全氫罩式爐鋼卷溫度均勻性試驗(yàn)研究

高志超

(上海寶信軟件股份有限公司 上海：201900)

退火是金屬熱處理過程中的重要工序，是將偏離平衡狀態(tài)的金屬加熱到臨界溫度以上，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻，以得到接近于平衡狀態(tài)組織的過程[1]。通過退火可以達(dá)到細(xì)化組織、降低硬度、改善切削加工性能、消除內(nèi)應(yīng)力等目的。退火爐作為軋鋼企業(yè)主要設(shè)備之一，處于關(guān)鍵位置，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和成本。全氫罩式爐退火設(shè)備因具有易于更換產(chǎn)品品種和產(chǎn)量、不受產(chǎn)品規(guī)格限制、總投資低等優(yōu)點(diǎn)，因此目前仍然是鋼卷退火的主要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于冷軋?zhí)间揅Q、DQ等、熱軋不銹鋼400系列等鋼種退火。

因全氫罩式爐是采用鋼卷堆垛形式直接裝爐退火，而不是如連續(xù)退火爐那樣將鋼卷展開鋪平入爐退火方式，這種特有的鋼卷裝爐方式導(dǎo)致爐內(nèi)傳熱方式也具有獨(dú)特性，在退火過程中使得鋼卷整體上始終存在冷熱點(diǎn)溫差。爐內(nèi)溫度均勻性和退火鋼卷溫度均勻性成為全氫罩式爐退火過程中的重要工藝參數(shù)，是確保鋼卷熱處理工藝質(zhì)量的重要條件。本文對(duì)全氫罩式爐鋼卷溫度均勻性進(jìn)行了分析和探討。

1 全氫罩式爐基本結(jié)構(gòu)

全氫罩式爐主要由爐臺(tái)及周邊設(shè)備、加熱罩、內(nèi)罩、冷卻罩、閥站及管道系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)成，爐內(nèi)采用99.999%的高純氫氣作為保護(hù)氣體，通過對(duì)流和輻射將熱量傳給鋼卷，使鋼卷根據(jù)設(shè)定的溫度和氣體吹掃工藝進(jìn)行退火生產(chǎn)，主要設(shè)備如圖1所示。

(1)加熱罩。如圖1(a)所示，作者所在公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能加熱罩采用外置式燒嘴、外置式預(yù)熱器結(jié)構(gòu)，拆裝方便，不損壞爐襯纖維，便于日常維護(hù)。每個(gè)外置式燒嘴配套一個(gè)外置式預(yù)熱器，在爐頂部內(nèi)側(cè)均布著多個(gè)排煙孔，每個(gè)排煙煙道內(nèi)配置預(yù)熱器，使?fàn)t膛氣流分布均勻，回收廢氣中的余熱，降低排煙溫度。燃燒控制采用全自動(dòng)脈沖恒熱流控制，配自動(dòng)點(diǎn)火及火焰檢測，以使空燃比達(dá)到最佳工況。助燃風(fēng)機(jī)采用變量恒壓風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)進(jìn)口處設(shè)置一套過濾器，噪音低，震動(dòng)小。爐襯采用全纖維結(jié)構(gòu)，保溫性能好。

(2)內(nèi)罩。如圖1(b)所示，內(nèi)罩成功地將加熱罩爐膛火焰與氫氣保護(hù)氣氣氛隔離開，并能成功地進(jìn)行對(duì)流和輻射換熱，隨著退火工藝段在冷熱工況下往復(fù)運(yùn)行。內(nèi)罩法蘭采用精加工水冷大法蘭結(jié)構(gòu)，內(nèi)罩法蘭通水冷卻，降低爐臺(tái)法蘭O型密封圈使用溫度。延長橡膠圈的使用壽命，內(nèi)罩采用橫波紋型，增加了設(shè)備強(qiáng)度和換熱面積，內(nèi)罩筒體材質(zhì)一般根據(jù)所需退火溫度進(jìn)行適應(yīng)性選擇，用于碳鋼鋼卷退火的內(nèi)罩筒體一般選用309S材質(zhì)，用于不銹鋼鋼卷退火的內(nèi)罩筒體選擇310S。

