鋼坯火焰清理機的國產(chǎn)化與智能化

李光石 陳光耀 陳 驥 李重河,5 祝 凱 魯雄剛,5,7

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海 200444；3.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點實驗室,上海 200444； 4.上海東震冶金工程技術(shù)有限公司，上海 201900；5.上海特種鑄造工程技術(shù)研究中心，上海 201605； 6.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900；7.上海金屬零部件綠色再制造工程技術(shù)研究中心，上海 200444)

2008年國際金融危機以來，我國鋼鐵行業(yè)供過于求的矛盾日益凸顯?；猱a(chǎn)能過剩的矛盾并淘汰落后產(chǎn)能是鋼鐵企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化的關(guān)鍵，大力發(fā)展高品質(zhì)鋼鐵產(chǎn)品已成為我國大型鋼鐵企業(yè)提高競爭力的重要途徑。在現(xiàn)有的鋼鐵冶煉及連鑄技術(shù)條件下，鋼坯表面會不可避免地形成氧化皮及缺陷層，鋼坯表面的高質(zhì)量清理是提升高附加值鋼材質(zhì)量的關(guān)鍵之一。鋼坯表面清理技術(shù)主要包括自動火焰清理、人工火焰清理、人工修磨和噴丸清理等[1]。由于自動火焰清理具有清理質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高和勞動強度小等優(yōu)點，國內(nèi)外大型鋼鐵企業(yè)已廣泛采用火焰清理機清理高附加值鋼材。

我國從20世紀60、70年代開始引進美國、日本和德國等發(fā)達國家的火焰清理機，關(guān)鍵技術(shù)長期受制于美、日、韓等國家，直到21世紀初才逐步擁有火焰清理機制造的自主知識產(chǎn)權(quán)[2]。圖1為寶鋼湛江煉鋼廠與2150連鑄機配套的火焰清理機，是國內(nèi)首臺自主改造升級的連鑄坯表面自動火焰清理裝置。

圖1 寶鋼湛江鋼廠與2150連鑄機配套的火焰清理機的示意圖Fig.1 Schematic of the scarfer matching to 2150 continuous caster in Baosteel Zhanjiang Steel Plant

1 火焰清理機簡介

1.1 火焰清理的基本原理

火焰清理的實質(zhì)就是利用高壓氧氣與可燃氣體(焦爐煤氣、天然氣、丙烷、乙炔等)發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高通量熱量作用于鋼坯表面形成一定深度的局部熔池，同時燒嘴噴出的高速氣流將產(chǎn)生的氧化熔渣剝離清除。簡言之，就是通過高溫火焰的氣割和熔除作用清除鋼坯表面一定深度的氧化皮和裂紋、點蝕、凹陷、夾雜及氣泡等缺陷層，達到剝皮檢驗和缺陷精整的目的。火焰清理主要包括鋼坯預(yù)熱、熔池和熔渣形成、熔渣去除等過程，式(1)～式(15)為清理過程中可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)+

191 kJ

(1)

H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)+57 kJ

(2)

CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g)+67 kJ

(3)

C3H8(g)+5O2(g)=3CO2(g)+4H2O(g)+

2 221 kJ

(4)

C2H2(g)+5/2O2(g)=2CO2(g)+H2O(g)+

300 kJ

(5)

Fe+53 kJ=Fe(l)

(6)

2Fe(l)+O2(g)=2FeO+503 kJ

(7)

3/2Fe(l)+O2(g) =1/2Fe3O4+565 kJ

(8)

4/3Fe(l)+O2(g) =2/3Fe2O3+553 kJ

(9)

2Fe+O2(g)=2FeO+535 kJ

(10)

3/2Fe+O2(g) =1/2Fe3O4+559 kJ

(11)

4/3Fe+O2(g) =2/3Fe2O3+548 kJ

(12)

4FeO+O2(g)=2Fe2O3+576 kJ

(13)

6FeO+O2(g)=2Fe3O4+632 kJ

(14)

4Fe3O4+O2(g)=6Fe2O3+464 kJ

(15)

