鍍錫基板生產(chǎn)連續(xù)退火爐壓力波動(dòng)原因分析及治理

郭強(qiáng)，高寧，張誠(chéng)*，龔志強(qiáng)，王海濤，趙奇山

（河鋼集團(tuán)衡水板業(yè)有限公司，河北 衡水 053400）

電加熱式連續(xù)退火爐在生產(chǎn)鍍錫基板過(guò)程中易出現(xiàn)壓力異常波動(dòng)，造成爐內(nèi)露點(diǎn)異常、帶鋼氧化的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響連退機(jī)組的正常生產(chǎn)秩序。本文分析了北京某設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的連續(xù)退火機(jī)組在生產(chǎn)鍍錫基板過(guò)程中連續(xù)退火爐壓力異常波動(dòng)的原因，并提出了解決措施，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)退火機(jī)組的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 機(jī)組簡(jiǎn)介

某公司連續(xù)退火生產(chǎn)線年產(chǎn)15 萬(wàn)t，主要產(chǎn)品為高端飲料罐、食品罐用鍍錫基板。生產(chǎn)規(guī)格：厚度0.17 ～ 0.40 mm，寬度800 ～ 1 150 mm。

該機(jī)組的生產(chǎn)工藝流程：原料→開卷→自動(dòng)甩尾裝置→焊接→拉矯→清洗段→入口活套→加熱段→均熱段→緩冷段→快冷段→二次加熱→過(guò)時(shí)效→終冷段→下降段→淬水→出口活套→擺剪→收卷。

2 爐壓波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及安全生產(chǎn)的影響

2.1 爐壓穩(wěn)定對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的重要性

連續(xù)退火爐壓力的波動(dòng)會(huì)引起爐內(nèi)露點(diǎn)升高，導(dǎo)致帶鋼氧化，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。

在通過(guò)退火來(lái)提高冷軋帶鋼機(jī)械性能的同時(shí)，連續(xù)退火爐內(nèi)的保護(hù)氣體會(huì)與帶鋼表面的氧化鐵皮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其還原為鐵，如式(1)所示。

正常生產(chǎn)時(shí)，爐內(nèi)保護(hù)氣體成分的變化和帶鋼表面被氫氣還原的狀態(tài)無(wú)法直接獲知，需通過(guò)爐內(nèi)露點(diǎn)的檢測(cè)和分析，間接地推斷爐內(nèi)的情況[1]。因此如何保證爐壓穩(wěn)定，防止退火爐內(nèi)的露點(diǎn)發(fā)生異常升高，是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵。

2.2 爐壓穩(wěn)定對(duì)于安全生產(chǎn)的重要性

連續(xù)退火爐內(nèi)存在易燃易爆的氫氣，需保持正壓運(yùn)行，防止外部空氣進(jìn)入爐內(nèi)而造成事故?？刂茽t內(nèi)壓力時(shí)，首先為各個(gè)工藝段設(shè)置恰當(dāng)?shù)膲毫Α毫^(guò)高會(huì)導(dǎo)致保護(hù)氣體的消耗量增加，生產(chǎn)成本過(guò)高；壓力低則會(huì)增加爐外空氣進(jìn)入爐內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致控制爐內(nèi)氣氛的難度增大[2]。爐壓異常波動(dòng)，尤其是當(dāng)爐壓過(guò)低時(shí)，外部空氣及淬水槽處的水蒸氣會(huì)進(jìn)入爐內(nèi)，造成爐內(nèi)露點(diǎn)出現(xiàn)異常。

3 連續(xù)退火爐壓力異常的原因分析

影響爐壓的主要因素有：保護(hù)氣體供給系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致保護(hù)氣斷供或者供氣量減少；入口段的密封輥間隙過(guò)大，致使氮封不起作用；爐體密閉不嚴(yán)，爐壓低，外界氣體進(jìn)入了爐內(nèi)；淬水槽冷卻能力不足；冷卻段循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓過(guò)大。

3.1 保護(hù)氣體供給系統(tǒng)對(duì)爐壓的影響

該機(jī)組在保護(hù)氣體進(jìn)爐體之前的管路上安裝了流量計(jì)，并在旁路上預(yù)留了備用測(cè)量接口。在備用接口上使用手持式TUF-2 氣體流量計(jì)對(duì)保護(hù)氣瞬時(shí)流量進(jìn)行測(cè)量。對(duì)比連續(xù)退火爐壓力異常時(shí)與正常時(shí)的氮?dú)饬髁亢偷獨(dú)浠旌蠚饬髁浚Y(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)爐壓波動(dòng)時(shí)與爐壓正常時(shí)的氮?dú)饧暗獨(dú)浠旌蠚怏w均沒(méi)有出現(xiàn)流量異常。據(jù)此可以排除保護(hù)氣供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的因素。