(3)冷卻罩。如圖1(c)所示，用于碳鋼退火的冷卻罩一般采用氣-水組合式，噴水直接冷卻內(nèi)罩，頂部中心有不銹鋼的溢流盤，當(dāng)風(fēng)冷至設(shè)定溫度后，罩頂部的冷卻水啟動(dòng)，冷卻水淹沒溢流盤后溢出，順著內(nèi)罩筒壁流下，可大大提高冷卻效果，縮短退火周期。用于不銹鋼退火的冷卻罩一般只采用空氣冷卻一種方式。

(4)爐臺(tái)及周圍設(shè)備。如圖1(d)所示，包括爐臺(tái)、高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)、導(dǎo)向柱等，爐臺(tái)由型鋼和加強(qiáng)鋼板非標(biāo)設(shè)計(jì)制成，用于承載鋼卷堆垛，爐臺(tái)法蘭上面配置耐高溫硅橡膠O型密封圈，爐臺(tái)法蘭下面設(shè)計(jì)了水冷卻通道，法蘭周邊設(shè)計(jì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)密封效果。擴(kuò)散器和導(dǎo)流板的功能是承載鋼卷負(fù)荷和組織爐內(nèi)氫氣循環(huán)流場，既保證了設(shè)備強(qiáng)度又實(shí)現(xiàn)了大流場通道要求。高溫電機(jī)和高溫葉輪是全氫罩式爐的核心重要部件，保證氫氣在爐內(nèi)能夠高速流動(dòng)，達(dá)到強(qiáng)對(duì)流效果，將熱量高效地傳輸給鋼卷。作者所在公司研制的高性能循環(huán)風(fēng)機(jī)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)2300轉(zhuǎn)/分鐘，在冷熱交替變化的退火工藝過程中能夠保持長期穩(wěn)定運(yùn)行，保證在加熱和冷卻退火工藝周期內(nèi)均能夠獲得最優(yōu)的氣體循環(huán)效果。

(5)閥站及管道系統(tǒng)。如圖1(e)所示，根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝流程圖，將管道和儀表系統(tǒng)進(jìn)行模塊化和功能化設(shè)計(jì)，通過工藝管道與設(shè)備相連接，達(dá)到實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)供應(yīng)和排放的目的。

圖1 全氫罩式退火爐基本結(jié)構(gòu)

2 鋼卷溫度均勻性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

熱處理爐溫度均勻性是指實(shí)際保溫溫度相對(duì)于工藝規(guī)定溫度的精確程度，是指各測試點(diǎn)溫度相對(duì)于設(shè)定溫度的最大溫度偏差[2]。傳統(tǒng)的熱處理爐一般無保護(hù)性氣氛，它是將待熱處理的鋼制品直接放到爐膛內(nèi)通過直接明火接觸加熱和直接風(fēng)冷冷卻方式實(shí)現(xiàn)退火工藝。而全氫罩式爐采用99.999%高純氫氣作為保護(hù)性氣氛，采用內(nèi)罩設(shè)備將待退火鋼卷和加熱罩燃燒區(qū)域(爐膛)有效隔離，退火鋼卷在爐臺(tái)、內(nèi)罩、高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)三者組成的全氫密閉空間(爐內(nèi))實(shí)現(xiàn)退火工藝。由于高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)氣流速度大，空間相對(duì)不大，爐內(nèi)氫氣達(dá)到強(qiáng)對(duì)流狀態(tài)，爐內(nèi)氣氛溫度均勻性良好。但是，由于鋼卷處于卷曲狀進(jìn)行直接裝爐退火，受限于鋼卷內(nèi)外徑和寬度數(shù)據(jù)差異，鋼卷內(nèi)外圈受熱不均，鋼卷本身的溫度均勻性成為影響產(chǎn)品品質(zhì)(如機(jī)械性能等)的關(guān)鍵因素，通過實(shí)驗(yàn)的方式定期檢查測定特定退火工藝制度條件下鋼卷溫度均勻性，成為提升產(chǎn)品品質(zhì)的一種有效途徑。