按照能源介質(zhì)的不同，可燃氣體與氧氣可能發(fā)生式(1)～式(5)非預(yù)混燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫火焰預(yù)熱鋼坯表面，迅速在清理前端形成局部金屬熔池，如式(6)所示。預(yù)熱后，高壓氧氣與鋼坯表面可能發(fā)生式(7)～式(15)化學(xué)反應(yīng)，形成的熔渣被持續(xù)強氣流剝離，鋼坯與燒嘴發(fā)生相對運動，使鋼坯一定厚度的表層被清除掉。這不僅可以去除鋼坯表面的氧化皮和淺層皮下缺陷，提高鋼坯的表面質(zhì)量，還可以暴露部分缺陷，以便在后續(xù)的熱軋等工序中去除。

目前，火焰清理技術(shù)可應(yīng)用于包括軸承鋼(GGr15，GGr15SiMn等)、優(yōu)質(zhì)碳鋼(LX92A，SWRH82B等)、合金結(jié)構(gòu)鋼(Mn系，MnB系，Cr系及CrMo系等)、冷鐓鋼(ML08- ML15Al，ML25K- 45K等)、彈簧鋼(65Mn，60Si2MnA，50CrV等)、齒輪鋼(CrMnTiH系，CrH系等)、超低碳鋼(SWRM2- SCMRM4等)、非調(diào)質(zhì)鋼(YF40- 45MnV，30- 35MnVS等)、易切削鋼(1215Sn，1215等)和焊條鋼(H08SG，ER70S- G等)等多種高附加值鋼鐵產(chǎn)品[3]。隨著高品質(zhì)鋼冶金技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，火焰清理機在高附加值鋼鐵材料生產(chǎn)企業(yè)中的應(yīng)用將越來越普及。

1.2 鋼坯火焰清理機類型

鋼坯火焰清理機可分為熱坯火焰清理機、冷坯火焰清理機和局部火焰清理機3種[5]。熱坯火焰清理機是用于清理溫度較高的板坯、方坯、小方坯及鑄錠，單次可清理4個或2個面；冷坯火焰清理機是用于清理溫度較低的溫坯或冷坯，單次也可清理4個或2個面；局部火焰清理機，顧名思義，就是按照燒嘴的寬度單位對鋼坯進行一次或多次帶狀清理、部分清理或全面清理。目前，熱坯和冷坯火焰清理機的使用量遠多于局部火焰清理機。由于熱坯火焰清理機可實現(xiàn)鋼坯的熱清、熱送，具有節(jié)能降耗、降低坯庫存量等優(yōu)點，是鋼坯表面高效、高質(zhì)量清理技術(shù)發(fā)展的大趨勢。

2 鋼坯火焰清理機的研究現(xiàn)狀

2.1 鋼坯火焰清理機的發(fā)展歷程

20世紀30年代初，美國UCC公司(Union Carbon Corporation)研制出了第一臺火焰清理機。1985年，瑞典ESAB公司(Elektriska Svetsnings- Aktiebolaget)收購了UCC林德分公司(Linde Division of Union Carbon)火焰清理機的相關(guān)業(yè)務(wù)，也即現(xiàn)在的L- TEC公司(L- TEC Steel Industry Products Division)。近90年來，L- TEC公司在鋼坯火焰清理機的研發(fā)和制造領(lǐng)域一直處于全球領(lǐng)先地位。日本曾在20世紀60年代初進行過火焰清理機制造技術(shù)的研發(fā)，但最終因性能不佳而失敗。L- TEC公司壟斷了20世紀全球大部分的火焰清理機制造，為世界30多個國家的鋼鐵企業(yè)提供了數(shù)百臺火焰清理機。而日本是目前使用火焰清理機數(shù)量最多的國家，日本極東貿(mào)易株式會社(Kyokuto Boeki Kaisha, LTD)也成為全球最大的代理銷售L- TEC火焰清理機及進行售后技術(shù)服務(wù)的公司。此外，德國GEGA和EVERTZ公司的火焰清理技術(shù)也處于世界先進水平，其火焰清理機及其關(guān)鍵技術(shù)廣泛應(yīng)用于全球黑色和有色金屬的表面處理。

