連續(xù)立式退火爐爐壓控制技術(shù)

許 翔，汪紅兵，侯莉慶

(1 馬鋼冷軋總廠，2 馬鋼設(shè)備管理部，安徽馬鞍山 243000)

引言

連續(xù)立式退火爐是冷軋鍍鋅機(jī)組、連續(xù)退火機(jī)組的核心裝備。其中退火爐爐壓控制是保證退火爐安全及爐內(nèi)氣氛的必要條件，在保證爐壓穩(wěn)定及爐內(nèi)氣氛可控的條件下，減少保護(hù)性氣體消耗是生產(chǎn)線降本的重要手段。

1 退火爐爐壓控制工藝功能

以連退線為例，退火爐分為預(yù)熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、過時(shí)效1 段、過時(shí)效2 段、二冷段及終冷段。退火爐爐內(nèi)氣氛主要由氮?dú)浠旌蠚怏w組成，通常氮?dú)獗壤秊?5%，氫氣比例為5%，保證爐內(nèi)無氧化及弱還原性氣氛。爐壓控制設(shè)備主要包括,補(bǔ)氣系統(tǒng)、放散排氣系統(tǒng)及密封系統(tǒng)。

1.1 補(bǔ)氣系統(tǒng)

通過氮?dú)浠旌险緦⒌獨(dú)馀c氫氣分別進(jìn)行減壓并通過流量計(jì)算配比后混合，按區(qū)域分段送入退火爐，以連退線為例,分為三段，以快冷段為界限，分為退火爐前區(qū)、快冷段及退火爐后區(qū)三個(gè)區(qū)域，分別采用流量控制給整個(gè)退火爐補(bǔ)充氮?dú)浠旌蠚怏w，補(bǔ)氣管道由區(qū)域總管分別接出至各個(gè)區(qū)域支管接入爐內(nèi)，補(bǔ)氣支管設(shè)置在退火爐的底部，再經(jīng)過限流孔板平衡分配各區(qū)域補(bǔ)氣流量。

1.2 放散排氣系統(tǒng)

在退火爐的頂部各區(qū)域分別設(shè)置了放散管道，并通過調(diào)節(jié)閥、快切閥控制放散量，直接排空至大氣，保證爐壓穩(wěn)定及吹掃狀態(tài)下快速置換爐內(nèi)氣體。

1.3 密封系統(tǒng)

在退火爐的入口采用密封輥結(jié)構(gòu)，并在輥?zhàn)拥纳戏阶⑷攵康獨(dú)鈱?shí)現(xiàn)密封，鍍鋅退火爐的出口是通過鋅鼻子深入鋅鍋內(nèi)，通過鋅液面實(shí)現(xiàn)密封，退火爐出口為水淬槽，通過水位來實(shí)現(xiàn)水封。當(dāng)退火爐檢測到低壓，在入口密封區(qū)域自動(dòng)加大補(bǔ)充氮?dú)饬?，避免空氣進(jìn)入爐內(nèi)。

2 退火爐爐壓控制技術(shù)

2.1 爐壓恒定控制

退火爐爐壓控制技術(shù)通過退火爐PLC 來實(shí)現(xiàn)，為了保持爐膛壓力恒定，退火爐爐壓控制選取各爐段爐壓最低值為目標(biāo)值控制，退火爐為密閉結(jié)構(gòu)，爐內(nèi)為正壓通?？刂圃?20 Pa 至200 Pa，是為了防止外部氣體的滲透，保證爐內(nèi)無氧狀態(tài)，通常爐內(nèi)氧氣含量小于20 mg/m3，需要補(bǔ)充一定量的氮?dú)浠旌蠚怏w保持爐內(nèi)微正壓。退火爐爐壓控制分為壓力控制與流量控制兩種模式。

1）壓力控制模式是正常生產(chǎn)狀態(tài)控制模式，按退火爐爐壓在線檢測最小值控制，通過爐壓PID 控制器控制氮?dú)浠旌蠚怏w流量及放散閥的開度，氫氣流量根據(jù)氮?dú)饬髁堪丛O(shè)定百分比供給，通常氫氣含量為5%。如圖1 所示，爐壓下降低于設(shè)定壓力時(shí)，爐壓PID 控制器輸出大于50%，爐頂放散閥開度全關(guān)放散流量為0，增加氮?dú)浠旌蠚怏w補(bǔ)氣量來保證爐內(nèi)壓力穩(wěn)定；當(dāng)爐壓上升高于設(shè)定壓力時(shí)，爐壓PID 控制器輸出小于50%，氮?dú)浠旌蠚怏w補(bǔ)氣量降至最低維持流量，加大爐頂放散閥開度，來保證爐內(nèi)壓力穩(wěn)定。

