帶鋼寬度方向溫度均勻性控制的誘導加熱技術(shù)

張久林

（寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海201900）

在連續(xù)熱鍍鋅機組中，帶鋼進行鍍鋅前，需要經(jīng)立式退火爐進行熱處理。整個連續(xù)退火爐由預熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段和均衡段六個工藝段組成。不同鋼種的帶鋼在連續(xù)退火爐中按照相應(yīng)的退火工藝曲線進行退火，達到要求的機械性能和表面質(zhì)量，并以規(guī)定的入鋅鍋板溫進入鋅鍋。

帶鋼是通過若干布置在退火爐內(nèi)部的爐輥進行輸送，依次經(jīng)過退火爐的各個工藝段。通常，爐輥表面溫度低于爐內(nèi)帶鋼溫度，如果爐輥輸送的是熱處理過的窄鋼帶時，爐輥中部由于受到來自鋼帶的熱傳遞而溫度升高，而爐輥兩端由于暴露在空氣中受到冷卻，溫度會相對較低。在這樣的情況下，如果爐內(nèi)帶鋼切換為寬帶鋼時，寬帶鋼的兩端受到爐輥兩端溫度較低區(qū)域的影響而溫度降低，造成寬帶鋼的兩端溫度會比中心部位低，最大溫差能夠達到20℃。

經(jīng)退火爐熱處理后的帶鋼進入鋅鍋鍍鋅后還會進行合金化處理，由于帶鋼在寬度方向上的溫度不均勻，會導致鍍鋅帶鋼在合金化處理時，極易造成帶鋼邊部合金化不完全、白邊、斑跡以及溝槽印等質(zhì)量缺陷，特別是窄帶鋼切換為寬帶鋼時更明顯。

合金化熱鍍鋅鋼板具有優(yōu)良的耐蝕性能、涂裝性能和焊接性能，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于汽車制造上[1]，因此解決帶鋼寬度方向上的溫度不均勻問題已十分迫切，它直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)成本。

本文所論述的誘導加熱技術(shù)，能夠有效控制帶鋼入鋅鍋前寬度方向上溫度均勻性，可將帶鋼中部溫度與兩端的溫度差精確控制在±5℃以內(nèi)，消除因帶鋼中部溫度與兩邊溫度差較大引起的帶鋼邊部合金化不完全、白邊、斑跡以及溝槽印等質(zhì)量缺陷。

1 誘導加熱技術(shù)的基本原理

1.1 誘導加熱輥的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，輥體內(nèi)部安裝有感應(yīng)加熱線圈，感應(yīng)加熱線圈固定安裝在中心軸上，中心軸兩端靠軸承支撐，軸承固定安裝在爐輥兩側(cè)的中間軸內(nèi)部，當帶鋼在輥體上經(jīng)過時，驅(qū)動軸由減速電機驅(qū)動，使輥體繞中心軸轉(zhuǎn)動，即爐輥輥體處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，感應(yīng)加熱線圈及中心軸處于靜止狀態(tài)。

圖1 誘導加熱輥結(jié)構(gòu)示意圖

感應(yīng)加熱線圈分為線圈A-1、A-2和線圈B-1、B-2，分別控制輥身最外側(cè)和次外側(cè)的溫度（也可根據(jù)帶鋼被加熱的寬度安裝不同數(shù)量的感應(yīng)加熱線圈），感應(yīng)加熱線圈的加熱功率根據(jù)機組的速度、帶鋼的規(guī)格、待加熱溫度等參數(shù)確定。

由于感應(yīng)加熱線圈始終處于450～500℃的高溫環(huán)境，同時其在工作過程中也會產(chǎn)生大量熱量，因此誘導加熱輥還需配置循環(huán)冷卻水站，用于感應(yīng)加熱線圈的冷卻。如圖1所示，中心軸的一端由操作側(cè)伸出爐輥外部，中心軸的內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，用于冷卻感應(yīng)加熱線圈的內(nèi)循環(huán)冷卻水由此接入和排出。

循環(huán)水站內(nèi)部的循環(huán)冷卻水要求采用軟水，通過循環(huán)水泵實施強制循環(huán)，每個感應(yīng)加熱線圈的供水流須保證12～15 L/min，進水溫度不超過40℃，以保證其使用壽命。

1.2 誘導加熱輥的加熱原理

如圖2所示，交流電流被供給感應(yīng)加熱線圈時，感應(yīng)加熱線圈會產(chǎn)生磁通量，根據(jù)感應(yīng)加熱原理，由于該磁通量的作用，感應(yīng)電流被感應(yīng)到與感應(yīng)加熱線圈相對的爐輥殼體的內(nèi)側(cè)，其電阻熱會使爐輥殼體自身發(fā)熱。