2.2 鋼坯火焰清理機的技術(shù)現(xiàn)狀

鋼坯火焰清理技術(shù)雖然起源于美國，但韓國和日本的技術(shù)最為先進，是使用鋼坯火焰清理機最成熟的國家。迄今，韓、日兩國擁有火焰清理技術(shù)的國際專利百余項，占全球總數(shù)的一半以上，僅韓國浦項鋼鐵和現(xiàn)代鋼鐵公司就擁有70余項火焰清理技術(shù)的國際專利。與此相比，我國雖然是使用火焰清理機的大國，但火焰清理機的自主研發(fā)起步較晚，整機和關(guān)鍵部件長期受制于國外壟斷。隨著我國高品質(zhì)鋼材需求量的不斷增長，鋼坯表面質(zhì)量的控制技術(shù)在鋼廠的作用愈加重要?；谖覈撹F冶金技術(shù)快速發(fā)展的大趨勢，鋼坯火焰清理技術(shù)已成為提升我國高品質(zhì)鋼材表面質(zhì)量的瓶頸，唯有實現(xiàn)火焰清理機的國產(chǎn)化，攻克和掌握關(guān)鍵技術(shù)，才能實現(xiàn)我國高品質(zhì)鋼冶金技術(shù)的高速穩(wěn)定發(fā)展。

2.3 能源介質(zhì)調(diào)控技術(shù)的現(xiàn)狀

能源介質(zhì)的調(diào)控直接影響鋼坯表面的清理質(zhì)量和能耗，是火焰清理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以往人工清理大多是憑經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)氧燃配比及流量，控制精度差，鋼坯表面質(zhì)量難以保證。雖然火焰清理機采用先進的氣體調(diào)節(jié)閥、分配器及控制系統(tǒng)，大大提高了能源介質(zhì)的可控性和精準性，但2015年馬鋼投入使用的CM- 90- 8- 1型(L- TEC)火焰清理機的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明：預(yù)熱效果不良及氧氣和燃氣不暢等易導(dǎo)致漏清理，這是嚴重影響鋼坯表面質(zhì)量的火焰清理缺陷[4]?；鹧媲謇磉^程中能源介質(zhì)燃燒屬于流體力學(xué)與燃燒學(xué)交叉的領(lǐng)域，集熱流動態(tài)演化與燃燒化學(xué)反應(yīng)于一體，是自動火焰清理技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點與難點之一。目前，數(shù)值模擬是研究火焰清理過程中能源介質(zhì)燃燒射流演變、傳熱機制與燃燒化學(xué)反應(yīng)之間內(nèi)在聯(lián)系的最常用的手段。陳志威等[5]基于鞍鋼現(xiàn)有的CM- 69- 8- 1型(L- TEC)火焰清理機，采用數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化能源介質(zhì)配比和控制預(yù)熱工藝，不僅提升了冷坯的表面質(zhì)量，還實現(xiàn)了火焰清理的節(jié)能降耗。李寶寬等[6- 7]采用數(shù)值模擬與燃燒試驗相結(jié)合的方法研究了火焰清理機平行多孔射流非預(yù)混燃燒過程射流的流動特性及溫度分布規(guī)律，結(jié)果表明：平行多射流的相互作用和碰撞不是隨意演化的，有一定的規(guī)律性，射流在噴嘴出口附近因康達效應(yīng)趨于形成雙孔射流合并，而射流合并的卷吸作用會促進燃氣與氧氣的充分混合，有利于燃燒反應(yīng)的進行。但是，多股射流的卷吸及合并作用也會導(dǎo)致射流在沖擊鋼坯表面時形成溝槽，而射流沖擊表面的傳熱特性主要取決于雷諾數(shù)、射流與射流及射流與鋼坯的間距[8]。因此，采用數(shù)值模擬和燃燒試驗相結(jié)合的方法優(yōu)化能源介質(zhì)調(diào)控，實現(xiàn)能源介質(zhì)燃燒射流的在線智能化和精準調(diào)控，是未來研發(fā)新型高端智能化火焰清理機的重點。

