帶鋼連續(xù)退火爐噴氣快冷技術(shù)的研究

許秀飛，劉 剛,田茂飛 ,沈利飛

(1.中冶賽迪集團(tuán)有限公司，重慶 401122； 2.河南聯(lián)強(qiáng)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，河南 信陽 464194)

帶鋼連續(xù)鍍鋅線和連退線的退火工序包括加熱、均熱、冷卻(過時效)等工藝流程[1]，其中冷卻工藝是決定產(chǎn)品性能的最重要過程，是現(xiàn)代帶鋼連續(xù)退火爐的核心技術(shù)，特別在高強(qiáng)鋼生產(chǎn)中，快速冷卻的速率體現(xiàn)了現(xiàn)代汽車板生產(chǎn)線的技術(shù)水平[2]。

帶鋼的快速冷卻有噴氣、水淬、水冷輥等主要形式。由于水淬冷卻方式高溫帶鋼直接與水接觸，溫度均勻性非常差，冷卻后帶鋼板形不好，而且很難矯平，加上會造成帶鋼表面的氧化，必須配套酸洗、閃鍍鎳工序，只能應(yīng)用于連退生產(chǎn)線。水冷輥冷卻方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難、溫度均勻性也較差，一般也只用于連退生產(chǎn)線。近年來，隨著噴氣冷卻效率的飛速提高，水淬和水冷輥兩種冷卻方式有被噴氣冷卻取代的趨勢[3]。

噴氣冷卻具有結(jié)構(gòu)簡單、不會造成帶鋼表面氧化、易于控制帶鋼板形等優(yōu)點(diǎn)，是最為常用也是最為實(shí)用的工藝方法，特別是在高強(qiáng)鋼鍍鋅線基本都是采用噴氣冷卻技術(shù)。但是，我國在此方面發(fā)展相對比較滯后，到目前為止還沒有形成先進(jìn)、完整自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)體系，先進(jìn)的高強(qiáng)鋼連續(xù)退火線基本都是從國外引進(jìn)[4]。因此，有必要對國外噴氣冷卻技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析、對比和展望，為促進(jìn)國產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)提供借鑒。

1 噴氣冷卻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1.1 噴氣冷卻技術(shù)的發(fā)展

1.1.1 普通噴箱

最早的噴氣冷卻方法是采用的是普通噴箱，即在帶鋼兩面安裝帶有噴孔的風(fēng)箱，通過向帶鋼噴低溫氣體的方法，使帶鋼溫度下降。但這種原始的方法沒有與帶鋼作用后熱氣的溢流空間，不但熱交換效率極低，還極易造成帶鋼的振動，因此已經(jīng)或正在被淘汰[4]。

1.1.2 噴縫式冷卻風(fēng)箱

國內(nèi)汽車板鍍鋅和連退生產(chǎn)線最早大多是DR公司引進(jìn)的連續(xù)退火爐，其冷卻段采用的是噴縫冷卻風(fēng)箱[5]。噴縫式冷卻風(fēng)箱與傳統(tǒng)的噴箱相比，保持了帶鋼縱向分區(qū)冷卻的優(yōu)點(diǎn)，采用了噴縫形式的噴嘴，設(shè)計了溢流通道，使得氣流更加暢通，熱交換更加均勻，無論是熱效率還是冷卻速率都有了大幅度的提高。但由于廢氣必須從帶鋼兩側(cè)溢流，溢流通道較長。

1.1.3 高速冷卻模塊

大約從10多年前，我國開始已經(jīng)引進(jìn)ST公司的連續(xù)退火技術(shù)，該公司研發(fā)出了噴梁開孔結(jié)構(gòu)的高速冷卻模塊，并且設(shè)計了圓筒形的爐膛[6]。

