淺析鍍錫板連續(xù)退火機(jī)組爐區(qū)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

楊柏松，李元亭，譚 華，張智華

(1.重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122;2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021)

1 背 景

鍍錫鋼板將鋼的硬度和強(qiáng)度與錫的易焊接性、抗腐蝕性和光亮的外表集于一體，鍍錫板具有無(wú)味無(wú)毒、質(zhì)量輕、易于加工成型等優(yōu)點(diǎn)。在食品罐頭工業(yè)、電子器件、化工油漆等行業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，但針對(duì)目前的鍍錫板板塊進(jìn)行分析會(huì)發(fā)現(xiàn)存在如下的問(wèn)題：

(1)存在嚴(yán)重缺少高端鍍錫基板：一些單機(jī)架可逆冷軋機(jī)雖為零散鍍錫機(jī)組提供基板，但其化學(xué)成分和性能都不能作為食品罐使用，只能作為低端產(chǎn)品，如雜品罐等，采用薄板刨分料的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

(2)產(chǎn)品質(zhì)量不高：有些鍍錫板生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定， 包括鋼板的厚度公差、平直度、鍍層均勻度、剪切精度、表面光潔度、硬度等。

(3)缺乏高品質(zhì)鍍錫板：鍍錫板生產(chǎn)企業(yè)自供基板多采用罩式退火爐生產(chǎn)，生產(chǎn)的鍍錫基板板面易黏結(jié)，性能不均勻，且僅能生產(chǎn)軟質(zhì)鍍錫板，難以穩(wěn)定生產(chǎn)出高品質(zhì)鍍錫板。

(4)布局極不均衡：我國(guó)鍍錫板生產(chǎn)機(jī)組集中分布在我國(guó)東南沿海地區(qū)，西南、西北廣大地區(qū)還沒(méi)有鍍錫板生產(chǎn)機(jī)組。

不同于普通鋼板的連續(xù)退火機(jī)組，對(duì)鍍錫板連退機(jī)組，產(chǎn)品薄、速度快等特點(diǎn)，鍍錫板連續(xù)退火機(jī)組(見圖1)更像對(duì)鋼板進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理，其綜合機(jī)械包括性能，如硬度、塑性、回彈性等，產(chǎn)品機(jī)械性能如表1所示。

圖1 某鍍錫板連退機(jī)組爐區(qū)

表1 鍍錫板連退產(chǎn)品機(jī)械性能

因此針對(duì)鍍錫板連退和傳統(tǒng)的冷軋鋼板連退有必要做出比較(見表2)，以便于針對(duì)不同要求做出相應(yīng)設(shè)計(jì)。同傳統(tǒng)的冷軋板連續(xù)退火機(jī)組相比，由于帶鋼薄，在帶鋼穩(wěn)定通板的設(shè)計(jì)上的考慮肯定不同于傳統(tǒng)的連退，相比之下，在核心位置上，高速高強(qiáng)快冷相比之下難度有較大程度的降低，但對(duì)穩(wěn)定通板則提高了要求，正因?yàn)樯鲜鎏攸c(diǎn)導(dǎo)致二者設(shè)計(jì)區(qū)別較大。

表2 2種連退的設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)比表

因此比較了兩種連退機(jī)組的區(qū)別后，把鍍錫板連退的技術(shù)特點(diǎn)的論述重點(diǎn)放在了穩(wěn)定通板、R-OA、余熱利用的三個(gè)方面。

2 穩(wěn)定通板

從張力設(shè)定、爐輥凸度、爐輥傳動(dòng)及調(diào)節(jié)、帶鋼在爐內(nèi)的抖動(dòng)等各方面對(duì)穩(wěn)定通板的限制條件進(jìn)行初步分析。

1)合理的張力控制

在帶鋼退火爐的實(shí)際操作中，張力是首要關(guān)注的內(nèi)容，因張力波動(dòng)或設(shè)定有誤造成的缺陷有跑偏，斷帶，熱瓢曲等等。張力在不同溫度段的設(shè)定值所受的影響因素較多，對(duì)產(chǎn)生熱瓢曲的理論極限應(yīng)力值進(jìn)行理論計(jì)算和驗(yàn)證，歸納為式(1)：