2.4 火焰清理燒嘴技術(shù)的現(xiàn)狀

通過優(yōu)化清理程序控制、調(diào)整氧氣與可燃氣體的配比等可在一定程度上提高鋼坯表面的清理質(zhì)量，但也存在較大的局限性。燒嘴是火焰清理機的核心零件，直接影響火焰清理過程的射流特性，關(guān)系到鋼坯表面的清理質(zhì)量，燒嘴射流特性解析是優(yōu)化燒嘴設(shè)計的基礎(chǔ)。陳智勇等[9]利用CFD(計算流體動力學(xué))模擬了燒嘴火焰由預(yù)熱態(tài)轉(zhuǎn)向清理態(tài)的瞬態(tài)燃燒過程。數(shù)值模擬可快速清晰地獲得燒嘴火焰的內(nèi)部特性與鋼坯熔池的演變規(guī)律，進而通過射流分布規(guī)律優(yōu)化燒嘴結(jié)構(gòu)和開發(fā)新型燒嘴[10]。根據(jù)現(xiàn)有的燒嘴射流特性分析，上海東震冶金工程技術(shù)有限公司開發(fā)了一種連鑄坯火焰清理機用新型平滑燒嘴(圖2)，大大提高了能源介質(zhì)燃燒射流的穩(wěn)定性和清理后鋼坯表面的平整度[11]。劉洋等[12]采用數(shù)值模擬的方法研究了火焰清理過程中的熔渣飛濺現(xiàn)象，提出了新型熔渣快速冷卻自排裝置，從源頭上避免了熔渣“放炮”現(xiàn)象的發(fā)生，提高了自動火焰清理的安全性。因此，基于火焰清理過程射流特性的解析，優(yōu)化燒嘴結(jié)構(gòu)是提高火焰清理的質(zhì)量、效率、安全性的關(guān)鍵技術(shù)手段。

圖2 連鑄坯火焰清理機用國產(chǎn)新型平滑燒嘴Fig.2 Chinese- made new type of smooth burners used in scarfing machine for continuously cast slab

2.5 智能化火焰清理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，鋼鐵的智能制造尚處于起步階段，但這是冶金行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路。如何實現(xiàn)火焰清理機從“自動”到“智能”的升級，將是未來高品質(zhì)鋼材表面清理技術(shù)革新的重要課題之一。智能火焰清理技術(shù)的關(guān)鍵在于鋼坯表面清理的智能識別和智能控制。韓國浦項曾開發(fā)了一種基于Gabor濾波器和圖像識別的缺陷檢測算法，能實現(xiàn)火焰清理板坯表面針孔類缺陷的智能檢測[13]。該方法能識別鋼坯火焰清理的表面缺陷，真檢出率達97.26%，假檢出率為1.66%[14]。近年來，圖像識別技術(shù)和人工智能算法得到了飛速發(fā)展，有文獻報道了多種鋼坯表面缺陷的智能視覺識別技術(shù)方案和智能識別系統(tǒng)[15- 18]。2018年上海東震冶金工程技術(shù)有限公司開發(fā)了一種全自動智能火焰清理機系統(tǒng)，可以智能識別板坯清理參數(shù)、智能判斷預(yù)熱坑占比和智能控制清理工藝，實現(xiàn)了無人正常生產(chǎn)[19]。智能火焰清理技術(shù)的國產(chǎn)化是我國鋼鐵企業(yè)智能化技術(shù)自主研發(fā)和應(yīng)用的典范之一，也標志著我國的鋼鐵火焰清理技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平。