表1 爐區(qū)各段氮?dú)馀c氮?dú)浠旌蠚怏w的瞬時(shí)流量 Table 1 Instantaneous flow rates of nitrogen and nitrogen–hydrogen mixture in each section of furnace （單位：Nm3/h）

3.2 入口段的密封輥間隙對(duì)爐壓的影響

帶鋼通過(guò)入口密封裝置垂直進(jìn)入加熱段。該入口密封裝置放位于加熱段入口端的底板下，并與之密封聯(lián)接。入口密封裝置由2 根單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的密封輥組成，它們?cè)诖r(shí)張開，運(yùn)行時(shí)合起來(lái)貼近鋼帶，中間有5 ～ 10 mm 的縫隙，從而保證鋼帶表面不被劃傷。另外設(shè)有氮封，以增加氣阻的方式來(lái)保證鋼帶運(yùn)行時(shí)空氣不進(jìn)入爐內(nèi)。在退火爐壓力正常時(shí)與異常時(shí)，對(duì)入口密封的氮?dú)饬髁考懊芊廨侀g距進(jìn)行3 次隨機(jī)測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯鲈跔t壓正常與異常時(shí)，密封輥間隙及入口密封氮?dú)饬髁繘](méi)有大的波動(dòng)。由此可以得出結(jié)論：爐壓波動(dòng)與密封輥間隙及入口氮封無(wú)關(guān)。

表2 入口密封輥間隙及密封氮?dú)馑矔r(shí)流量 Table 2 Clearance between seal rollers at the inlet and instantaneous flow rate of nitrogen for sealing

3.3 爐體密閉不嚴(yán)對(duì)爐壓的影響

連續(xù)退火爐工作時(shí)處于正壓狀態(tài)，爐壓一般控制在50 ～ 130 Pa。在正壓的條件下，理論上爐外的空氣不會(huì)進(jìn)入爐內(nèi)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，爐外的氣體有可能滲透到爐內(nèi)。以氧氣為例，一是爐內(nèi)外的氧氣濃度存在巨大差異，空氣中的氧含量高達(dá)21%，而爐內(nèi)的殘氧量幾乎為零，這種巨大的濃度差是爐外氧氣滲透進(jìn)爐內(nèi)的主要?jiǎng)恿Γ欢菭t殼上的漏洞往往非常不規(guī)則，如孔洞彎曲、孔壁粗糙等，給爐內(nèi)氣體向外泄漏造成很大阻力，向外泄漏的氣體流速被減緩到很低的程度，這為爐外氣體的滲透提供了有利條件。具備了以上2 個(gè)條件，爐外氣體就能滲透到爐內(nèi)了，如圖1[3]所示。

圖1 爐外氣體滲透入爐的機(jī)理 Figure 1 Mechanism of permeation of gas into the furnace

通過(guò)以上分析可知，如果爐體密閉不嚴(yán)，那么爐外氣體會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)入爐內(nèi)，勢(shì)必引起爐壓及露點(diǎn)的持續(xù)變化，直至帶鋼氧化而無(wú)法生產(chǎn)。目前本機(jī)組出現(xiàn)的爐壓波動(dòng)是非連續(xù)性的，因此可以斷定爐壓波動(dòng)伴隨露點(diǎn)異常與爐體密閉不嚴(yán)無(wú)關(guān)。

3.4 淬水槽水溫對(duì)爐壓的影響

淬水槽內(nèi)存有脫鹽水，將爐體下降段的通道淹沒(méi)120 ～ 140 mm，形成水封，確保爐內(nèi)的爐壓正常，防止外部空氣進(jìn)入爐內(nèi)，并且對(duì)帶鋼進(jìn)行冷卻。

在爐壓正常時(shí)與異常時(shí)，對(duì)淬水槽淹沒(méi)下降段通道的高度進(jìn)行了3 次測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢?jiàn)淬水槽的液位波動(dòng)很小，不會(huì)對(duì)水封產(chǎn)生影響，因此可以排除淬水槽液位低的影響。

表3 爐壓正常與異常時(shí)淬水槽的液位高度 Table 3 Height of water in quenching tank when furnace pressure was normal and abnormal （單位：mm）

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)淬水槽的水溫進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表4。當(dāng)水溫≥50 °C 時(shí)，下降段爐壓及露點(diǎn)發(fā)生突變，而這與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中爐壓異常的情況一致。生產(chǎn)較厚規(guī)格產(chǎn)品時(shí)板溫高，帶入熱量多，淬水槽冷卻能力不足會(huì)造成水溫高，蒸汽進(jìn)入爐內(nèi)，破壞爐內(nèi)氣氛組成，從而引起爐壓波動(dòng)與露點(diǎn)異常。由此判斷，爐壓波動(dòng)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有關(guān)，需跟進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，調(diào)整淬水槽冷卻工藝。

