冷軋全氫罩式爐退火工藝優(yōu)化實(shí)踐

朱大軍

（攀枝花鋼釩有限公司冷軋廠罩平作業(yè)區(qū)，四川 攀枝花617000）

1 引言

采用全氫罩式爐退火可以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的冷軋板，清除鋼板表面的積碳，改善鋼板表面質(zhì)量。目前冷軋廠全氫罩式爐執(zhí)行的工藝曲線是通過退火實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)制定。隨著設(shè)備升級(jí)改造、原料條件的變化及用戶使用要求的提升、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，現(xiàn)執(zhí)行的工藝曲線已經(jīng)不能完全適應(yīng)生產(chǎn)、質(zhì)量、成本的要求。存在退火鋼卷性能波動(dòng)大，退火時(shí)間長(zhǎng)，爐臺(tái)小時(shí)產(chǎn)量低，能源介質(zhì)消耗高，出爐溫度不準(zhǔn)確等情況。通過建立與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件相匹配的仿真平臺(tái)，對(duì)全氫罩式爐工藝進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)全氫罩式爐工藝的精確控制，提升冷軋產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 全氫罩式退火過程

2．1 全氫罩式爐工藝過程簡(jiǎn)介

全氫罩式爐工藝過程主要由裝爐、密封測(cè)試、氮?dú)獯祾摺⒓訜?、冷卻、出爐等過程組成。根據(jù)全氫罩式爐內(nèi)的傳熱情況，整個(gè)退火過程可分為加熱、保溫和冷卻過程。加熱過程從對(duì)燒咀點(diǎn)火開始，到保護(hù)氣體溫度達(dá)到規(guī)定的工藝溫度結(jié)束。保溫過程從加熱過程結(jié)束開始，在規(guī)定的工藝溫度下對(duì)鋼卷進(jìn)行保溫，直到同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件時(shí)結(jié)束：①保溫達(dá)到工藝所需的時(shí)間；②鋼卷冷、熱點(diǎn)溫差滿足要求。冷卻過程由帶加熱罩緩冷、輻射冷卻（空冷）、風(fēng)冷和噴淋冷卻四個(gè)子過程組成。當(dāng)鋼卷冷卻到所需的出爐溫度時(shí)，完成整個(gè)退火過程。不同的鋼種有不同的退火工藝曲線。

在全氫罩式退火爐實(shí)際操作過程中，首先根據(jù)鋼種在退火曲線表中選擇退火曲線，再根據(jù)板寬、卷重等指標(biāo)得出退火時(shí)間。一般為加熱、保溫和冷卻時(shí)間等。

3 建立全氫罩式爐數(shù)字化仿真平臺(tái)

3．1 全氫罩式爐退火傳熱過程

全氫罩式爐退火過程中，加熱和冷卻階段的主要傳熱形式如圖1［1］所示。

圖1 全氫罩式爐退火過程傳熱示意圖

加熱過程中的傳熱：加熱空間燃燒產(chǎn)生的高溫氣體與加熱罩、內(nèi)罩的對(duì)流、輻射傳熱；加熱罩、內(nèi)罩間的輻射傳熱；加熱罩本身導(dǎo)熱及其表面散熱。

冷卻過程的傳熱：流動(dòng)空氣與冷卻罩、內(nèi)罩的對(duì)流換熱；冷卻罩、內(nèi)罩間的輻射換熱；內(nèi)罩與噴淋冷卻水的換熱；冷卻罩外表面散熱。

在加熱和冷卻階段都存在的換熱形式：爐內(nèi)氣體與鋼卷、內(nèi)罩的對(duì)流換熱；內(nèi)罩與鋼卷的輻射換熱；爐內(nèi)氣體與對(duì)流板的對(duì)流換熱；對(duì)流板內(nèi)部導(dǎo)熱；鋼卷內(nèi)部傳熱；鋼卷上下表面與對(duì)流板的輻射換熱。