σmax=(KD2/L2)(Re2/E){t/[θf(wàn)(W-Lc)]}2

(1)

式中：K為比例因子；D為爐輥直徑，mm；L為上下輥間距，m；Re為帶鋼的高溫屈服強(qiáng)度，MPa；E為帶鋼的高溫楊氏模量，GPa；t為帶鋼厚度，mm；θ為爐輥錐度傾角，mrad；f為帶鋼和爐輥之間的靜摩擦系數(shù)；W為帶鋼寬度，mm；Lc為爐輥中央直線段長(zhǎng)度，mm。

驗(yàn)證條件：t=1 mm；D=800 mm；L=20.8 m；E=50 GPa；W=1 200 mm;Lc=500 mm。

驗(yàn)證結(jié)果：產(chǎn)生熱瓢曲的臨界張力結(jié)果高溫段張力為17 MPa，當(dāng)然爐輥凸度減小，臨界張力還會(huì)增大，但增加了糾偏的難度。

將驗(yàn)證結(jié)果用于實(shí)際張力設(shè)定Tz。一般的，帶鋼張力=帶鋼厚度(mm)×帶鋼寬度(mm)×單位張力(N/mm2) ,但在整個(gè)實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，存在不同規(guī)格的交接，這時(shí)的張力設(shè)定就不能簡(jiǎn)單考慮要跑帶鋼的張力設(shè)定了，還要考慮到該鋼卷前一卷的張力值，同時(shí)不同寬度也不可能在計(jì)算機(jī)上面全部都考慮到，因此，引入式(2)進(jìn)行修正：

Tz=[(W×t)/1 000]×

{(Tm-ln-(Tm-ln-Tmn)×[(Wm-W)/(Wm-

Wm-1)]-(Tm-ln-Tmn-1)×[(tn-t)/(tn-tn-1)]}

(2)

式中：Tmn為規(guī)格Wm、tn下的張力值，N/mm2；T為帶鋼厚度，mm；W為帶鋼寬度，mm。

舉例說(shuō)明：帶鋼計(jì)算條件以均熱段為例：帶寬1 233 mm,帶厚0.6 mm，在代表規(guī)格張力表中，代表規(guī)格為帶寬1 1 99 mm,帶厚0.6 mm，在均熱段的標(biāo)準(zhǔn)張力為7.4 N/mm2；代表規(guī)格為帶寬1 399 mm,帶厚0.6 mm，在均熱段的標(biāo)準(zhǔn)張力為6.4 N/mm2。

代入式(2)，得

Tz=1 233×0.6/1 000×

[7.4-(7.4-6.4)×(1 399-1 233)/(1 399-1 199)-

(7.4-6.4)×(0.6-0.6)/(0.6-0.6)]

Tz=4.7 N/mm2

根據(jù)上述計(jì)算，分析如下：張力設(shè)定的變化是根據(jù)厚度變化進(jìn)行綜合優(yōu)化的，張力設(shè)定必須考慮到兩卷不同的鋼板的張力設(shè)計(jì)值。

2)合理的爐輥凸度設(shè)定

因此爐子張力的基礎(chǔ)和爐輥的凸度的制定是以均熱段為基礎(chǔ)的，因此在沒(méi)有產(chǎn)生帶鋼表面缺陷的基礎(chǔ)上，爐子進(jìn)口的張力會(huì)成倍的增長(zhǎng)，相應(yīng)的爐輥凸度也是有較大的增長(zhǎng)。這樣既起到自糾偏的作用，又沒(méi)有熱瓢曲的危險(xiǎn)。

爐子在過(guò)時(shí)效段一直到出口段的張力和爐輥凸度的設(shè)計(jì)原則是一樣的，但帶鋼退火后的屈服強(qiáng)度下降不少，因此張力設(shè)定和爐輥凸度應(yīng)該不如爐子進(jìn)口部分大。

3)張力的調(diào)節(jié)

出張力輥后的帶鋼單位張力計(jì)算公式見式(3)[1]：

T1/T2=efθ

(3)

式中：T1為出張力輥后的帶鋼單位張力，MPa；T2為進(jìn)張力輥前的帶鋼單位張力MPa；f為爐輥熱態(tài)的摩擦系數(shù)；θ為帶鋼的在爐輥上面的包角，rad。

