制

賀有 趙賽 胡樹森 馬凱

【摘 要】介紹了連續(xù)退火爐爐內(nèi)氣氛的組成及監(jiān)測，說明了爐內(nèi)氣氛主要組成成分，闡述了氫氣含量配比控制和爐內(nèi)正常生產(chǎn)控制以及有害成份控制，分析了有害成分含量升高的主要常見原因，并提供了具體問題的解決措施，在實際生產(chǎn)中，特別適用于特種鋼材的生產(chǎn)操作爐內(nèi)氣氛要求，使得退火爐爐內(nèi)氛圍得到有效控制，保證了帶鋼退火生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，滿足各類帶鋼退火要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】退火爐 爐內(nèi)氣氛 氫氣含量控制

1 前言

邯鋼西區(qū)冷軋廠連續(xù)退火爐由比利時DREVER公司設(shè)計的立式退火爐，按照帶鋼走向和熱處理功能分為預(yù)熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、過時效段和終冷段。爐內(nèi)氛圍為氮氣和氫氣按照一定比例混合構(gòu)成的還原性氣氛，保證帶鋼在爐內(nèi)不被氧化，去除帶鋼表面殘留的氧化物，達(dá)到保證帶鋼表面質(zhì)量的條件要求下進(jìn)行退火。

2 爐內(nèi)氣氛含量的測量

邯鋼西區(qū)冷軋廠連續(xù)退火爐爐內(nèi)氣氛檢測儀按區(qū)段布置共有3臺CAA（爐內(nèi)氛圍分析柜），每臺分析內(nèi)都包含3種分析儀，分別檢測氫氣含量、氧氣含量和露點。氫氣含量使用ABB AO2040氫氣分析儀，采用熱導(dǎo)原理進(jìn)行分析，氧氣含量分析使用Delta F 150氧氣分析儀，采用電化學(xué)原理進(jìn)行分析，露點分析儀采用Vaisla DMT 142露點分析儀。CAA01檢測預(yù)熱段2個區(qū)、加熱段3個區(qū)、均熱段爐內(nèi)氣氛；CAA02檢測緩冷段2個區(qū)、快冷段3個區(qū)、過時效段2個區(qū)爐內(nèi)氣氛；CAA03檢測過時效段2個區(qū)、終冷5個區(qū)爐內(nèi)氣氛。各段特征氣氛含量的測量是利用分析儀巡回掃描的方式進(jìn)行的，一個周期大約45分鐘，通過對爐內(nèi)各段氣體含量的監(jiān)測，控制爐內(nèi)還原氣氛狀況。

3 爐內(nèi)氣氛控制

連續(xù)退火爐爐內(nèi)氣氛是由氮氣和氫氣組成的還原性保護(hù)氣體，為了防止外界空氣進(jìn)入爐內(nèi)，連續(xù)退火爐正常生產(chǎn)時采用微正壓操作。為了保證一定的爐壓需要持續(xù)注入一定比例的保護(hù)氣體和還原性氣體氫氣。爐內(nèi)氣氛對冷軋板退火后的表面質(zhì)量有顯著影響，爐內(nèi)氣氛主要特征參數(shù)是爐內(nèi)氫氣含量、氧含量和露點。為了保證帶鋼表面質(zhì)量，必須對爐內(nèi)氣體有效成分進(jìn)行控制，對有害成分氧氣和水汽含量進(jìn)行抑制。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，在其他條件不變時，增大反應(yīng)物的濃度或減小生成物的濃度，有利于正反應(yīng)的進(jìn)行，正常情況下加熱爐內(nèi)進(jìn)行的主要是氧化鐵的還原反應(yīng)，為了有利于還原反應(yīng)和保證還原性氣氛，應(yīng)對反應(yīng)物氫氣含量控制，并減少水汽和氧氣濃度，才能有利于還原反應(yīng)，抑制氧化反應(yīng)速度。因此，加熱爐設(shè)計了加熱升溫連鎖條件，即加熱段的氧氣含量不低于0.4%的，加熱溫度不能超過250°C并且氮氫混合氣體是不允許注入的；氫氣含量低于1%。加熱溫度不能超過600°C。

3.1 氫氣含量控制

爐內(nèi)氫氣含量控制主要分兩個方面：一是氮氫混合站氫氣含量配比控制；二是爐區(qū)各段氫氣實際含量控制。一般情況下，在氮氫混合站根據(jù)氫氣安全使用條件設(shè)定為5%來配比，氮氫氣體在混合站混合氣體稱為HNx。保護(hù)氣按照氫氣設(shè)定含量在氮氫混合站進(jìn)行配比注入爐內(nèi)，氫氣含量的控制主要是氮氫混合時控制，HNx混合氣體中氫氣含量設(shè)定值由操作工在畫面上給定，配比后HNx混合氣體中氫氣含量由混合站出口安裝的氫氣分析儀進(jìn)行監(jiān)測。圖1給出了混合站的控制原理圖，混合站配比控制主要是由氫氣流量修正控制器和氫氣流量控制器完成。