3．2 全氫罩式爐溫度場(chǎng)耦合體系

通過全氫罩式爐退火過程傳熱的分析，說明全氫罩式爐退火過程是一個(gè)多因素耦合的傳熱過程。如圖2所示的全氫罩式爐溫度場(chǎng)耦合體系。

根據(jù)圖2全氫罩式爐溫度場(chǎng)耦合體系邏輯圖，可知全氫罩式爐工作過程中的幾個(gè)溫度場(chǎng)分別是：鋼卷的溫度場(chǎng)、保護(hù)氣體溫度場(chǎng)和流場(chǎng)、內(nèi)罩溫度場(chǎng)、爐膛空間（加熱空間）溫度場(chǎng)和流場(chǎng)、冷卻介質(zhì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)、加熱罩溫度場(chǎng)和冷卻罩溫度場(chǎng)，其中鋼卷溫度場(chǎng)是全氫爐退火過程的核心［2］。因此，分別建立全氫罩式爐工作過程中加熱罩溫度計(jì)算模型、爐氣的溫度計(jì)算模型、內(nèi)罩內(nèi)保護(hù)氣體溫度計(jì)算模型、內(nèi)罩溫度計(jì)算模型、鋼卷溫度計(jì)算模型，作為設(shè)計(jì)全氫罩式爐退火過程鋼卷溫度場(chǎng)離線預(yù)測(cè)程序的基礎(chǔ)。然后利用基于．net平臺(tái)的C#語言和．xml文件編制完成全氫罩式爐數(shù)字化仿真平臺(tái)。

全氫罩式爐數(shù)字化仿真平臺(tái)可根據(jù)已知的各個(gè)退火工藝階段的時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算獲得鋼卷溫度場(chǎng)在整個(gè)退火過程中的變化?；蚋鶕?jù)鋼卷退火工藝要求的溫度，計(jì)算得到各個(gè)階段鋼卷所需的退火工藝時(shí)間。程序計(jì)算結(jié)束后，可顯示計(jì)算出的溫度場(chǎng)結(jié)果圖形，如圖3所示。

圖2 全氫罩式爐溫度場(chǎng)耦合體系邏輯圖

圖3 計(jì)算溫度場(chǎng)結(jié)果顯示

3．3 實(shí)測(cè)全氫罩式爐鋼卷溫度

根據(jù)全氫罩式爐爐內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分析，通常帶鋼熱點(diǎn)在一個(gè)鋼卷的上邊緣，冷點(diǎn)在一個(gè)鋼卷的板寬方向的二分之一處，卷取高度（從內(nèi)徑向外）三分之一處［3］。根據(jù)這個(gè)溫度分布規(guī)律，我們將測(cè)試熱電偶，按圖4進(jìn)行了布置。

圖4 測(cè)試熱電偶布置圖

為了把熱電偶放到理論的熱點(diǎn)與冷點(diǎn)，在帶鋼卷取的過程中，在放熱電偶的鋼卷層之間預(yù)先卷入與熱電偶直徑相當(dāng)?shù)牟迤?，形成一定的間隙便于插入熱電偶。以DQ級(jí)鋼為例，選取5個(gè)同規(guī)格鋼卷組垛裝爐進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖5。

圖5 DQ級(jí)鋼測(cè)量溫度曲線

3．4 數(shù)字化仿真平臺(tái)優(yōu)化

為了使仿真平臺(tái)程序模擬計(jì)算鋼卷溫度更加準(zhǔn)確，將多爐退火實(shí)測(cè)的時(shí)間作為程序計(jì)算的初始條件，計(jì)算出爐內(nèi)鋼卷卷芯及邊部溫度。將計(jì)算出的溫度與各爐插片實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)數(shù)值模型中一些重要參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修正，使仿真平臺(tái)程序數(shù)值計(jì)算結(jié)果與插片實(shí)測(cè)結(jié)果盡量一致。然后再用另外爐臺(tái)的插片實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)仿真平臺(tái)程序計(jì)算的準(zhǔn)確性。以下是10#爐（DQ料）插片實(shí)測(cè)對(duì)比情況，具體參數(shù)見表1、表2、表3。

