冷軋罩式爐退火離線模型研究及應(yīng)用

紀(jì) 娟，程書生，楊 航

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

隨著馬鋼冷軋脫脂機(jī)組投產(chǎn)，罩式退火原料表面殘油與殘鐵得到大幅度改善，產(chǎn)品表面潔凈度達(dá)到92%以上，表面殘油與殘鐵控制10 mg/m2以下，罩退的產(chǎn)品表面質(zhì)量得到有效提升。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)大綱，機(jī)組具備組織生產(chǎn)HSLA（低合金高強(qiáng)鋼）的能力，但是，2016年1～10月份生產(chǎn)低合金高強(qiáng)鋼M280VK、H340LA 共12 048 t（冷軋總廠連退線），直接賠付異議量為189 t，連退線生產(chǎn)的主要問題有：（1)客戶反應(yīng)沖壓開裂成形性能差，導(dǎo)致客戶抱怨不斷；(2)連退產(chǎn)能無法有效釋放。

因此，迫切需要將部分低合金高強(qiáng)鋼轉(zhuǎn)移到罩式退火先生產(chǎn)。但罩式爐機(jī)組退火周期較長(zhǎng)，爐臺(tái)數(shù)較多，產(chǎn)能有效釋放對(duì)于下游機(jī)組產(chǎn)生直接影響。同時(shí)罩式爐在整個(gè)精整工序能耗中占比高達(dá)80%。目前罩式爐機(jī)組加熱罩生產(chǎn)使用過程加熱時(shí)效長(zhǎng)，無法匹配罩式爐加熱模式對(duì)爐臺(tái)生產(chǎn)要求，存在熱效率不足，加熱段加熱模式延時(shí)加熱，能耗過高，加熱過程故障報(bào)警頻繁等問題，嚴(yán)重制約產(chǎn)能有效釋放并影響工序能耗。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化退火加熱工藝制度，提高加熱效率，提升罩式爐產(chǎn)能效率，降低工序能耗。

1 模型優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn)裝置、方法及試樣

1.1 建立罩退爐內(nèi)傳熱模型

罩式爐內(nèi)的熱交換形式為：加熱罩（外罩）、內(nèi)罩與爐料及保護(hù)氣體間的輻射熱交換，保護(hù)氣體與爐料及內(nèi)罩間的對(duì)流換熱[2]，爐料內(nèi)部的導(dǎo)熱，如圖1 所示。通過建立罩式爐熱工工藝模型及傳熱過程分析研究[3]、建立鋼卷傳熱過程控制方程并離散化、傳熱模型控制方程分析計(jì)算、運(yùn)用MATLAB 編程求解，完成離線傳熱模型的編程與求解并確定冷點(diǎn)位置。

圖1 鋼卷傳熱過程示意圖

鋼卷內(nèi)部導(dǎo)熱微分方程：

1.2 插片試驗(yàn)驗(yàn)證

1.2.1 插片試驗(yàn)原理

（1）鋼卷在傳熱學(xué)上屬于厚材，其內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻相對(duì)于表面對(duì)流換熱系數(shù)來說比較大，不可忽略，因此鋼卷內(nèi)部和表面存在溫差。

（2）循環(huán)氫氣的溫度只能定性反應(yīng)出鋼卷中的溫度場(chǎng)，而不能確定鋼卷中的溫度場(chǎng)。

（3）為了獲得退火過程中鋼卷內(nèi)部的溫度場(chǎng)，通過在鋼卷中特定位置插入熱電偶，然后將鋼卷置于退火爐中進(jìn)行退火過程，這樣可以直接測(cè)量得到鋼卷中不同位置在整個(gè)退火過程中的溫度變化，進(jìn)而推導(dǎo)出鋼卷中其余位置的溫度場(chǎng)變化特點(diǎn)。

1.2.2 插片試驗(yàn)過程

在測(cè)試中，選用薄鋼片厚度為3 mm，寬度為5 mm 左右，鋼片間距3 mm，另選用4 個(gè)有代表性的鋼卷堆垛，鋼卷信息如表1 所列。在上下兩個(gè)鋼卷中選取內(nèi)、中、外三測(cè)點(diǎn)（內(nèi)熱點(diǎn)、中冷點(diǎn)、外熱點(diǎn)），中間三個(gè)鋼卷選取中、外兩點(diǎn)（中冷點(diǎn)、外熱點(diǎn)），另外再選取兩個(gè)爐溫測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