圖1 混合站配比控制原理圖

氫氣流量控制器的設(shè)定值來自兩個部分，一個是氫氣流量修正值，一個是氫氣流量換算值。氫氣流量修正值是氫氣流量修正控制器輸出經(jīng)過運(yùn)算后得到的；氫氣流量轉(zhuǎn)換值是根據(jù)氫氣含量設(shè)定值和當(dāng)前氮氣流量測量值進(jìn)行換算得到的。爐內(nèi)氫氣含量控制是通過調(diào)節(jié)區(qū)域保護(hù)氣體通入流量來實現(xiàn)的，邯寶連退線按照區(qū)段劃分保護(hù)氣體注入分7個主控制管路，如圖2，在使用氮氫模式時，爐壓控制按照設(shè)定值器選擇各區(qū)段最低壓力作為爐壓實際值進(jìn)行控制來調(diào)節(jié)氮氫混合氣注入流量。各段流量設(shè)定值根據(jù)實際爐室容積、密封性和爐況進(jìn)行設(shè)定，實際爐內(nèi)氫氣含量在保證還原氣氛的基礎(chǔ)上根據(jù)各區(qū)段實際消耗進(jìn)行流量設(shè)定。在頂部放散閥調(diào)節(jié)下保證各段爐腔壓力和還原氣體氛圍及時更新。由于爐內(nèi)還原反應(yīng)消耗一定量的氫氣，氫氣含量通過保護(hù)氣體的注入和放散得到更新，并通過爐壓控制得到再生[1]，使得氫氣含量達(dá)到平衡穩(wěn)定。

圖2 氮氫保護(hù)氣注入

在選擇氮氫模式快冷段氫氣注入時，由于氫氣前后擴(kuò)散，為了保證加熱爐安全使用，氮氫混合氣配比需要減小以保證其他區(qū)段氫氣含量在安全使用范圍。圖3是氮氫混合模式加快冷段氫氣注入氫氣各區(qū)段含量統(tǒng)計分布圖（其中氮氫配比3.5%快冷段氫氣含量設(shè)定15%）。

圖3 邯寶連退線實際生產(chǎn)中氫氣含量分布圖

3.2 氧氣含量的控制

根據(jù)有關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)實際，加熱爐還原區(qū)氣氛氧氣含量一般要求控制在65ppm以下[2]，爐內(nèi)氧氣含量主要與加熱爐的密封性有關(guān)，爐內(nèi)氣氛中的氧多因爐殼焊接質(zhì)量和孔蓋密封不良引入[1]，爐壓過低常常會導(dǎo)致氧含量升高。加熱爐入口處一般安裝有密封輥和使用氮氣密封，減少了帶鋼帶入的空氣。一般情況下，爐內(nèi)氧氣含量升高主要原因是局部負(fù)壓吸入空氣造成的，實際生產(chǎn)中，當(dāng)局部氧含量有升高現(xiàn)象時，應(yīng)按照區(qū)段進(jìn)行檢查和修復(fù)，引起氧含量有升高主要原因如下：

（1）預(yù)熱段入口密封棍密封不嚴(yán)或密封氮氣效果不佳；（2）加熱爐輻射管燒穿，導(dǎo)致加熱段氧氣含量高 圖4為輻射管燒穿（裂）實例。（3）冷卻段循環(huán)風(fēng)機(jī)入口處及相關(guān)管道漏氣，包括軸承，儀表接口，管道與爐壁法蘭處，如果該區(qū)發(fā)現(xiàn)氧氣含量超限，應(yīng)優(yōu)先檢查上述位置處。

圖4

3.3 露點控制

根據(jù)有關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)實際，加熱爐快冷段露點一般要求控制在-35℃以下，均熱段露點一般控制在-25℃以下[2]，露點升高表示水分含量的增加和還原氣氛的破壞，常見原因為爐內(nèi)換熱器漏水造成，另外，由于氧氣含量的升高在爐內(nèi)與氫氣反應(yīng)后形成水也常導(dǎo)致露點升高，在排除氧氣吸入的原因后，常見原因分析如下：

（1）帶鋼清洗段沒有徹底烘干帶入爐內(nèi)，會造成露點升高；（2）循環(huán)冷卻換熱器漏水；（3）加熱段熱凸度循環(huán)管道換熱器漏，會造成加熱段露點高；（4）攝像頭、高溫計水冷套漏水導(dǎo)致露點偏高，圖5 高溫計水冷套漏水與正常狀態(tài)對比圖。（5）爐區(qū)軸承水冷套漏水導(dǎo)致爐內(nèi)氣體水含量增大，造成露點升高；（6）加熱爐輻射管燒穿，導(dǎo)致加熱段露點高。

圖5 高溫計水冷套漏水與正常狀態(tài)對比圖

4 結(jié)語

2013年連退爐區(qū)曾經(jīng)出現(xiàn)軸承水冷套漏水導(dǎo)致爐內(nèi)露點升高，2014年3月14日爐內(nèi)氣氛分析儀CAA01測量顯示露點高，多次發(fā)生這種情況，6月12日最高達(dá)-17度，影響正常生產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)鋼卷出現(xiàn)銹蝕，嚴(yán)重影響連退爐帶鋼退火質(zhì)量。通過爐內(nèi)氣氛變差的原因分析，有針對性增加控制措施，有利于提高加熱爐操作水平，更高效地提高產(chǎn)品質(zhì)量，并制定相應(yīng)的預(yù)防措施和改良措施，為生產(chǎn)高端汽車板提供優(yōu)良的爐內(nèi)氣氛保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)肅，胡八虎.連續(xù)退火爐節(jié)能減排降耗的控制措施[M].軋鋼，2011（04）.

[2] 中華人民共和國黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 連續(xù)熱鍍鋅帶鋼生產(chǎn)線用加熱爐節(jié)能運(yùn)行規(guī)范.YB/T 4259-2012.

作者簡介：賀有（1973—），男，山西大同人，本科，畢業(yè)于武漢科技大學(xué)，冶金機(jī)械工程師，研究方向：帶鋼連續(xù)退火技術(shù)。