表1 升溫階段結(jié)束時(shí)鋼卷中溫度仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比（℃）

表2 保溫階段結(jié)束時(shí)鋼卷中溫度仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比（℃）

表3 冷卻階段結(jié)束時(shí)鋼卷中溫度仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比（℃）

根據(jù)對(duì)比可知，此仿真平臺(tái)所計(jì)算得到的鋼卷各處溫度與插片實(shí)測(cè)溫度相差不超過10℃，誤差在4%以內(nèi)，精確度好于很多未經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)插片修正的仿真軟件，完全可用于優(yōu)化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝。

4 退火工藝的優(yōu)化

用仿真平臺(tái)程序模擬計(jì)算一爐DQ級(jí)鋼（爐臺(tái)、鋼卷參數(shù)略）的數(shù)據(jù)，截取保溫結(jié)束前2h、壓緊電偶到140℃前2h、鋼卷最冷點(diǎn)（4）到150℃前2h的數(shù)據(jù)如表4、表5、表6。

表4 DQ級(jí)鋼保溫結(jié)束前2h的記錄數(shù)據(jù)

表5 DQ級(jí)鋼在后期噴淋冷卻過程中，壓緊電偶到140℃前2h的記錄數(shù)據(jù)

表6 DQ級(jí)鋼在后期噴淋冷卻過程中，鋼卷最冷點(diǎn)（4）到150℃前2h的記錄數(shù)據(jù)

4．1 加熱制度的優(yōu)化

4．1．1 加熱速度優(yōu)化

因帶鋼從400℃加熱到保溫溫度723℃以下期間，正是再結(jié)晶形成階段，帶鋼的性能和表面質(zhì)量都有相當(dāng)大的影響，因而在這個(gè)溫度區(qū)間加熱速度必須予以控制［5］。通過仿真平臺(tái)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，冷軋全氫罩式爐易粘結(jié)的鋼種加熱較快，達(dá)60℃／h以上。用仿真平臺(tái)對(duì)加熱速度進(jìn)行優(yōu)化后，根據(jù)鋼種規(guī)定升溫速度為20℃／h～50℃／h（具體加熱工藝略），新工藝執(zhí)行后降低了粘結(jié)缺陷。

4．1．2 保溫時(shí)間優(yōu)化

很多冷軋薄板生產(chǎn)廠和研究單位對(duì)爐內(nèi)溫度的分布與控制電偶（CT）和爐臺(tái)壓緊電偶（BT）溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出了不同沖壓級(jí)別冷軋板退火工藝所允許的CT和BT溫差（△T）的要求［4］，見表7。

通過DQ級(jí)鋼保溫結(jié)束前2h的記錄數(shù)據(jù)（表4），我們看到在后期的保溫過程中，爐內(nèi)壓緊溫度上升很慢，到離保溫結(jié)束2h的時(shí)間段里幾乎沒有什么變化，而帶鋼邊部的溫度都趨于爐氣溫度，爐氣溫度與壓緊溫度的溫差已經(jīng)小于40℃，由此判定鋼卷加熱保溫可以結(jié)束。因此，根據(jù)仿真計(jì)算在罩式退火爐退火過程中各點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，說明原有的退火曲線有優(yōu)化的余地，于是在生產(chǎn)過程中進(jìn)行了退火曲線的優(yōu)化：將原來保溫階段時(shí)間縮短2h。優(yōu)化前后性能對(duì)比如表8。

表7 不同鋼種對(duì)△T的要求

表8 DQ鋼種優(yōu)化前后性能對(duì)比

從表8可以看出，保溫時(shí)間減少2h的工藝制度，完全能滿足產(chǎn)品的性能要求。實(shí)行新工藝后提高了爐臺(tái)小時(shí)產(chǎn)量。