在張力輥的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在入口和出口張力都確定的前提下，計(jì)算張力的放大倍數(shù)efθ，然后根據(jù)入口出口的張力值，計(jì)算所需要的包角。

3 R-OA(深冷再加熱的加速過(guò)時(shí)效)

2006年在某廠現(xiàn)有的鍍鋅線上率先進(jìn)行了鍍鋅改連退的嘗試，并于當(dāng)年成功生產(chǎn)出合格的連退板，但過(guò)時(shí)效時(shí)間短成為嚴(yán)重制約機(jī)組速度的瓶頸。

鋼板的時(shí)效性是指性能隨時(shí)間的變化而發(fā)生變化，鋼板的時(shí)效一般是由于碳原子、氮原子在晶格中的擴(kuò)散，形成間隙原子，鍍錫板原板隨著時(shí)間推移會(huì)發(fā)生硬化，加工性能下降，甚至出現(xiàn)性能不均勻的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象被通常定義為鋼板的時(shí)效硬化。通過(guò)過(guò)時(shí)效的生產(chǎn)工藝，減少鋼中固溶的碳，鋼中的碳化物在晶內(nèi)均勻地析出分布，降低成品鋼板的時(shí)效性硬化。

鋼板的過(guò)時(shí)效工藝在高強(qiáng)板鍍鋅機(jī)組和冷軋板連退方面都有應(yīng)用需求，雖然要求不同，但總體來(lái)講都是為了獲得冷軋板性能的穩(wěn)定性，使其在保質(zhì)期內(nèi)不發(fā)生時(shí)效以造成鋼板的硬化，因此過(guò)時(shí)效工藝是保證鋼板保證在使用過(guò)程中的性能穩(wěn)定性所采取的必要措施，其目的是獲得性能穩(wěn)定的鍍錫原板。

而且過(guò)時(shí)效的溫度對(duì)生產(chǎn)是十分重要的，溫度高，會(huì)使過(guò)時(shí)效處理后鋼中的鐵素體仍固溶大量的碳，過(guò)時(shí)效處理不佳；溫度低，會(huì)降低碳的活度，不容易擴(kuò)散。因此降溫過(guò)時(shí)效就在等溫過(guò)時(shí)效的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生。

但過(guò)時(shí)效的生產(chǎn)工藝是需要溫度和時(shí)間的雙重作用的，通常的冷軋板連退機(jī)組的機(jī)組運(yùn)行速度不如鍍錫板連退的機(jī)組運(yùn)行速度那么快，因此即使是較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)時(shí)效時(shí)間在設(shè)備上也是可以實(shí)現(xiàn)的；而針對(duì)鍍錫板在較高的機(jī)組運(yùn)行速度要實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間過(guò)時(shí)效就變得不太現(xiàn)實(shí)了，因此需要解決有效縮短過(guò)時(shí)效時(shí)間的途徑，同傳統(tǒng)的冷軋板連退機(jī)組過(guò)時(shí)效段相比，需要將過(guò)時(shí)效時(shí)間縮短至90 s以內(nèi)。

提高一次冷卻速度對(duì)過(guò)時(shí)效的影響：降低急冷最終溫度，將使碳在鐵素體中的過(guò)飽和度增加，尤其是降低急冷最終溫度，將使碳在鐵素體中具有更大的過(guò)飽和度，從而使固溶碳在過(guò)時(shí)效處理時(shí)析出速度加快，析出更為徹底，因此時(shí)效指數(shù)降低，過(guò)時(shí)效時(shí)間縮短。

因此，針對(duì)帶鋼相變的全過(guò)程選擇合適的一次冷卻速度，起始溫度為680～720 ℃，冷卻結(jié)束的溫度為250～270 ℃，這一冷卻過(guò)程冷卻段采用高速快冷的方式。

這一技術(shù)尤其適合于超過(guò)500 m/min的高速機(jī)組，因?yàn)閹т撨^(guò)時(shí)效的時(shí)間僅與機(jī)組速度有關(guān)，高速機(jī)組(超過(guò)500 m/min)要將過(guò)時(shí)效縮短在2 min以內(nèi)[1]。