表1 試驗(yàn)鋼卷信息表

圖2 插片具體布置及測(cè)點(diǎn)位置

試驗(yàn)中所使用的熱電偶為直徑2 mm·K 型熱電偶，溫度信號(hào)通過溫度巡檢儀記錄，采集頻率為每0.5 min 1次，測(cè)試結(jié)果通過接口在計(jì)算機(jī)中記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論與應(yīng)用

2.1 插片試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究

建立的退火模型根據(jù)插片試驗(yàn)數(shù)據(jù)多次修正及驗(yàn)證后，模型計(jì)算的準(zhǔn)確率很高，可認(rèn)為模型計(jì)算結(jié)果在工業(yè)生產(chǎn)允許的偏差范圍內(nèi)準(zhǔn)確。因此，將該研究建立的模型視為優(yōu)化模型，在相同計(jì)算工況下通過優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果和馬鋼罩式爐現(xiàn)場(chǎng)退火模型進(jìn)行對(duì)比分析和討論。

如圖3 所示，1#插片試驗(yàn)測(cè)得最大冷點(diǎn)溫度為667.2 ℃，出現(xiàn)時(shí)刻為18.5 h；離線模型計(jì)算的最大冷點(diǎn)溫度為671.3 ℃，出現(xiàn)時(shí)刻為18.2 h，現(xiàn)場(chǎng)在線模型計(jì)算的最大冷點(diǎn)溫度為650 ℃，出現(xiàn)時(shí)刻為18.6 h。

圖3 1#鋼卷試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

如圖4 所示，2#插片試驗(yàn)測(cè)得最大冷點(diǎn)溫度為671.2 ℃，出現(xiàn)時(shí)刻為18.52 h；離線模型計(jì)算的最大冷點(diǎn)溫度為677.9 ℃，出現(xiàn)時(shí)刻為18.15 h，現(xiàn)場(chǎng)在線模型計(jì)算的最大冷點(diǎn)溫度為658 ℃，出現(xiàn)時(shí)刻為18.5 h。

圖4 2#鋼卷試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

如圖5 所示，1#鋼卷現(xiàn)場(chǎng)離線模型計(jì)算的最大冷點(diǎn)溫度誤差達(dá)57 ℃，如圖6 所示，2#鋼卷現(xiàn)場(chǎng)離線模型計(jì)算的最大冷點(diǎn)溫度誤差達(dá)58 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果。

圖5 1#鋼卷芯部溫度計(jì)算誤差曲線

圖6 2#鋼卷芯部溫度計(jì)算誤差曲線

現(xiàn)場(chǎng)模型實(shí)際冷點(diǎn)溫度與要求控制冷點(diǎn)溫度偏差較大，在現(xiàn)場(chǎng)模型計(jì)算達(dá)到冷點(diǎn)溫度時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)模型計(jì)算冷點(diǎn)溫度取點(diǎn)值為626 ℃左右，但插片試驗(yàn)取得同時(shí)刻的值為659 ℃左右，偏差達(dá)到30 ℃以上。

2.2 模型計(jì)算精度的驗(yàn)證及應(yīng)用

根據(jù)離線模型研究結(jié)果及驗(yàn)證對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際冷點(diǎn)溫度控制具有優(yōu)化空間，在模型研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)進(jìn)行冷點(diǎn)溫度降低試驗(yàn)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)離線模型研究的準(zhǔn)確性。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)CQ 級(jí)鋼種進(jìn)行降低冷點(diǎn)溫度試驗(yàn)，冷點(diǎn)溫度由現(xiàn)有設(shè)定的620 ℃調(diào)整為600 ℃，第一輪試驗(yàn)8卷，第二輪試驗(yàn)12卷，第三輪試驗(yàn)65卷，三輪試驗(yàn)結(jié)果如表2所列。

表2 降低冷點(diǎn)溫度試驗(yàn)結(jié)果匯總表

由表2可以看出，經(jīng)過三輪降低冷點(diǎn)溫度試驗(yàn)，共計(jì)85卷，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等各項(xiàng)性能合格率高達(dá)100%，在不降低產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，通過工藝調(diào)整有效減少了能源浪費(fèi)。該應(yīng)用案例進(jìn)一步證明了本研究所建立的離線模型的精度，可以有效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工藝制度的優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)具有較大的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

（1）所建立的離線模型計(jì)算出來的最高芯部溫度與插片試驗(yàn)得到的實(shí)際數(shù)據(jù)誤差較小，說明本研究所建立的模型具有較高的精度。

（2）通過該模型指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行降低冷點(diǎn)溫度試驗(yàn)，對(duì)于提高加熱效率，節(jié)約成本降低能耗具有很大的意義。