退火爐閃冷段高氫控制技術(shù)

許 翔，汪紅兵，侯莉慶

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司工程與設(shè)備管理部，安徽馬鞍山 243000)

引言

馬鋼2130連續(xù)退火生產(chǎn)線是冷軋后處理生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)汽車板及家電板等高附加值產(chǎn)品。該生產(chǎn)線采用了法國斯坦因設(shè)計(jì)立式退火爐，該退火爐是連退線的核心工序，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著汽車用鋼輕量化、及提高碰撞安全性的要求，冷軋高強(qiáng)鋼的開發(fā)與應(yīng)用是當(dāng)前重要的發(fā)展趨勢(shì)。其中連續(xù)退火機(jī)組可以通過提高冷卻速率實(shí)現(xiàn)該工藝路徑。馬鋼2130連續(xù)退火生產(chǎn)線退火爐的閃冷段采用了高氫冷卻技術(shù)，最高氫氣含量達(dá)35%，采用高速氣體噴射冷卻技術(shù)，最高冷卻速率達(dá)100℃/s·mm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶鋼的高速冷卻，在高強(qiáng)鋼DP、TRIP鋼的生產(chǎn)上得到了很好的應(yīng)用。

1 退火爐閃冷段介紹

冷軋帶鋼進(jìn)入退火爐內(nèi)保持一定的速度，經(jīng)過預(yù)熱、加熱、均熱、及緩冷處理后帶鋼溫度一般在690℃，進(jìn)入閃冷段，高氫含量的保護(hù)氣體經(jīng)過3臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)高速噴吹至帶鋼上，一個(gè)道次內(nèi)冷卻至290～300℃，實(shí)現(xiàn)工藝要求，后經(jīng)過過時(shí)效1段、過時(shí)效2段、二次冷卻段、終冷段完成整個(gè)退火工藝。

該閃冷段主要包括入口密封擋板、上行段爐室、下行段爐室、出口密封擋板、三組循環(huán)冷卻風(fēng)機(jī)和冷卻風(fēng)箱安裝在上行段爐室、4根轉(zhuǎn)向輥及9根穩(wěn)定輥組成。高純氫氣通過與氮?dú)獾呐浔戎苯幼⑷胙h(huán)風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)管處。

2 退火爐閃冷段控制技術(shù)

圖1 閃冷段結(jié)構(gòu)圖

出入口密封裝置：入口密封擋板垂直安裝在閃冷段與緩冷段之間，為上下兩組雙密封，間隔1 m，形成密封區(qū)域，擋板閉合后與帶鋼距離不大于10 mm，該密封區(qū)域通過管道與抽排風(fēng)機(jī)相連，經(jīng)過高速風(fēng)機(jī)向高空室外抽排，密封擋板區(qū)域形成局部負(fù)壓區(qū)，實(shí)現(xiàn)閃冷段與緩冷段的隔離，防止高氫氣體流入其他爐室，出口密封擋板垂直安裝在閃冷段與過時(shí)效1段之間，其結(jié)構(gòu)與入口密封擋板相同，出入口密封擋板只允許在低氫模式打開。當(dāng)閃冷段與緩冷及過時(shí)效段通道氫氣含量大于8%時(shí)，該區(qū)域未能實(shí)現(xiàn)有效的密封隔離，氫氣向其他爐室擴(kuò)散，啟動(dòng)反吹掃程序，在通道區(qū)域注入大流量氮?dú)?，直至氫氣含量小?%。該密封方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但由于與帶鋼距離小，帶鋼自身板型及高速噴吹冷卻過程的抖動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一定的劃傷，雖然密封擋板前端材料有改進(jìn)，采用石棉密封條，但該部分的劃傷還是時(shí)有發(fā)生，目前新建該類生產(chǎn)線推薦采用4輥密封輥結(jié)構(gòu)。退火爐入口密封為高氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2輥密封加鎖緊裝置。

高氫含量控制：氫氣含量設(shè)定大于6%即為高氫模式，最高氫氣含量設(shè)定35%，高氫注入分快速與慢速控制模式，hmi可以手動(dòng)選擇，快速模式為全氫注入切斷氮?dú)?，氫氣流量最?20 m3/h，達(dá)到目標(biāo)氫氣含量時(shí)切換回慢速模式；慢速為按照設(shè)定氫含量通過配比氮?dú)饬孔⑷?，以上均按照設(shè)定氫含量與閃冷段爐內(nèi)檢測(cè)最大實(shí)際氫含量閉環(huán)控制。退出高氫模式同樣分為快速與慢速控制，快速為全氮?dú)庾⑷肭袛鄽錃獾獨(dú)饬髁孔畲?50 m3/h，慢速為按照設(shè)定氫含量配比氮?dú)饬孔⑷搿?/p>

