楔形高溫計(jì)在冷軋立式連續(xù)退火爐中的應(yīng)用

供稿|關(guān)淑巧，劉春雨，李山 / GUAN Shu-qiao, LIU Chun-yu, LI Shan

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測(cè)量帶鋼溫度的高溫計(jì)合理配置、運(yùn)行穩(wěn)定是退火爐帶鋼溫度穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)。文章針對(duì)冷軋立式連續(xù)退火爐高強(qiáng)鋼退火生產(chǎn)溫度波動(dòng)問(wèn)題，深入分析了高溫計(jì)的測(cè)溫原理，根據(jù)高強(qiáng)鋼生產(chǎn)特點(diǎn)、工藝需求以及連續(xù)退火爐加熱段的具體布置特點(diǎn)，將單波長(zhǎng)輻射高溫計(jì)由垂直安裝改為楔形安裝方式，通過(guò)重新選定高溫計(jì)測(cè)量位置、修正發(fā)射率等措施，解決了加熱段溫度飄移問(wèn)題，收到了較好的測(cè)量效果。

為提高冷軋帶鋼產(chǎn)品的質(zhì)量，帶鋼需經(jīng)過(guò)冷軋連續(xù)退火工藝處理，以提高冷軋帶鋼產(chǎn)品的強(qiáng)度和沖壓延展性等各種性能。連續(xù)退火爐各段的帶鋼溫度控制對(duì)退火工藝有著關(guān)鍵的作用，有效的帶鋼溫度監(jiān)測(cè)和控制對(duì)產(chǎn)品性能至關(guān)重要。要控制好帶鋼溫度，首先要正確測(cè)量出帶鋼的溫度。目前對(duì)冷軋立式連續(xù)退火爐中運(yùn)行帶鋼的溫度測(cè)量主要采用非接觸式紅外輻射高溫計(jì)。

近年來(lái)，唐鋼高強(qiáng)汽車(chē)板有限公司新建1條冷軋連續(xù)退火機(jī)組和3條鍍鋅機(jī)組。在連退機(jī)組實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)系列高強(qiáng)鋼過(guò)程中，尤其是普料和高強(qiáng)鋼過(guò)渡期間，退火過(guò)程中高強(qiáng)鋼溫度呈山峰樣波動(dòng)，部分帶鋼溫度距目標(biāo)溫度有較大偏移，導(dǎo)致在同一鋼種、同一工藝的情況下，不同卷的性能差異很大，性能的均勻性與穩(wěn)定性差，成為高強(qiáng)鋼生產(chǎn)亟待解決的問(wèn)題。

連續(xù)退火工藝

冷軋立式連續(xù)退火爐是冷軋連退機(jī)組的核心部分，也是冷軋帶鋼生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。其功能主要是通過(guò)連續(xù)地對(duì)冷軋帶鋼進(jìn)行一系列的加熱和冷卻，帶鋼內(nèi)部經(jīng)歷晶?；謴?fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大、碳化物析出等幾個(gè)階段的變化過(guò)程，使材料組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行再結(jié)晶，從而提高帶鋼的再加工性能[1]。冷軋立式連續(xù)退火爐一般由加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段等組成，在影響材料力學(xué)性能的諸多因素中，關(guān)鍵因素是連續(xù)退火爐各爐段的帶鋼溫度控制，因此精確地測(cè)量和控制帶鋼溫度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。不同的鋼種有不同的退火溫度曲線，帶鋼在連續(xù)退火爐中需按照鋼種各自規(guī)定的退火溫度曲線進(jìn)行帶鋼的溫度控制，使溫度控制在工藝所要求的溫度范圍之內(nèi)。