圖1 壓力控制模式爐壓控制關(guān)系圖

2）流量控制模式應(yīng)用在吹掃模式下，氮?dú)浠旌蠚怏w補(bǔ)氣量為恒定值，爐壓低于設(shè)定壓力時(shí)，通過爐壓PID 控制器減小爐頂放散閥開度，來保證爐內(nèi)壓力穩(wěn)定；當(dāng)爐壓高于設(shè)定壓力時(shí)，通過爐壓PID控制器加大爐頂放散閥開度，來保證爐內(nèi)壓力穩(wěn)定。

2.2 吹掃控制

吹掃控制是通過氮?dú)浠旌险敬罅髁康獨(dú)庾⑷胪嘶馉t內(nèi)，爐頂放散閥放散來進(jìn)行氣體置換，應(yīng)用于兩種情況。

1）在開爐后恢復(fù)生產(chǎn)過程中，由于有大量空氣進(jìn)入退火爐爐內(nèi)，需要在短時(shí)間內(nèi)將退火爐內(nèi)氧含量降低至150 mg/m3以下。

2）準(zhǔn)備停機(jī)檢修時(shí)及其他需要快速降低氫含量至1%以下安全措施，實(shí)施安全吹掃，切斷氫氣，注入大流量氮?dú)馔ㄟ^頂部放散閥進(jìn)行爐內(nèi)氫氣的置換。

2.3 氣體安全系統(tǒng)

氣體安全系統(tǒng)是針對退火爐設(shè)計(jì)的氫氣、氮?dú)夂兔簹庠诟邷厍闆r下安全性控制的專有系統(tǒng)。用于出現(xiàn)異常情況的控制策略，對煤氣、氫氣、氮?dú)獾任ｋU(xiǎn)氣體的自動(dòng)處理，該控制級別高于PLC 控制權(quán)。氣體安全系統(tǒng)由繼電器聯(lián)鎖電氣柜組成。該電氣柜監(jiān)控現(xiàn)場的煤氣鑰匙閥、頂部放散、爐內(nèi)壓力、氫氣鑰匙閥等現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備。退火爐正常生產(chǎn)狀態(tài)受PLC 的控制，異常狀態(tài)時(shí)由氣體安全系統(tǒng)控制，如爐壓過高控制爐頂快切閥打開快速釋放爐壓，爐壓過低時(shí)快速補(bǔ)充入口密封處氮?dú)饧凹哟鬆t內(nèi)氮?dú)庋a(bǔ)充量、切斷氫氣鑰匙閥組等維持爐內(nèi)微正壓。

3 存在問題及對策

3.1 存在的問題

某鍍鋅線產(chǎn)線投運(yùn)達(dá)15 年，爐膛設(shè)備老化，泄漏點(diǎn)較多，退火爐各區(qū)域氫含量不平衡，由于加熱段后區(qū)及均熱段還原帶鋼會(huì)消耗一定量的氫氣，其他區(qū)域氫氣消耗量少，造成爐內(nèi)預(yù)熱段及鋅鼻子區(qū)域氫含量高，加熱段及均熱段氫含量低，為保證氫含量平衡加大氮?dú)錃怏w補(bǔ)入量，及增大入口密封輥間距，增大放散量，維持爐壓及爐內(nèi)各區(qū)域的氫氣平衡所需要的介質(zhì)氣體流量較大。該退火爐氮?dú)錃怏w流量平均消耗900 m3/h，介質(zhì)消耗較大，對應(yīng)生產(chǎn)成本也高。

同時(shí)，爐壓穩(wěn)定性比較差，在鋼種過度期間經(jīng)常發(fā)生爐壓波動(dòng)，造成氫氣鑰匙聯(lián)鎖切斷故障，影響了生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)量，提高了生產(chǎn)成本。僅一年，氫氣鑰匙故障達(dá)到9次。

3.2 相關(guān)對策

3.2.1 測漏及堵漏

安排專業(yè)氣體檢測公司對全爐采用氫氣檢漏，對退火爐負(fù)壓區(qū)域用氦氣檢測，通過測漏及封堵泄漏點(diǎn)以后，該鍍鋅退火爐氮?dú)錃怏w補(bǔ)充流量從900 m3/h降低至790 m3/h左右，在生產(chǎn)線大修期間進(jìn)一步堵漏消缺，恢復(fù)生產(chǎn)以后，在基礎(chǔ)流量790 m3/h 的基礎(chǔ)上，放散閥的開度均值為5%，效果十分明顯。