圓筒形的爐膛和噴梁開孔結(jié)構(gòu)的高速冷卻模塊，廢氣可以從噴梁之間的空間背向溢流，溢流更加暢通。并設(shè)計有高精度的移動系統(tǒng)和帶鋼穩(wěn)定系統(tǒng)，噴嘴與帶鋼的距離很近。其爐膛和冷卻模塊的剛度都很高，非常適合采用高氫介質(zhì)實(shí)現(xiàn)帶鋼的快速冷卻。但這種雙排噴孔的結(jié)構(gòu)，容易造成氣流的干涉。

1.1.4 高速“氣線”分區(qū)冷卻箱

為了進(jìn)一步提高快冷段冷卻速率和帶鋼在橫向的溫度均勻性，SE公司最新研發(fā)了分區(qū)冷卻箱加高速“氣線”的方案，一方面將帶鋼在垂直方向分為5個區(qū)獨(dú)立進(jìn)行冷卻，另一方面將HN氣體以高速度、小直徑的“氣線”沖擊帶鋼，進(jìn)行熱交換后立即吸離帶鋼，取得了很好的效果。

高速“氣線”分區(qū)冷卻箱采用了很多噴管組成的密集的葉片，氣流束直徑細(xì)小、速度極快，廢氣溢流速度也極快，因此換熱效率很高。而且?guī)Р捎昧藥т摲謪^(qū)溫度檢測、分區(qū)冷卻風(fēng)箱，鋼橫向溫度均勻性好，可以避免產(chǎn)生瓢曲問題。

1.2 噴氣冷卻技術(shù)的應(yīng)用

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國噴氣冷卻技術(shù)的引進(jìn)及應(yīng)用情況，如表1所示。

表1 我國噴氣冷卻技術(shù)的引進(jìn)及應(yīng)用情況

2 高速噴氣快冷結(jié)構(gòu)研究

2.1 噴縫冷卻風(fēng)箱

2.1.1 風(fēng)箱結(jié)構(gòu)

風(fēng)箱為立式長方體結(jié)構(gòu)，風(fēng)箱背面為保護(hù)氣體進(jìn)氣口，正面安裝有窄縫式噴嘴。為了防止帶鋼邊部過冷，減少窄帶鋼的氣體流量，風(fēng)箱從進(jìn)氣口至噴嘴設(shè)有氣體隔板，可將保護(hù)氣體沿帶鋼橫向方向分割成5個區(qū)，這樣可由邊部擋板根據(jù)鋼帶的寬度對邊部所吹的氣體流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖1所示，圖1中實(shí)線表示了外部輪廓，虛線表示了內(nèi)部風(fēng)道和被擋住部分的噴嘴的形狀。

圖1 快冷段噴縫冷卻風(fēng)箱結(jié)構(gòu)及冷卻介質(zhì)流向

2.1.2 溢流原理

這種結(jié)構(gòu)氣體逸流通過窄縫式噴嘴之間的空間，由中部向從鋼帶的兩個側(cè)面流出。在快冷段，氣體流速高、流量大，噴嘴必須很長，以留出較大的逸流空間，讓氣體順利流出。為了防止噴嘴變形，必要時必須增加加強(qiáng)筋。其實(shí)物照片如圖2所示。

圖2 快冷段噴縫冷卻風(fēng)箱實(shí)物圖

2.1.3 分區(qū)冷卻的控制

帶鋼寬度方向的分區(qū)冷卻控制原理如圖3所示。

圖3 快冷段噴縫冷卻風(fēng)箱控制原理圖

2.1.4 特點(diǎn)分析

這種噴縫冷卻風(fēng)箱，與傳統(tǒng)的噴箱相比有了極大的進(jìn)步，無論是熱效率還是冷卻速率都有了大幅度的提高，當(dāng)采用15%H2濃度的HNx氣體作為冷卻介質(zhì)時，0.8 mm厚的帶鋼冷卻速度可以達(dá)到100 ℃/s，使得生產(chǎn)980 MPa的產(chǎn)品成為可能。

但是，也有人認(rèn)為在使用過程中噴縫會產(chǎn)生變形，造成噴出的氣流量嚴(yán)重不均勻，帶鋼的溫度也會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，可能因此而造成帶鋼瓢曲現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 快冷段噴管冷卻模塊