高強(qiáng)鋼溫度及測(cè)溫設(shè)備現(xiàn)狀

高強(qiáng)鋼溫度控制現(xiàn)狀

連退機(jī)組每月產(chǎn)量6.5萬(wàn)t，其中生產(chǎn)系列高強(qiáng)鋼約1萬(wàn)t。在生產(chǎn)普料、深沖鋼、低合金鋼等系列產(chǎn)品時(shí)，高溫計(jì)的溫度測(cè)量情況良好，不同鋼種間切換時(shí)，溫度曲線平緩；但在生產(chǎn)高強(qiáng)鋼，尤其是普料與高強(qiáng)鋼切換時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊縫后帶鋼在加熱1的溫度飄移20~50℃，加熱2、均熱段的溫度也在高強(qiáng)鋼頭部突然上升，如圖1所示，退火爐加熱也隨之進(jìn)行調(diào)整，整卷帶鋼溫度呈山峰樣起伏，通卷性能穩(wěn)定性欠佳。

高溫計(jì)配置

連續(xù)退火爐的紅外輻射高溫計(jì)均安裝在各爐段的出口，采用垂直于帶鋼的安裝方式。紅外輻射高溫計(jì)通過(guò)測(cè)量物體發(fā)出的熱輻射，產(chǎn)生與物體溫度成比例的信號(hào)，并經(jīng)過(guò)處理得到被測(cè)物體的溫度。根據(jù)光路屏蔽的原理，將水冷套管直接插入爐內(nèi)，盡可能接近帶鋼表面以減少背景光對(duì)溫度測(cè)量的影響，然后通過(guò)調(diào)試可獲得相對(duì)合適的帶鋼輻射率，如圖2和圖3所示。

高強(qiáng)鋼溫度波動(dòng)分析

紅外輻射高溫計(jì)測(cè)溫原理

物體的輻射能力與物體的溫度有關(guān)，紅外輻射高溫計(jì)就是根據(jù)普朗克定律，利用熱輻射體光譜輻射亮度隨溫度升高而增大的原理，采用亮度均衡法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。也就是說(shuō)，紅外輻射高溫計(jì)就是通過(guò)測(cè)量一定波長(zhǎng)下物體表面發(fā)射的紅外輻射強(qiáng)度，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而測(cè)得物體表面的溫度[3]。紅外輻射高溫計(jì)主要有單波長(zhǎng)、雙波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)等類(lèi)型，連續(xù)退火爐全部采用單波長(zhǎng)紅外輻射高溫計(jì)。

高強(qiáng)鋼溫度波動(dòng)分析

系列高強(qiáng)鋼中硅錳元素含量較高，相比其他鋼種冷軋板面顏色發(fā)暗，入爐帶鋼表面更易形成氧化層[2]，加熱后其表面輻射亮度與普料有較大差異，同時(shí)來(lái)料板面上的部分斑跡也會(huì)造成表面輻射亮度的差異。這些因素均影響高溫計(jì)的測(cè)量值，是普料與高強(qiáng)鋼切換時(shí)，測(cè)溫曲線波動(dòng)的主要原因。因高強(qiáng)鋼板面灰度及斑跡問(wèn)題導(dǎo)致溫度異常波動(dòng)情況頻繁發(fā)生，對(duì)產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性造成較大影響。

在立式連續(xù)退火爐中，因?yàn)閹т摫砻孑^光亮，輻射系數(shù)很低，不易測(cè)量；同時(shí)不同鋼種切換，其表面輻射亮度差異導(dǎo)致輻射率發(fā)生變化。因此為改善高強(qiáng)鋼溫度測(cè)量精度，采用紅外輻射高溫計(jì)需克服帶鋼表面輻射率低且不穩(wěn)定的問(wèn)題。

技改方案及實(shí)施

通過(guò)與LAND公司及退火爐設(shè)計(jì)公司專(zhuān)家探討，了解到高溫計(jì)楔形安裝測(cè)量方式(如圖4所示)可較好地解決熱輻射率低且不穩(wěn)定的難題，增強(qiáng)抗干擾能力，提高帶鋼溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這種安裝方式，帶鋼溫度的測(cè)量大多選用單波長(zhǎng)紅外輻射高溫計(jì)，即技術(shù)方案為：采用原爐段的高溫計(jì)，重新選定高溫計(jì)的測(cè)量位置。楔形安裝測(cè)量的目標(biāo)是盡量靠近帶材與爐輥接觸的區(qū)域，該區(qū)域的輻射能量經(jīng)帶鋼和爐輥之間的多次反射被吸收，這個(gè)區(qū)域帶鋼表面受爐內(nèi)各種設(shè)備的背景輻射干擾最小，近似黑體，熱輻射高且較穩(wěn)定。