1)實(shí)踐：R-OA(深冷再加熱的加速過(guò)時(shí)效)

于2006年在某廠的改造，過(guò)時(shí)效時(shí)間設(shè)計(jì)高于3 min，過(guò)時(shí)效溫度為450～290 ℃，退火結(jié)果仍然出現(xiàn)了部分含碳量較高的板過(guò)時(shí)效不徹底。

可以說(shuō)一次冷卻速度偏低是該機(jī)組過(guò)時(shí)效缺乏原動(dòng)力的直接原因，首先有效提高一次冷卻速度使板材獲得了足夠的時(shí)效原動(dòng)力，同時(shí)獲得足夠冷卻速度的板帶還應(yīng)具有足夠的過(guò)時(shí)效溫度，因此不同于傳統(tǒng)的等溫過(guò)時(shí)效，ROA(深冷再加熱的加速過(guò)時(shí)效)過(guò)時(shí)效采用了高速快冷，將鋼板從高溫冷卻到290 ℃以下，然后通過(guò)感應(yīng)再加熱提高到490 ℃，經(jīng)過(guò)梯度過(guò)時(shí)效的降溫處理，過(guò)時(shí)效起始溫度為490 ℃，完結(jié)于290 ℃，大幅度縮短了過(guò)時(shí)效時(shí)間，這一生產(chǎn)工藝適合于高速機(jī)組，尤其是鍍錫板生產(chǎn)線。

對(duì)于ROA(深冷再加熱的加速過(guò)時(shí)效)采用感應(yīng)加熱是比較合適的選擇，感應(yīng)加熱在極短時(shí)間完成了鋼板的升溫，同時(shí)也在鋼板的居里點(diǎn)以下，采用縱磁感應(yīng)加熱具有極高的利用效率，同時(shí)沒(méi)有占用爐長(zhǎng)方向的有效空間，但由于鍍錫板原板的厚度極薄，首先應(yīng)根據(jù)板厚計(jì)算縱磁透熱深度，這是選擇電源頻率的關(guān)鍵。

2)電流透熱深度

(4)

式中：Δ為透熱深度，cm；ρ為電阻率，Ω·cm；μ為磁導(dǎo)率，H/m；f為電源頻率，Hz。

首先，縱磁加熱的感應(yīng)爐電熱轉(zhuǎn)換效率和“壁厚/透入深度”的值密切相關(guān)，該值越小則加熱爐的轉(zhuǎn)換效率越低，該值越大則加熱爐的轉(zhuǎn)換效率越高，但該值越大鋼坯內(nèi)外溫差也越大，“三明治”現(xiàn)象也越顯著。而針對(duì)鍍錫板則正好相反，原則是透熱深度不可以超過(guò)鋼板厚度的一半，可以看出，針對(duì)鍍錫板的超薄0.17～0.35 mm計(jì)算的電源頻率都在120 kHz以上。

3)加熱電源功率選擇

電源功率是感應(yīng)加熱電源的另外一個(gè)重要指標(biāo)，電源功率的選擇主要由加熱工藝及加熱速度的要求決定。

(1)計(jì)算條件：1 000 mm×0.25 mm；380 m/min；入感應(yīng)加熱前的板溫為290 ℃；出感應(yīng)加熱前的板溫為490 ℃。

(2)功率計(jì)算:

① 加熱工件質(zhì)量：

=12.43 kg/sec

② 工件吸收功率：

=1 450 kW

③ 縱磁綜合加熱效率約為η=60%，計(jì)算加熱電源功率：

④ 整線功率選擇及分配:由上述計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn)并考慮設(shè)備的安全運(yùn)行余量，感應(yīng)加熱電源總功率應(yīng)選擇為2 500 kW。這樣的頻率加上功率超過(guò)2 000 kW的要求，重點(diǎn)在于如何解決電源，可以考察采用500 kW以下的多級(jí)組合方式，但還需要解決密封問(wèn)題。因此所付出的代價(jià)，在機(jī)組工藝段運(yùn)行速度沒(méi)有超過(guò)400 m/min之前，沒(méi)有必要采用這一技術(shù)。