表4 不同水溫下的測(cè)量數(shù)據(jù) Table 4 Data measured at different water temperatures

3.5 冷卻段循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓對(duì)爐壓的影響

緩冷段、快冷段、終冷段在帶鋼運(yùn)行方向分為不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域配有循環(huán)風(fēng)機(jī)。退火爐內(nèi)的保護(hù)氣體被氣密性很好的循環(huán)風(fēng)機(jī)抽出來(lái)，在氣水換熱器的作用下冷卻，然后送到爐內(nèi)風(fēng)箱，由風(fēng)箱的噴嘴噴吹在帶鋼表面，對(duì)鋼帶進(jìn)行強(qiáng)制冷卻[4]。帶鋼的溫度控制通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速后改變控制保護(hù)氣體流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口出現(xiàn)泄漏，由于風(fēng)機(jī)的風(fēng)量很大，會(huì)立即引起爐內(nèi)氣氛的波動(dòng)，因此在停爐保壓保溫的情況下，模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的不同工藝，對(duì)風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整(以風(fēng)機(jī)額定功率百分比代表不同風(fēng)壓)，觀察爐壓變化，結(jié)果見(jiàn)表5。將快冷段1#、2#風(fēng)機(jī)功率提高到80%時(shí)，對(duì)爐內(nèi)氣氛產(chǎn)生了致命影響，造成該段的爐壓下降，露點(diǎn)升高。

表5 不同風(fēng)機(jī)功率的條件下運(yùn)行30 min 后的數(shù)據(jù) Table 5 Data measured after running under fan powers for 30 min

區(qū)分1#、2#快冷風(fēng)機(jī)，在爐壓及氣氛恢復(fù)正常后，在不同功率下對(duì)快冷段1#和2#風(fēng)機(jī)重新檢測(cè)，數(shù)據(jù)列于表6?？梢钥闯隹炖涠?#風(fēng)機(jī)功率提高到80%后，對(duì)爐壓露點(diǎn)造成致命影響。

表6 快冷段1#、2#風(fēng)機(jī)不同功率下運(yùn)行10 min 后的爐內(nèi)數(shù)據(jù) Table 6 Furnace data under different powers of No.1 and No.2 fans in fast cooling section

通過(guò)表5 與表6 的對(duì)比試驗(yàn)可以得出結(jié)論：當(dāng)快冷1#風(fēng)機(jī)功率調(diào)到80%時(shí)，由于轉(zhuǎn)速較高，風(fēng)壓較大，風(fēng)機(jī)的管路耐壓不足，造成泄漏，引起爐壓波動(dòng)。而在實(shí)際生產(chǎn)中，只有生產(chǎn)厚規(guī)格高溫料產(chǎn)品時(shí)，快冷段1#風(fēng)機(jī)頻率才會(huì)提高到80%。

3.6 總結(jié)

綜上所述，該公司連續(xù)退火爐出現(xiàn)爐壓波動(dòng)的原因可以排除保護(hù)氣體供給系統(tǒng)故障、爐體密閉不嚴(yán)、入口密封輥間隙過(guò)大及淬水槽液位低而造成水封不嚴(yán)這4 個(gè)方面，其主要原因與生產(chǎn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，主要是退火工藝的變化導(dǎo)致了淬水槽內(nèi)液體冷卻能力不足，以及冷卻風(fēng)機(jī)本體與管路耐壓不足。

4 應(yīng)對(duì)措施

連續(xù)退火爐壓力的波動(dòng)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中影響因素眾多，一旦發(fā)生爐壓波動(dòng)、露點(diǎn)異常的現(xiàn)象，如何采取合理的保護(hù)措施來(lái)減少對(duì)生產(chǎn)及設(shè)備帶來(lái)的損害至關(guān)重要[4]。結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)，該公司對(duì)快冷段風(fēng)機(jī)的管路進(jìn)行了補(bǔ)焊，淬水槽水溫實(shí)行自動(dòng)控制及閉環(huán)檢測(cè)，溫度快速升高時(shí)自動(dòng)開啟備用循環(huán)泵及備用冷卻器，以提高冷卻能力。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，采取以上兩項(xiàng)措施后，爐壓異常波動(dòng)的問(wèn)題得到了徹底解決。通過(guò)本次系統(tǒng)排查分析，該公司編制了《連續(xù)退火爐爐壓異常排除操作規(guī)程》，提高了解決爐壓波動(dòng)的能力，保證了連續(xù)退火生產(chǎn)線穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。