4．2 冷卻制度的優(yōu)化

全氫罩式爐退火過程中，在降溫階段，鋼卷外圈與中部溫差加大，鋼卷的外層因冷縮與尚未降溫的內(nèi)層形成抱緊狀態(tài)，因帶鋼經(jīng)再結(jié)晶后屈服極限大幅降低，在卷芯溫度由峰值降至600℃過程中，帶鋼層間在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，使層間緊密接觸面積顯著增大［6］。鋼卷中部處于高溫高壓下，極易產(chǎn)生粘結(jié)。因此對(duì)不同規(guī)格的帶鋼，應(yīng)采用不同的帶罩冷卻時(shí)間，減緩高溫冷卻速度，避免高溫冷卻時(shí)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，以減少粘結(jié)缺陷。

通過仿真平臺(tái)程序模擬計(jì)算，在保溫結(jié)束后，用加熱罩緩慢冷卻，此時(shí)冷空氣通過燒咀吹到爐內(nèi)，能維持確定的緩慢冷卻速度。針對(duì)易粘結(jié)的鋼種或規(guī)格，采用帶加熱罩緩冷2h－6h，在實(shí)際退火過程中，鋼卷粘結(jié)缺陷得以有效控制。

4．3 出爐溫度優(yōu)化

出爐溫度的確定：以帶鋼出爐后與空氣接觸不發(fā)生氧化為依據(jù)，帶鋼的氧化溫度為160℃［7］?？紤]到鋼卷內(nèi)外溫差、爐臺(tái)利用率和確保表面質(zhì)量，出爐溫度應(yīng)當(dāng)以≤150℃為宜。通過表5、表6數(shù)據(jù)我們可以看到，現(xiàn)行冷卻制度中的出爐溫度（壓緊140℃）過高，壓緊溫度140℃時(shí)，爐內(nèi)第二卷溫度的冷點(diǎn)溫度為198℃。只有在壓緊電偶達(dá)到110℃的時(shí)候，第2卷帶鋼的冷點(diǎn)溫度為150℃，已經(jīng)達(dá)到出爐時(shí)不被氧化的溫度點(diǎn)150℃，而處于帶鋼邊部的溫度都在100℃左右，可以得出在壓緊電偶達(dá)到110℃的時(shí)候，帶鋼冷卻可以結(jié)束。所以要考慮確保表面質(zhì)量，出爐溫度修正為壓緊110℃較為合理。實(shí)行新的出爐溫度后減少了氧化色缺陷。

5 結(jié)論

利用仿真平臺(tái)軟件對(duì)現(xiàn)行全氫罩式爐退火工藝的加熱制度、冷卻制度、出爐溫度進(jìn)行優(yōu)化后：

（1）提高了全氫罩式爐的爐臺(tái)小時(shí)產(chǎn)量，月增產(chǎn)1 500t以上；

（2）降低了全氫罩式爐的能耗，電耗降低1．09%，煤氣消耗降低2．10%；

（3）減少了罩式爐機(jī)組粘結(jié)、氧化色缺陷的產(chǎn)生，產(chǎn)品一組品率提高了15．50%。

［1］林林，等．全氫罩式退火爐退火熱過程的研究（I）［J］．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，（2）．

［2］高偉．全氫罩式爐退火過程鋼卷溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合研究 ［D］．華中科技大學(xué)，2008．

［3］趙愛偉．減少冷軋卷粘結(jié)缺陷的實(shí)踐［J］．新疆鋼鐵，2011（2）．

［4］陳云譯．全氫罩式爐退火工藝的最佳控制［J］．國(guó)外鋼鐵釩鈦，1996．

［5］張景進(jìn)．板帶冷軋生產(chǎn)［M］．北京：冶金工業(yè)出版社．2006．

［6］王曉宇，等．冷軋帶鋼退火粘結(jié)缺陷的研究［J］．鞍鋼技術(shù)，2001（6）．

［7］王建平，等．實(shí)測(cè)全氫罩式爐料溫優(yōu)化退火曲線［J］．應(yīng)用能源技術(shù)，2010（2）．