2.2 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)試驗(yàn)方式熱電偶放在鋼卷外部，測量熱處理爐鋼卷邊緣氣氛溫度，或?qū)犭娕挤胖迷阡摼矶瞬窟吘塠3-4]，沒有深入到鋼卷內(nèi)部。然而鋼卷卷芯溫度是否到達(dá)設(shè)定退火溫度，在退火溫度范圍內(nèi)持續(xù)多久，均是影響鋼卷退火品質(zhì)的重要因素。如能獲得上述參數(shù)，就能更好地指導(dǎo)制定退火工藝，優(yōu)化全氫罩式爐使用工況。圖2為作者所在團(tuán)隊(duì)搭建的鋼卷溫度均勻性測試系統(tǒng)，該方法選定爐內(nèi)每個(gè)鋼卷外側(cè)卷邊、卷芯、內(nèi)側(cè)卷邊三個(gè)點(diǎn)溫度作為測量對(duì)象，外側(cè)卷邊測量點(diǎn)能夠反映鋼卷外部溫度場分布，通過監(jiān)控控制系統(tǒng)設(shè)定退火溫度與鋼卷外側(cè)卷邊實(shí)際溫度，來確定是否存在過燒情況。利用在鋼卷卷芯部位的熱電偶采集鋼卷芯部實(shí)際溫度數(shù)據(jù)，反應(yīng)卷芯點(diǎn)是否達(dá)到鋼卷金屬退火溫度及溫度持續(xù)時(shí)間。裝爐堆垛方向均分選擇四個(gè)鋼卷，每卷選擇如上所述的三個(gè)點(diǎn)，能夠有代表性地反映和獲得整個(gè)鋼卷堆垛的內(nèi)部溫度范圍特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼卷內(nèi)部冷熱點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)控。

因熱電偶需要插入已裝入爐內(nèi)的鋼卷卷邊和卷芯內(nèi)部位置，根據(jù)測量點(diǎn)位置不同，選用6-10m長度不同的柔性熱電偶來進(jìn)行溫度采集。柔性熱電偶使用溫度范圍0-1000℃，帶補(bǔ)償導(dǎo)線，在試驗(yàn)前需按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校驗(yàn)[5-6]。在卷曲過程中將鋼絲或鋼條放入待退火鋼卷位置(圖2中1～12點(diǎn)位)，預(yù)留柔性熱電偶插入空間，在裝爐組垛和放置對(duì)流板時(shí)需注意不要擠壓柔性熱電偶，柔性熱電偶放置于鋼卷后，鋼卷縫隙兩端用耐火材料堵塞，降低爐內(nèi)氣氛對(duì)測量溫度的影響。熱電偶采用卡套連接方式，通過爐臺(tái)上配套設(shè)計(jì)的檢測熱電偶連接法蘭進(jìn)行連接，將熱電偶引出爐外，并與溫度記錄儀連接。該檢測布局和溫度取源方式較為方便，實(shí)用性強(qiáng)，可對(duì)多個(gè)罩式爐進(jìn)行重復(fù)性測試。

選用浙大中控品牌多點(diǎn)溫度記錄儀(無紙記錄儀)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)監(jiān)控和記錄。柔性熱電偶的卡套接線處由爐臺(tái)檢測熱電偶管道內(nèi)引出，并與無紙記錄儀連接。無紙記錄儀保持通電狀態(tài)，該設(shè)備能時(shí)刻連續(xù)記錄熱電偶所測量的溫度數(shù)值并保存在內(nèi)置的內(nèi)存內(nèi)。測試完畢后，可將無紙記錄儀內(nèi)存內(nèi)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到移動(dòng)存儲(chǔ)卡上，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，詳見圖2。表1是本系統(tǒng)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和要求。

圖2 鋼卷溫度均勻性測試系統(tǒng)