圖2 誘導加熱輥加熱原理示意圖

1.3 誘導加熱輥的溫度控制原理

布置在輥體內(nèi)表面的熱電偶可以準確測量與輥面接觸的帶鋼表面溫度，一般熱電偶布置的位置為中心線處一個，兩側(cè)邊部各一個或者兩個（也可以根據(jù)實際情況確定），用于測量帶鋼中間與兩端的溫度。熱電偶的補償導線固定在輥體內(nèi)壁上并引至爐輥頭的滑環(huán)上，再通過滑環(huán)接入爐輥的溫度控制系統(tǒng)。具體的控制原理如圖3所示。

圖3 中所述：

（1）輥子表面需要加熱的設(shè)定溫度以SV表示；SV值為帶鋼中部檢測值。

（2）輥子表面實際測量的溫度以PV表示；PV值為帶鋼兩端檢測值。

（3）信號處理單元將檢測的溫度轉(zhuǎn)換為測量值。

（4）PID（比例積分微分）控制器可對輥子溫度進行精確控制；輸出量為加熱功率調(diào)節(jié)量。

（5）加熱功率調(diào)節(jié)量用于設(shè)定加熱功能調(diào)節(jié)單元的輸出功率。

（6）加熱功率調(diào)節(jié)單元用于輸出給感應(yīng)加熱線圈所需的功率。

（7）熱電偶用于測量爐輥表面的溫度，并反饋給信號處理單元進行信號轉(zhuǎn)換。

（8）加熱線圈用于對爐輥進行表面感應(yīng)加熱。

（9）爐輥即加熱被控對象。

（10）Smart回路診斷功能用于診斷回路是否存在異常，如MV加熱功率量不斷上升，但輥子表面溫度PV值沒有上升到一定程度時會及時輸出診斷輸出信號。

（11）回路診斷輸出信號達到設(shè)定值時，連鎖加熱功率調(diào)節(jié)單元停止工作，用于保護設(shè)備。

1.4 安裝位置確定原則

誘導加熱輥的安裝位置一般在進入鋅鍋前帶鋼經(jīng)過的最后幾根爐輥,一般選取包角較大且靠近鋅鍋的爐輥。

如圖4所示，帶鋼經(jīng)熱處理爐進行熱處理后，通過若干爐輥轉(zhuǎn)向進入爐鼻子內(nèi)，然后進入鋅鍋，經(jīng)過沉沒輥，實現(xiàn)鍍鋅功能，然后再進行后續(xù)的合金化處理，由于爐輥包角較大且靠近鋅鍋，因此被確定為誘導加熱輥。

圖4 誘導加熱輥安裝位置示意圖

2 實施例

國外某熱鍍鋅退火爐，帶鋼規(guī)格為厚度0.8 mm×寬度1 200 mm，通板速度120 m/min，加熱輥直徑Φ1 000 mm，輥面長2 100 mm，設(shè)置位置的爐內(nèi)氣氛溫度為450℃。

爐輥感應(yīng)加熱的加熱功率為350 kW；測溫熱電偶設(shè)置3處，中心線處一點，距離中心線兩側(cè)800 mm處各一個；鋅鍋溫度460℃。

比較例是誘導加熱輥關(guān)閉加熱功能，僅使用熱電偶檢測情況下的生產(chǎn)情況，可以看出帶鋼中部與邊部始終存在一個約15～20℃之間的溫差，帶鋼邊部低于中部溫度。從鍍鋅經(jīng)合金化處理后，看到帶鋼邊部明顯有白邊現(xiàn)象。經(jīng)過對帶鋼表面鐵含量檢測，白邊處帶鋼表面鋅層鐵含量都小于9%，中間正常部位的鐵含量大于9%，且顏色正常。

從熱鍍鋅合金化產(chǎn)品的特點來看，帶鋼溫度偏低，合金化不充分，鐵含量降低，也容易顯現(xiàn)出白邊缺陷。一般判定標準：帶鋼表面鋅層鐵含量大于9%，判定合金化完全。

從使用本技術(shù)的實施例來看，當檢測到帶鋼寬度方向上的溫差后，投入感應(yīng)加熱功能，帶鋼中部溫度與兩側(cè)溫度基本都控制在10℃的溫差范圍，外觀無白邊發(fā)生，鐵含量均在9%以上，合金化充分完全。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 誘導加熱技術(shù)實施前后數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)語

用于帶鋼寬度方向溫度均勻性控制的誘導加熱輥技術(shù)在鋼鐵行業(yè)來說屬于相對前沿的技術(shù)，在國內(nèi)各大鋼廠幾乎沒有應(yīng)用實績。

隨著冷軋高強鋼技術(shù)的不斷發(fā)展，以及合金化熱鍍鋅鋼板的在汽車行業(yè)的日益廣泛應(yīng)用，對于帶鋼的溫度控制要求也會越來越高，因此誘導加熱輥技術(shù)將會在國內(nèi)逐漸推廣應(yīng)用。