3.2.2 優(yōu)化流量控制

在堵漏基礎(chǔ)上，對氮?dú)錃怏w補(bǔ)充流量的基礎(chǔ)流量下限進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在保證爐壓穩(wěn)定的前提下，將氮?dú)錃怏w流量從586 m3/h 降至200 m3/h，在200 m3/h 流量的情況下，仍然有放散閥處于打開狀態(tài)。證明，爐膛的氣密性水平已經(jīng)得到了很大的提高，在此氣密性標(biāo)準(zhǔn)下，具備調(diào)整基礎(chǔ)流量下限。將基礎(chǔ)流量下限設(shè)定從680 m3/h降低至400 m3/h。

在停爐模式下，通過速度判定，降低維持爐壓，爐壓設(shè)定從120 Pa 降低至100 Pa，進(jìn)一步減小介質(zhì)消耗。以生產(chǎn)線速度30 m/min 作為停機(jī)判定，生產(chǎn)線速度低于30 m/min，將爐壓設(shè)定由120 Pa 降低至100 Pa，在100 Pa 爐壓的狀態(tài)下，停機(jī)時(shí)的氮?dú)錃怏w流量基本為400 m3/h。

3.2.3 優(yōu)化放散控制策略

為穩(wěn)定爐壓波動(dòng)，優(yōu)化了放散閥控制策略。原控制策略是當(dāng)退火爐爐壓過大時(shí)，爐頂全部放散閥同時(shí)打開對爐內(nèi)氣體進(jìn)行釋放，根據(jù)退火爐爐壓PID 控制器的計(jì)算控制放散閥打開的開度。同步打開放散閥使?fàn)t壓會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，當(dāng)爐壓低于設(shè)定值時(shí)，減少放散閥開度，放散閥全部關(guān)閉爐壓還是低于設(shè)定值再增加補(bǔ)氣量，容易產(chǎn)生爐壓振蕩。通過對爐壓計(jì)算的PID塊產(chǎn)生的調(diào)節(jié)量進(jìn)行分段處理，在不同的調(diào)節(jié)量情況下分階段逐次打開不同位置的放散閥，使得放散過程更加趨向于平穩(wěn)，再優(yōu)化爐壓控制器PID參數(shù)，沒有發(fā)生劇烈振蕩的情況。

3.2.4 平衡氫氣含量

針對氫含量不平衡問題，對退火爐分區(qū)流量控制進(jìn)行優(yōu)化，原補(bǔ)氣系統(tǒng)在退火爐各段支管通過限流孔板來分配各段流量，重新設(shè)計(jì)限流孔板，前區(qū)與后區(qū)限流孔板直徑φ24 mm 減小至φ22 mm，中間區(qū)域限流孔板直徑φ24 mm 擴(kuò)大至φ32 mm，合理分配各區(qū)域流量，使得氫氣含量平衡。

3.3 改善效果

通過以上的優(yōu)化工作，使得退火爐爐壓控制穩(wěn)定性大為提高，氫氣鑰匙因爐壓波動(dòng)切斷的故障為0，在保證爐壓、氣體成分穩(wěn)定的情況下，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)降低氮、氫氣體流量消耗量，與優(yōu)化前相比減少近50%。

優(yōu)化前平均氮?dú)庀?00 m3/h，氫氣消耗60 m3/h，優(yōu)化后平均氮?dú)庀?00 m3/h，氫氣消耗45 m3/h，

根據(jù)該鍍鋅線退火爐年運(yùn)行時(shí)間7 900 h，氮?dú)鈫蝺r(jià)0.3元/m3，氫氣單價(jià)3元/m3來計(jì)算，年經(jīng)濟(jì)效益130 萬元。

（900-500）×0.3×7 900+（60-45）×3×7 900=1 303 500元。

4 結(jié)語

該爐壓控制系統(tǒng)，經(jīng)過不斷摸索與優(yōu)化改進(jìn)，節(jié)能效益顯著且工作狀況穩(wěn)定。后期將對退火爐爐壓與生產(chǎn)線速度、鋼種、規(guī)格、爐內(nèi)溫度關(guān)系參數(shù)建立模型關(guān)系，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，動(dòng)態(tài)調(diào)整氮?dú)錃怏w補(bǔ)氣量，進(jìn)一步穩(wěn)定爐壓與降低介質(zhì)消耗。