2.2.1 圓筒形的爐膛

圓筒形的爐膛設(shè)計具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)能夠減少爐膛在工作時因為溫度變化熱脹冷縮帶來的應(yīng)力集中，不致產(chǎn)生裂紋而造成泄漏；

(2)可以提高爐膛結(jié)構(gòu)的剛度，抵抗因為爐內(nèi)外壓力差造成的變形；

(3)結(jié)合噴管結(jié)構(gòu)的冷卻設(shè)備，能夠提高帶鋼冷卻的均勻性和運(yùn)行的穩(wěn)定性；

(4)有利于冷卻后的氣體的流動，不致在帶鋼附近形成渦流，引起帶鋼的振動；

(5)有利于將收集冷卻后的氣體，進(jìn)行冷卻再循環(huán)，氣體溫度均勻性好；

(6)爐內(nèi)沒有氣體流動的死角，爐氣成分的均勻性好，不致形成氫氣或氧氣的聚集，引起爆炸事故；

(7)不采用內(nèi)部保溫，可以避免氣流沖擊耐火材料形成爐內(nèi)粉塵落在帶鋼上，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2.2 快冷段的組成

采用這種技術(shù)的某鍍鋅退火爐的快冷段[7]如圖4所示，在帶鋼由下而上的一個行程中，在爐膛的下部和上部各設(shè)計了一對噴管冷卻模塊，每對噴管冷卻模塊又由左、右兩半相互獨(dú)立的可以左右移動的噴管冷卻模塊組成。為了防止帶鋼的飄動，在每對噴管冷卻模塊的上下均布置了可以移動的穩(wěn)定輥。另外，為了防止快冷段高濃度的氫氣快速擴(kuò)散，在下部設(shè)置了密封裝置。

圖4 快冷段噴管冷卻總體布置案例

每半個噴管冷卻模塊從中部進(jìn)氣，冷卻氣體從噴梁上的噴孔內(nèi)高速噴出，與帶鋼進(jìn)行熱交換以后的熱廢氣從噴梁之間的間隙流出冷卻模塊，進(jìn)入爐膛內(nèi)部，被安裝于噴管冷卻模塊上、下部位置的排氣管道吸出爐膛外部，經(jīng)過換熱器冷卻，并經(jīng)高壓風(fēng)機(jī)加壓后，重新從進(jìn)氣管道進(jìn)入冷卻模塊，如此循環(huán)流動。

2.2.3 冷卻模塊的結(jié)構(gòu)原理

冷卻模塊的實(shí)物照片如圖5所示，為矩形噴射梁開孔的形式。

圖5 快冷段噴射集管

在冷卻模塊內(nèi)部的氣流如圖6所示，冷氣從爐膛左右側(cè)分別進(jìn)入兩半個相互獨(dú)立的冷卻模塊，然后各分兩路從操作側(cè)和傳動側(cè)進(jìn)入噴射梁。扁平矩形的噴射梁在帶鋼的橫向分為五個區(qū)，其中中間的區(qū)域不經(jīng)過擋板控制流量直接進(jìn)入噴射梁，在此處設(shè)置壓力測量傳感器，作為壓力控制的依據(jù)；帶鋼邊部和次邊部的四個區(qū)經(jīng)過擋板調(diào)整進(jìn)入噴射梁的流量，以調(diào)整帶鋼在橫向的溫度均勻性。氣流從噴射梁斷面的噴孔內(nèi)以高速噴向帶鋼，進(jìn)行高效熱交換，使得帶鋼冷卻，被帶鋼加熱的氣體從噴梁之間的縫隙中向噴射的反方向流動，進(jìn)入冷卻模塊背面的爐膛內(nèi)，通過四個熱氣出口吸出爐外進(jìn)行冷卻后再次進(jìn)入爐膛內(nèi)。

圖6 冷卻模塊氣體流向示意

2.2.4 冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)

如圖7所示，該退火爐快冷段有兩個冷卻區(qū)，每個冷卻區(qū)有左右兩對冷卻模塊組合，每對冷卻模塊組合又有上下兩對冷卻模塊，即整個快冷段有16個冷卻模塊。

圖7 冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)