表1 鋼卷溫度均勻性測試系統(tǒng)設(shè)備要求

3 鋼卷溫度均勻性試驗(yàn)過程

3.1 鋼卷組垛裝爐退火過程

選取某不銹鋼工程全氫罩式爐進(jìn)行鋼卷溫度均勻性測試試驗(yàn)，來檢驗(yàn)設(shè)備退火能力。采用圖2所示的鋼卷溫度測量點(diǎn)監(jiān)測退火溫度，工藝溫度采用840℃，保溫時(shí)間設(shè)定19h，帶罩冷卻溫度設(shè)定840℃/700℃，出爐溫度設(shè)定200℃。測試鋼卷信息見表2，堆垛凈重量約78.67t，裝爐系數(shù)89.39%，將上述數(shù)據(jù)按照正常的生產(chǎn)操作程序進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，上述測試工藝和鋼卷堆垛數(shù)據(jù)具有代表性，能夠反映整個(gè)罩式爐機(jī)組的設(shè)備性能。

表2 退火鋼卷信息

在退火過程中，無紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄溫度。整個(gè)退火周期采用寶信全氫罩式爐信息監(jiān)控軟件進(jìn)行控制，該系統(tǒng)具有“一鍵退火”功能，自動(dòng)化程度非常高，正常退火過程無需人員干預(yù)。

3.2 測試結(jié)果分析

無紙記錄儀監(jiān)測記錄的熱電偶溫度曲線如圖3 所示。數(shù)據(jù)分析表明，在退火溫度840℃、保溫時(shí)間19h設(shè)定工藝條件下，保溫結(jié)束時(shí)四卷鋼卷的卷芯(冷點(diǎn))溫度分別是839℃、839℃、833℃、832℃，鋼卷冷熱點(diǎn)溫差分別是1℃，1℃，7℃，8℃，均在10℃以內(nèi)，表明退火鋼卷溫度均勻性優(yōu)異，全氫罩式爐設(shè)備退火能力良好。

圖3 控制熱電偶溫度和鋼卷內(nèi)熱電偶溫度曲線

對(duì)比控制熱點(diǎn)和1-12號(hào)熱電偶采集數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)控制系統(tǒng)在從“保溫段”跳轉(zhuǎn)到“帶加熱罩冷卻”時(shí)點(diǎn)后，卷芯溫度仍然會(huì)上升約2～4℃，這是因?yàn)闊釕T性所致，在保溫結(jié)束時(shí)鋼卷徑向依然存在較小的溫度梯度，外在表現(xiàn)為鋼卷卷芯溫度繼續(xù)升高。

對(duì)退火出爐鋼卷頭部和尾部進(jìn)行取樣，部分機(jī)械性能數(shù)據(jù)如表3 所示。數(shù)據(jù)表明退火鋼卷屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JISG4305-2005標(biāo)準(zhǔn)要求，證明罩式爐退火設(shè)備退火能力良好，所選退火工藝滿足用戶技術(shù)要求。

表3 退火后SUS430鋼卷力學(xué)性能

4 結(jié)論

本文基于某工程中全氫罩式爐設(shè)備進(jìn)行了鋼卷溫度均勻性試驗(yàn)研究,得出以下主要結(jié)論：

(1)選取退火溫度840℃、保溫19h作為SUS430鋼種作為全氫罩式爐退火爐工藝參數(shù)，保溫結(jié)束時(shí)鋼卷冷熱點(diǎn)溫差在10℃以內(nèi)，鋼卷溫度均勻性優(yōu)異，為后續(xù)同鋼種同規(guī)格鋼卷的退火作業(yè)提供了數(shù)據(jù)支撐。

(2)退火鋼卷的機(jī)械性能不僅是衡量罩式爐退火性能的重要指標(biāo)，更是影響退火產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素。可根據(jù)鋼卷卷芯所需溫度和機(jī)械性能分析來優(yōu)化保溫時(shí)間，以擴(kuò)大冷熱點(diǎn)溫差縮短保溫時(shí)間來達(dá)到了提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗，提高生產(chǎn)效益的目的。

(3)本文提出的鋼卷溫度均勻性試驗(yàn)方法能夠有效了解罩式爐機(jī)組退火性能，能夠?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行的預(yù)先診斷提供數(shù)據(jù)支撐，尤其為開發(fā)新鋼種退火工藝制度方面提供了一個(gè)有效的技術(shù)路徑。