根據(jù)退火爐加熱各段的布置重新選擇了高溫計(jì)測(cè)量位置，將帶鋼溫度測(cè)量位置選擇在各段出口的爐輥與帶鋼形成的楔形區(qū)域，如圖5和圖6所示。為達(dá)到更好的測(cè)量效果，在設(shè)計(jì)、安裝楔形高溫計(jì)時(shí)需考慮：輥直徑、帶鋼與爐輥的纏繞長(zhǎng)度、高溫計(jì)測(cè)量點(diǎn)距帶鋼與爐輥相切點(diǎn)的間隔距離、高溫計(jì)測(cè)量光路與帶鋼夾角等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

帶鋼與爐輥的纏繞角度不應(yīng)小于90°，纏繞長(zhǎng)度越長(zhǎng)帶鋼和爐輥溫度越相近，測(cè)量更準(zhǔn)確；在安裝設(shè)計(jì)時(shí)要將測(cè)溫點(diǎn)盡量瞄準(zhǔn)、接近輥與帶鋼切點(diǎn)的位置，并選擇帶鋼導(dǎo)出的一側(cè)進(jìn)行測(cè)量，重要的是盡可能測(cè)量到接近切點(diǎn)的帶鋼上，如圖7所示；高溫計(jì)測(cè)量光路與帶鋼夾角為5°~10°較好。連續(xù)退火爐加熱1、加熱2、均熱段的高溫計(jì)均從垂直安裝改為楔形安裝方式，并對(duì)發(fā)射率進(jìn)行了修正。

技改實(shí)施效果

(1) 選取普料向高強(qiáng)鋼過(guò)渡情況，觀察帶鋼的溫度曲線，如圖8所示，溫度值見(jiàn)表1。

表1 普料向高強(qiáng)鋼過(guò)渡期間溫度

(2) 選取高強(qiáng)鋼向普料過(guò)渡的情況，觀察帶鋼的溫度曲線，如圖9所示，溫度值見(jiàn)表2。

表2 高強(qiáng)鋼向普料過(guò)渡期間溫度

從溫度曲線和數(shù)值可以看出，普料與高強(qiáng)鋼過(guò)渡期間溫度飄移的情況已徹底解決，溫度穩(wěn)定控制在5℃范圍內(nèi)。技改前普料與高強(qiáng)鋼過(guò)渡，加熱1的溫度上漂約20~50℃，加熱2溫度波動(dòng)20~30℃，均熱段溫度波動(dòng)15~25℃。由于退火爐熱慣性，溫度向上飄移會(huì)導(dǎo)致退火爐加熱輸出的波動(dòng)，使帶鋼溫度不均勻性加劇，進(jìn)而影響產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。改造完成后各加熱段溫度已無(wú)飄移情況，均熱段溫度穩(wěn)定控制在10℃以內(nèi)。目前連退線生產(chǎn)，各鋼種間的過(guò)渡，尤其普料與DP鋼過(guò)渡實(shí)現(xiàn)了溫度的穩(wěn)定控制，產(chǎn)品頭尾及整卷溫度的一致性顯著提高。

結(jié)束語(yǔ)

測(cè)量帶鋼溫度的高溫計(jì)合理配置、穩(wěn)定運(yùn)行是退火爐帶鋼溫度穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)。根據(jù)高強(qiáng)鋼生產(chǎn)特點(diǎn)、工藝需求以及連續(xù)退火爐加熱段的具體布置特點(diǎn)，將單波長(zhǎng)輻射高溫計(jì)由垂直安裝改為楔形安裝方式，通過(guò)重新選定高溫計(jì)測(cè)量位置、精調(diào)測(cè)量角度、修正發(fā)射率等措施，解決了加熱段溫度飄移問(wèn)題，收到了較好的測(cè)量效果。