爐壓控制：閃冷段頂部抽排風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)電機(jī)為11 kW2900 r/min高速電機(jī)，依據(jù)爐壓控制器，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)抽排風(fēng)量，保證閃冷段爐壓略低于鄰近爐室爐壓，該風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是高氫投用的必要條件，只有轉(zhuǎn)入低氫模式才可以停止。終冷段抽排風(fēng)機(jī)閥門開度設(shè)定最小35%，減少氣體向低溫段流動(dòng)。主要通過爐頂放散閥開度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，該頂部放散閥由切斷閥與調(diào)節(jié)閥組成，由爐壓控制器調(diào)節(jié)，高氫放散時(shí)需摻入一定量的氮?dú)庀♂寶錃夂颗欧拧?/p>

安全聯(lián)鎖：由于該段為高氫區(qū)域，所有電氣設(shè)計(jì)按歐洲zone2防爆標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，安全要求極高，連鎖條件多，循環(huán)冷卻風(fēng)機(jī)軸封氫氣泄漏量、爐內(nèi)氧含量、風(fēng)管氧含量、事故氮壓力均不能超標(biāo)，各類控制閥門狀態(tài)正常，爐頂抽排風(fēng)機(jī)工作正常，氮?dú)鈮毫φ?，密封擋板位置正常，控制系統(tǒng)正常，電源系統(tǒng)正常，儀表用氣正常，一旦出現(xiàn)異常將自動(dòng)觸發(fā)爐內(nèi)安全吹掃，快速切斷氫氣供應(yīng)，大流量氮?dú)獯祾撸敝翣t內(nèi)氫氣含量小于1%。安全吹掃模式也可以通過人工啟動(dòng)，該模式啟動(dòng)后，人工無法干預(yù)停止,直至爐內(nèi)氫氣含量小于1%才可以停止。

泄漏密封測(cè)試：由于氫氣的滲透性強(qiáng)，該區(qū)域安全性要求高，閃冷段一般2年大修時(shí)，對(duì)該爐室出入口通過盲板密封，各類對(duì)外連接管道用盲板密封，做整個(gè)爐室的氣密性測(cè)試，加入壓縮空氣正壓4000 Pa，經(jīng)過8 h保壓大于150 Pa合格，測(cè)試期間檢測(cè)各類焊縫及連接件泄漏情況。

循環(huán)風(fēng)機(jī)冷卻控制模型：該風(fēng)機(jī)抽入爐內(nèi)熱氮?dú)浔Ｗo(hù)氣體經(jīng)過水冷換熱器冷卻至40℃再噴吹至帶鋼上，實(shí)現(xiàn)閃冷段爐內(nèi)保護(hù)氣體循環(huán)，冷卻速率主要由3臺(tái)1200 kW變頻風(fēng)機(jī)分段控制，電機(jī)升速、降速斜坡時(shí)間大于30 s，最小轉(zhuǎn)速10%，每臺(tái)風(fēng)箱分上下兩部分組成，可以分別通過擋板控制，每臺(tái)風(fēng)機(jī)管路設(shè)置了旁通管路，以帶鋼溫度為控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。采用最大轉(zhuǎn)矩限幅控制，最小功率限幅控制。

計(jì)算出的最小功率設(shè)定值：

式中，PU2——計(jì)算功率；

N——最大風(fēng)速：1700 r/min；最小風(fēng)速：170 r/min/；

N1——實(shí)際的風(fēng)速（設(shè)定速度）；

QTot.——所有循環(huán)氣流量，包括旁路氣流量；

ΔP1——風(fēng)機(jī)輸入/輸出壓力差；

Pmin.——最小壓力，基于最大的吹風(fēng)速度含35%H2的 N2、H2混合氣體；

Pmin.SP——計(jì)算出的最小功率設(shè)定值，基于實(shí)際的風(fēng)速，實(shí)際的N2、H2混合氣體密度，N2密度1.250 kg/m3，H2密度 0.089 kg/m3；

ρ2——當(dāng)前循環(huán)N2、H2混合氣體密度；

ρ3——含35%H2的N2、H2混合氣體的密度0.843 kg/m3。

風(fēng)箱調(diào)整：通過移動(dòng)風(fēng)箱調(diào)節(jié)帶鋼與風(fēng)箱距離，調(diào)整帶鋼冷卻效果，60～200 mm通過編碼器可調(diào)，風(fēng)箱邊部手動(dòng)可以調(diào)節(jié)風(fēng)量，防止冷卻不均在寬帶鋼產(chǎn)生浪形及冷瓢曲，在寬帶鋼一次調(diào)節(jié)定位，一般不需要調(diào)節(jié)，該風(fēng)箱與帶鋼距離需要定期標(biāo)定，對(duì)帶鋼抖動(dòng)有重要影響。