每個冷卻區(qū)配置一臺冷卻風(fēng)機(jī)，從爐膛左右兩側(cè)抽出的熱風(fēng)，分別經(jīng)過兩個換熱器冷卻后分成4路分別供應(yīng)給4個冷卻模塊，每一路有一個總閥。然后每一路又分為5個進(jìn)氣通道，分別連接噴梁，對應(yīng)帶鋼的中部、兩側(cè)次邊部和兩側(cè)邊部，其中中部的通道是直通的。兩側(cè)次邊部和兩側(cè)邊部的通道上均有調(diào)節(jié)擋板，可以通過控制各部分氣體的流量來調(diào)節(jié)帶鋼的橫向溫度均勻性。每半片冷卻模塊在上下方向有若干個噴梁，每個噴梁都是從兩個端部進(jìn)氣，各個噴梁中部、兩側(cè)次邊部和兩側(cè)邊部的進(jìn)氣通道是相通的，兩側(cè)次邊部和兩側(cè)邊部的流量由同一塊上下通長的擋板進(jìn)行調(diào)整。

2.2.5 特點(diǎn)分析

這種圓筒形的爐膛和噴梁開孔結(jié)構(gòu)的高速冷卻模塊，無論是爐膛還是冷卻模塊的剛度都很高，非常適合采用高氫介質(zhì)實(shí)現(xiàn)帶鋼的快速冷卻。據(jù)介紹，若采用40%H2濃度的HNx氣體作為冷卻介質(zhì)時，0.8 mm厚的帶鋼冷卻速度可以達(dá)到140 ℃/s，而且可以防止帶鋼瓢曲、振動和跑偏。

由于該技術(shù)生產(chǎn)高強(qiáng)鋼時需要采用高氫氣氛，對安全性能要求較高，又誕生了高速“氣線”分區(qū)冷卻箱技術(shù)。

2.3 高速“氣線”分區(qū)冷卻箱

2.3.1 冷卻風(fēng)箱的構(gòu)造

某鍍鋅線快冷段在一個行程內(nèi)設(shè)計了兩個冷卻單元[7]。每個單元在帶鋼兩側(cè)均并排布置了5個縱向冷卻風(fēng)箱，在風(fēng)箱上橫向安裝了若干排噴氣片，每個噴氣片末端設(shè)計有扁形高速噴氣管道，可以噴出高速度、小直徑的“氣線”沖擊帶鋼進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換，熱交換后的熱氣流立即通過噴氣片之間的逸流區(qū)被吸出爐膛外，匯集于一個集氣塔內(nèi)，經(jīng)過一次熱交換器冷卻后進(jìn)入高壓離心風(fēng)機(jī)，并經(jīng)過二次熱交換器冷卻后再次通過各管路進(jìn)入冷卻風(fēng)箱，如此循環(huán)往復(fù)流動。

圖8(a)是爐膛的縱向剖視圖，可見風(fēng)箱都是長方形的，進(jìn)氣管道在空間上是錯開的，對應(yīng)帶鋼的中心區(qū)域和兩個邊緣區(qū)域的3只風(fēng)箱從下方進(jìn)氣；對應(yīng)帶鋼兩個次邊緣區(qū)域的2只風(fēng)箱從上方進(jìn)氣。

圖8 快冷段分區(qū)冷卻箱

圖8(b)是爐膛水平剖視圖，從中可以看出在帶鋼的左右兩側(cè)均安裝有5只風(fēng)箱，從圖8(f)C-C向旋轉(zhuǎn)視圖可以看出5個風(fēng)箱分別對應(yīng)帶鋼的中心區(qū)域、兩個次邊緣區(qū)域、兩個邊緣區(qū)域，風(fēng)箱的寬度依次減小。