3 我國鋼坯火焰清理技術(shù)的自主研發(fā)之路

3.1 鋼坯火焰清理機的國產(chǎn)化

迄今，我國鋼鐵企業(yè)火焰清理機的應(yīng)用僅半個世紀左右[20]。早期，鋼鐵企業(yè)及科研院所均是基于進口設(shè)備及其配套技術(shù)，關(guān)注實際生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化，探索自動火焰清理的能源介質(zhì)消耗、金屬收得率、鋼坯表面質(zhì)量等問題[21- 23]。隨著進口火焰清理機在寶鋼、武鋼和首鋼等大型鋼鐵企業(yè)的推廣使用，設(shè)備的維護、升級、改造等長期受制于國外供貨企業(yè)，嚴重制約了我國鋼鐵企業(yè)的高效生產(chǎn)和高質(zhì)量發(fā)展。為此，國內(nèi)相關(guān)研究者及企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)需要，正在探索火焰清理機部件及相關(guān)配套設(shè)施的自主研發(fā)與改進[24- 32]。燒嘴和分配器是火焰清理機的核心部件，直接影響鋼坯的清理質(zhì)量，進口成本和后期維修費用均十分昂貴。上海東震冶金工程技術(shù)有限公司1995年就逐步實現(xiàn)了火焰清理機燒嘴、分配器、控制閥站等關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化，并供寶鋼、首鋼及本鋼等大型鋼鐵企業(yè)使用。20余年來，我國鋼鐵企業(yè)在火焰清理設(shè)備的使用和維護中逐漸積累了經(jīng)驗，開展了供氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)保除塵系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的改造升級研究[33- 39]。2010年，原寶鋼一煉鋼廠完成了1 930 mm連鑄生產(chǎn)線進口自動火焰清理裝置整機自主設(shè)計和升級改造工程，投產(chǎn)至今運行穩(wěn)定，性能達到了進口設(shè)備的水準，這也是我國自動化火焰清理裝置國產(chǎn)化的雛形。在此基礎(chǔ)上，上海東震冶金工程技術(shù)有限公司于2015年實現(xiàn)了連鑄坯自動火焰清理設(shè)備的完全國產(chǎn)化，并在寶鋼湛江鋼鐵煉鋼廠2 150 mm連鑄生產(chǎn)線上熱試成功，板坯達到了預(yù)期的清理效果[2]。這標志著我國已擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的火焰清理機制造技術(shù)，打破了國外長期的技術(shù)壟斷與封鎖，填補了我國鋼鐵冶金領(lǐng)域的一項技術(shù)空白。此外，我國在與火焰清理機配套的環(huán)保除塵等設(shè)施方面也取得了一系列突破性進展。2003年，西安重型機械研究所研制出了首臺臥式濕式電除塵器(WSDB)，并逐步投入鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)，實現(xiàn)了火焰清理機煙氣處理配套設(shè)施的國產(chǎn)化[40- 41]。

3.2 鋼坯火焰清理機的智能化

目前，上海東震冶金工程技術(shù)有限公司已經(jīng)開發(fā)出了第二代智能型連鑄坯表面火焰清理裝置，見圖3，并擁有十余項有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)[11, 42- 54]。該設(shè)備采用先進的工業(yè)相機對預(yù)熱區(qū)、燒嘴、鑄坯表面進行原位圖像與視頻采集，通過視覺分析算法的優(yōu)化，實現(xiàn)了清理過程自動判定、燒嘴狀態(tài)在線檢測和異常預(yù)警及鑄坯表面清理質(zhì)量在線判定，還開發(fā)出了管道泄漏動態(tài)預(yù)警和智能保護、燒嘴動作與動態(tài)反饋和板坯動態(tài)定位等多個智能配套系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了火焰清理技術(shù)的智能化。由于設(shè)備運行穩(wěn)定，整機性能優(yōu)異，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)近5年來新建的自動火焰清理裝置均是由上海東震冶金工程技術(shù)有限公司設(shè)計制造，實現(xiàn)了國產(chǎn)化鋼坯火焰清理機的全覆蓋。

圖3 寶鋼湛江鋼廠新建的第二代智能火焰清理機Fig.3 Second generation of intelligent scarfer in Baosteel Zhanjiang steel plant

近年來，由于技術(shù)及市場被國外壟斷，迫使企業(yè)加速自主研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了鋼坯火焰清理機的“國產(chǎn)化”和“智能化”，徹底解決了我國鋼坯火焰清理技術(shù)的“瓶頸”，對推動我國高品質(zhì)、高附加值鋼鐵產(chǎn)品表面質(zhì)量的提升具有深遠意義。

4 結(jié)語

隨著我國鋼鐵冶金技術(shù)的快速發(fā)展，國產(chǎn)化火焰清理技術(shù)在高品質(zhì)、高附加值鋼鐵材料表面質(zhì)量的提升中起到了至關(guān)重要的作用。但是設(shè)備投資及維護成本高和金屬損失率高，是制約火焰清理機廣泛應(yīng)用于鋼坯表面清理的主要因素。調(diào)整能源介質(zhì)、改進關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化清理過程的程序控制等可在一定程度上降低火焰清理機的使用成本，較好地兼顧板坯表面質(zhì)量和金屬收得率，但局限性較大，提升空間有限。以人工智能圖像識別技術(shù)為切入點，開發(fā)新型智能火焰清理機是未來火焰清理技術(shù)的發(fā)展趨勢。智能清理與在線判定、無人值守與動態(tài)預(yù)警等新技術(shù)是未來火焰清理技術(shù)的研究熱點。基于現(xiàn)有國產(chǎn)化自動火焰清理技術(shù)，充分利用人工智能技術(shù)，有望實現(xiàn)鋼坯清理質(zhì)量的提升，促進我國鋼鐵智能制造技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展。