穩(wěn)定輥調(diào)整：通過移動(dòng)穩(wěn)定輥調(diào)節(jié)穩(wěn)定輥與帶鋼的距離，0～100 mm范圍通過編碼器可調(diào)，由于閃冷段密封擋板與帶鋼距離小實(shí)際生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生劃傷，可以依據(jù)劃傷產(chǎn)生的部位調(diào)整相應(yīng)穩(wěn)定輥的位置，調(diào)整帶鋼偏移位置，防止帶鋼劃傷。

事故氮系統(tǒng)：為了保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，針對(duì)高氫的投運(yùn)安裝了氮?dú)馐鹿是蚬尴到y(tǒng)，該球罐氮?dú)夤?yīng)氣源與爐內(nèi)非同一路，防止在高氫生產(chǎn)過程中，正常氮?dú)夤?yīng)發(fā)生故障，事故球罐通過單向閥壓差自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)退火爐的安全吹掃，迅速降低爐內(nèi)氫氣含量，保證生產(chǎn)安全，該氮?dú)馇蚬迌?chǔ)氣量以退火爐一次高氫安全吹掃量計(jì)算。

分析儀表系統(tǒng)：閃冷段上行、下行段各有氫氣、氧氣含量檢測(cè)，是用來確定爐內(nèi)高氫及氧氣含量；3臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)主引風(fēng)管及爐室內(nèi)均有氧氣含量檢測(cè)；爐頂安裝了露點(diǎn)檢測(cè)裝置，3臺(tái)風(fēng)機(jī)前后軸封裝有氫氣含量泄漏檢測(cè)裝置；該區(qū)域儀表均參與了系統(tǒng)連鎖控制。上行出口安裝輻射高溫計(jì)測(cè)量最終帶鋼溫度，下行段安裝5點(diǎn)掃描光學(xué)高溫計(jì)，用來反映爐內(nèi)帶鋼橫向冷卻均勻性。

爐內(nèi)工業(yè)電視系統(tǒng)，監(jiān)控爐內(nèi)帶鋼在高速氣體冷卻狀態(tài)下，帶鋼的抖動(dòng)情況。

3 存在問題及對(duì)策

該系統(tǒng)投運(yùn)過程中，發(fā)生過以下問題：

安全聯(lián)鎖觸發(fā)安全吹掃，主要原因有快冷風(fēng)機(jī)軸承密封處檢測(cè)到氫氣含量超1000×10-6，局部有氫氣泄漏，更換該軸承密封后正常。該處密封為檢修重要檢查項(xiàng)。

快冷出入口密封擋板距離過大，造成快冷段與其他爐室密封隔離效果差，通道處氫氣含量超8%，觸發(fā)反吹掃程序，無法正常生產(chǎn)。調(diào)節(jié)穩(wěn)定輥偏移位置，調(diào)整出入口密封擋板位置，調(diào)節(jié)快冷段抽排風(fēng)量，控制快冷段局部爐壓與其他爐室壓力平衡，得以正常生產(chǎn)，定期在停爐大修期間，更換該出入口擋板密封條，重新標(biāo)定密封擋板與帶鋼中心線距離。

快冷段氫氣含量達(dá)不到最大設(shè)定值35%，主要原因有密封擋板間隙過大，造成氫氣向其他爐室外泄，整體爐室有泄漏，各類氮?dú)饷芊饬窟^大。主要對(duì)策對(duì)閃冷段按2年大修周期，對(duì)該爐室進(jìn)行氣密性測(cè)試，對(duì)各類泄漏點(diǎn)消缺處理。

此外分析儀表類故障影響到該系統(tǒng)的正常運(yùn)行，尤其在極端氣候條件下，分析儀的工況不穩(wěn)定，分析儀管路局部密封不好直接影響儀表檢測(cè)，該類儀表的升級(jí)更新是后期重要工作。

4 結(jié)語

該高氫系統(tǒng)自投運(yùn)以來，經(jīng)過摸索與優(yōu)化改進(jìn)，工作狀況正常，是目前馬鋼高強(qiáng)鋼生產(chǎn)的重要保證，該生產(chǎn)線目前月均生產(chǎn)高強(qiáng)鋼達(dá)1萬余t，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足了生產(chǎn)需求。