圖8(c)是圖8(a)中A區(qū)的放大，可見噴氣片內(nèi)的噴氣管道截面在垂直方向上是逐漸減小的。

圖8(e)是圖8(b)中D區(qū)的放大，可見噴氣片的末端有三角形凹槽，使得噴氣管道截面在水平方向上也是逐漸減小的。圖8(d)也可以說是圖8(e)的剖視圖，從圖8(c)的E-E向視圖8(d)可以看出噴氣片內(nèi)的噴氣管道截面末端是圓形的，所以能夠高速度、小直徑的“氣線”。

噴氣片的實(shí)物照片如圖9所示，為了防止噴氣片變形和發(fā)生斷帶時帶鋼斷頭進(jìn)入噴氣片之間的逸流區(qū)，在噴氣片之間增加了連接的加強(qiáng)筋。

圖9 噴氣片的實(shí)物圖

2.3.2 冷卻介質(zhì)氣體控制

上下兩個冷卻單元共用一套控制系統(tǒng)，但帶鋼的中心區(qū)域、兩個次邊緣區(qū)域、兩個邊緣區(qū)域所對應(yīng)的冷卻風(fēng)箱采用單獨(dú)控制的3臺高壓變頻離心風(fēng)機(jī)，可見該方案是以帶鋼橫向溫度均勻性為重點(diǎn)設(shè)計的，可以非常精確地進(jìn)行帶鋼溫度的分區(qū)控制。

2.3.3 特點(diǎn)分析

這種分區(qū)冷卻箱最大的特點(diǎn)是對帶鋼在橫向的溫度進(jìn)行分區(qū)檢測和閉環(huán)分區(qū)控制冷卻，可以保證帶鋼在橫向的溫度差控制在3 ℃以內(nèi)，不但能夠提高產(chǎn)品性能的均勻性，更重要的是可以完全避免帶鋼因為橫向溫度差造成的瓢曲現(xiàn)象，確保穩(wěn)定運(yùn)行；同時，冷卻介質(zhì)氣體在很密集的葉片中經(jīng)過截面逐漸減小的通道，能夠形成高速度、小直徑的“氣線”沖擊帶鋼，確保每一份氣體都能與帶鋼進(jìn)行充分的熱交換，因此換熱效率很高；另外，冷卻帶鋼后的熱氣能夠快速、順利地從噴氣片之間的逸流區(qū)被吸出爐膛外，不會對后續(xù)氣流帶來影響，因此帶鋼與刀片的距離可以小至40 mm，這也非常有利于提高冷卻速率，對于0.8 mm的帶鋼采用3%～5%H2濃度的保護(hù)氣體，可以以170 ℃/s的冷卻速度使帶鋼由750 ℃下降到460 ℃。不需要采用高氫就可以達(dá)到如此高的冷卻速率，不但可以滿足超高強(qiáng)度材質(zhì)的需要，爐膛也不需要高氫冷卻那樣的高密封性能，是很有積極意義的。

3 核心技術(shù)分析與開發(fā)思考

3.1 噴氣快冷系統(tǒng)設(shè)計核心技術(shù)

帶鋼噴氣冷卻工藝，不但要求對帶鋼冷卻熱交換的效率很高，而且要求保證生產(chǎn)的安全性、帶鋼的穩(wěn)定性，也不能對帶鋼表面帶來氧化、灰塵等影響。因此，必須采取多方面的技術(shù)，才能滿足高強(qiáng)鋼生產(chǎn)的需要。

3.1.1 細(xì)小高速的氣流

為了強(qiáng)化冷卻介質(zhì)氣體與帶鋼的對流熱交換，必須使得圓形氣束直徑較小，或扁平氣幕厚度較薄。在此基礎(chǔ)上盡可能提高氣流速度，不過通過提高電機(jī)功率來提高氣流速度的方法是不可行的，必須提高噴嘴結(jié)構(gòu)的改善。

3.1.2 暢通的逸流通道

為了確保氣流與帶鋼作用的層流效果，必須設(shè)計暢通的廢氣逸流通道，使得廢氣以很低的壓力、很快的速度離開帶鋼。逸流通道必須空間大、距離短，并輔以吸氣式的負(fù)壓設(shè)計。