4 余熱利用

對(duì)于鍍錫板不采用預(yù)熱段后，余熱利用就變得十分需要和必要，將有效的余熱應(yīng)用于清洗段，因?yàn)殄冨a板連退在清洗段的能源成本消耗都在30元/t以上，這樣通過(guò)合理的能源利用可以為清洗段節(jié)約能源7～11元/t。

1)干燥器結(jié)構(gòu)及用戶點(diǎn)分布

改進(jìn)余熱利用系統(tǒng)的目的是更直接地利用煙氣余熱，不需要將余熱交換給蒸汽再經(jīng)過(guò)熱交換變成干燥熱風(fēng)，而是直接利用全機(jī)組現(xiàn)有的3個(gè)用戶點(diǎn)，設(shè)計(jì)煙氣-熱空氣的低溫?fù)Q熱器，直接供給清洗段干燥、水淬槽干燥、光整機(jī)干燥。

根據(jù)圖2所示，改進(jìn)后的干燥器采用預(yù)熱空氣取代原有經(jīng)過(guò)蒸汽加熱的干燥熱風(fēng)，這一優(yōu)點(diǎn)是正常生產(chǎn)后完全不用蒸汽了，當(dāng)時(shí)原有蒸汽換熱器可以保留作為輔助系統(tǒng)。

圖2 干燥器改進(jìn)示意圖

根據(jù)圖3所示，改進(jìn)后的干燥器采用預(yù)熱空氣采用吸入式換熱器并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這樣3個(gè)干燥點(diǎn)只需要1臺(tái)換熱器，同時(shí)各個(gè)干燥風(fēng)機(jī)布置在干燥器附近便于壓力控制。

圖3 改進(jìn)后的干燥點(diǎn)分布

2)各種清洗段水介質(zhì)的余熱利用工作原理

清洗段原有各種清洗介質(zhì)的加熱也是通過(guò)蒸汽的換熱器對(duì)個(gè)循環(huán)槽進(jìn)行加熱的，改進(jìn)后的供熱改為熱水，循環(huán)系統(tǒng)的原理圖如圖4所示。

圖4 各種清洗介質(zhì)加熱系統(tǒng)循環(huán)原理圖

(1)熱水系統(tǒng)最優(yōu)的設(shè)計(jì)是不用旁通，用熱水水箱循環(huán)加熱系統(tǒng)是安全的，但設(shè)計(jì)方面的安全系統(tǒng)包括換熱器前后的保護(hù)是十分重要的。

(2)水系統(tǒng)的換熱器和煙氣的換熱最好不要受到產(chǎn)量高低的影響，同時(shí)能有效應(yīng)對(duì)水質(zhì)各種離子，尤其是氯離子的腐蝕作用。

(3)水換熱器的選擇介質(zhì)最好不要多樣性，不起泡、不腐蝕、不結(jié)垢等。

5 結(jié) 論

(1)ROA(高速深冷配合感應(yīng)再加熱)是未來(lái)高速機(jī)組，特別是鍍錫板連退線解決過(guò)時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和過(guò)時(shí)效不徹底的一種有效技術(shù)手段；提高一次冷卻速度是縮短過(guò)時(shí)效時(shí)間的有效手段[1]； R-OA是國(guó)內(nèi)亟待掌握的核心技術(shù)，不僅僅應(yīng)用于鍍錫板連退，對(duì)于高強(qiáng)鋼鍍鋅機(jī)組也有極高的應(yīng)用價(jià)值。

(2)穩(wěn)定通板的核心還是張力控制的穩(wěn)定性要提高，針對(duì)鍍錫板連退不推薦采用預(yù)熱爐，但需要配置合理的余熱利用系統(tǒng)將清洗段和爐區(qū)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)；所配套的張力檢測(cè)和控制系統(tǒng)是核心。

(3)鍍錫板連退的同罩式爐退火的優(yōu)點(diǎn)是可以精確控制退火板的性能，如延展率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，使得產(chǎn)品的應(yīng)用范圍得到擴(kuò)展。

(4)正是基于穩(wěn)定的張力控制和合理的余熱利用設(shè)計(jì)，不建議鍍錫板連續(xù)退火爐采用預(yù)熱爐和余熱鍋爐的設(shè)計(jì)，取而代之的是結(jié)合全線的用戶點(diǎn)進(jìn)行綜合能源利用。