3.1.3 距離最小化

氣流離開噴嘴后會發(fā)生速度下降、氣束直徑增加，噴嘴與帶鋼的距離必須越小越好，但會增加帶鋼與噴嘴接觸造成劃傷的可能性。因此，必須設(shè)計位置可調(diào)的風(fēng)箱和穩(wěn)定輥，同時快速逸流也有利于減少帶鋼的振幅，實(shí)現(xiàn)噴嘴與帶鋼距離的最小化。

3.1.4 帶鋼分區(qū)冷卻

帶鋼橫向溫度均勻性是保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，最好采用分區(qū)冷卻箱取代傳統(tǒng)的分區(qū)擋板提高帶鋼溫度的均勻性。

3.2 研究與開發(fā)的思考

3.2.1 國產(chǎn)化的緊迫性

鋼鐵屬于流程制造行業(yè)，生產(chǎn)過程主要依靠設(shè)備的保障。我國鋼鐵工業(yè)設(shè)備在煉鐵、煉鋼流程已經(jīng)領(lǐng)先世界，在軋鋼流程也基本與國外領(lǐng)先企業(yè)并駕齊驅(qū)，唯有汽車板鍍鋅和退火設(shè)備幾乎全部依靠進(jìn)口。在鍍鋅和退火設(shè)備中，加熱和鍍后處理技術(shù)也有了新的突破，但在家電板、建材板生產(chǎn)線的噴氣冷卻設(shè)備還是效率差、能耗高簡單結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平。

鍍鋅和退火是最終生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品的工序，冷卻設(shè)備技術(shù)完全依賴其他國家的現(xiàn)實(shí)已經(jīng)制約了汽車板新技術(shù)的發(fā)展，特別是高強(qiáng)鋼新產(chǎn)品的開發(fā)。要實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”的目標(biāo)，不但汽車行業(yè)需要更加先進(jìn)的高強(qiáng)鋼，其他所有行業(yè)也必須推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼，同時噴氣冷卻技術(shù)還可以運(yùn)用到鍍后冷卻系統(tǒng)，提高生產(chǎn)低碳耗的鋅鋁鎂、鋁硅鍍層產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)水平。因此，實(shí)現(xiàn)噴氣冷卻技術(shù)的國產(chǎn)化，目前非常緊迫，今后更加緊迫。

3.2.2 相關(guān)研究的局限性

雖然帶鋼噴氣冷卻技術(shù)是鍍鋅和退火技術(shù)的短板，但由于汽車板生產(chǎn)線的逐漸飽和，市場空間有限，國內(nèi)開展相關(guān)研究的單位很少。即使偶有研究，經(jīng)濟(jì)效益的原因，大多沒有投入經(jīng)費(fèi)進(jìn)行全面的研究開發(fā)，僅僅是局限于進(jìn)行噴嘴結(jié)構(gòu)的理論仿真運(yùn)算，而且考慮的因素非常簡單，沒有研究熱交換后廢氣溢流通道，沒有研究熱交換后氣體溫度上升帶來的影響，沒有研究帶鋼運(yùn)行對氣流帶來的擾動……因此，與實(shí)際差距很大。再加上國外現(xiàn)有技術(shù)研究已經(jīng)較為完備，僅僅在結(jié)構(gòu)方面很難再有全新的突破。

3.2.3 研發(fā)方向性思考

要從經(jīng)濟(jì)雙循環(huán)和低碳發(fā)展的高度認(rèn)識開展該技術(shù)研發(fā)的重要性，爭取國家項目、基金的支持，加大投入開展相關(guān)研究。要將理論研究和實(shí)際試驗結(jié)合起來，不斷優(yōu)化技術(shù)原理和設(shè)備方案。要將設(shè)備結(jié)構(gòu)與冷卻介質(zhì)結(jié)合起來，將生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)與智能化開展技術(shù)結(jié)合起來，研究系統(tǒng)性的解決方案，形成完全自主的知識產(chǎn)權(quán)。