冷軋全氫罩式爐退火工藝優化實踐

朱大軍

（攀枝花鋼釩有限公司冷軋廠罩平作業區，四川 攀枝花617000）

1 引言

采用全氫罩式爐退火可以獲得所需要的組織結構與性能的冷軋板，清除鋼板表面的積碳，改善鋼板表面質量。目前冷軋廠全氫罩式爐執行的工藝曲線是通過退火實驗及經驗制定。隨著設備升級改造、原料條件的變化及用戶使用要求的提升、市場競爭的加劇，現執行的工藝曲線已經不能完全適應生產、質量、成本的要求。存在退火鋼卷性能波動大，退火時間長，爐臺小時產量低，能源介質消耗高，出爐溫度不準確等情況。通過建立與生產現場條件相匹配的仿真平臺，對全氫罩式爐工藝進行優化，可實現全氫罩式爐工藝的精確控制，提升冷軋產品的競爭力。

2 全氫罩式退火過程

2．1 全氫罩式爐工藝過程簡介

全氫罩式爐工藝過程主要由裝爐、密封測試、氮氣吹掃、加熱、冷卻、出爐等過程組成。根據全氫罩式爐內的傳熱情況，整個退火過程可分為加熱、保溫和冷卻過程。加熱過程從對燒咀點火開始，到保護氣體溫度達到規定的工藝溫度結束。保溫過程從加熱過程結束開始，在規定的工藝溫度下對鋼卷進行保溫，直到同時滿足以下兩個條件時結束：①保溫達到工藝所需的時間；②鋼卷冷、熱點溫差滿足要求。冷卻過程由帶加熱罩緩冷、輻射冷卻（空冷）、風冷和噴淋冷卻四個子過程組成。當鋼卷冷卻到所需的出爐溫度時，完成整個退火過程。不同的鋼種有不同的退火工藝曲線。

在全氫罩式退火爐實際操作過程中，首先根據鋼種在退火曲線表中選擇退火曲線，再根據板寬、卷重等指標得出退火時間。一般為加熱、保溫和冷卻時間等。

3 建立全氫罩式爐數字化仿真平臺

3．1 全氫罩式爐退火傳熱過程

全氫罩式爐退火過程中，加熱和冷卻階段的主要傳熱形式如圖1［1］所示。

圖1 全氫罩式爐退火過程傳熱示意圖

加熱過程中的傳熱：加熱空間燃燒產生的高溫氣體與加熱罩、內罩的對流、輻射傳熱；加熱罩、內罩間的輻射傳熱；加熱罩本身導熱及其表面散熱。

冷卻過程的傳熱：流動空氣與冷卻罩、內罩的對流換熱；冷卻罩、內罩間的輻射換熱；內罩與噴淋冷卻水的換熱；冷卻罩外表面散熱。

在加熱和冷卻階段都存在的換熱形式：爐內氣體與鋼卷、內罩的對流換熱；內罩與鋼卷的輻射換熱；爐內氣體與對流板的對流換熱；對流板內部導熱；鋼卷內部傳熱；鋼卷上下表面與對流板的輻射換熱。

3．2 全氫罩式爐溫度場耦合體系

通過全氫罩式爐退火過程傳熱的分析，說明全氫罩式爐退火過程是一個多因素耦合的傳熱過程。如圖2所示的全氫罩式爐溫度場耦合體系。

根據圖2全氫罩式爐溫度場耦合體系邏輯圖，可知全氫罩式爐工作過程中的幾個溫度場分別是：鋼卷的溫度場、保護氣體溫度場和流場、內罩溫度場、爐膛空間（加熱空間）溫度場和流場、冷卻介質流場和溫度場、加熱罩溫度場和冷卻罩溫度場，其中鋼卷溫度場是全氫爐退火過程的核心［2］。因此，分別建立全氫罩式爐工作過程中加熱罩溫度計算模型、爐氣的溫度計算模型、內罩內保護氣體溫度計算模型、內罩溫度計算模型、鋼卷溫度計算模型，作為設計全氫罩式爐退火過程鋼卷溫度場離線預測程序的基礎。然后利用基于．net平臺的C#語言和．xml文件編制完成全氫罩式爐數字化仿真平臺。

全氫罩式爐數字化仿真平臺可根據已知的各個退火工藝階段的時長，計算獲得鋼卷溫度場在整個退火過程中的變化。或根據鋼卷退火工藝要求的溫度，計算得到各個階段鋼卷所需的退火工藝時間。程序計算結束后，可顯示計算出的溫度場結果圖形，如圖3所示。

圖2 全氫罩式爐溫度場耦合體系邏輯圖

圖3 計算溫度場結果顯示

3．3 實測全氫罩式爐鋼卷溫度

根據全氫罩式爐爐內流場及溫度場的分析，通常帶鋼熱點在一個鋼卷的上邊緣，冷點在一個鋼卷的板寬方向的二分之一處，卷取高度（從內徑向外）三分之一處［3］。根據這個溫度分布規律，我們將測試熱電偶，按圖4進行了布置。

圖4 測試熱電偶布置圖

為了把熱電偶放到理論的熱點與冷點，在帶鋼卷取的過程中，在放熱電偶的鋼卷層之間預先卷入與熱電偶直徑相當的插片，形成一定的間隙便于插入熱電偶。以DQ級鋼為例，選取5個同規格鋼卷組垛裝爐進行測試，測試結果見圖5。

圖5 DQ級鋼測量溫度曲線

3．4 數字化仿真平臺優化

為了使仿真平臺程序模擬計算鋼卷溫度更加準確，將多爐退火實測的時間作為程序計算的初始條件，計算出爐內鋼卷卷芯及邊部溫度。將計算出的溫度與各爐插片實測溫度進行對比，通過對數值模型中一些重要參數進行調整和修正，使仿真平臺程序數值計算結果與插片實測結果盡量一致。然后再用另外爐臺的插片實測數據檢驗仿真平臺程序計算的準確性。以下是10#爐（DQ料）插片實測對比情況，具體參數見表1、表2、表3。

表1 升溫階段結束時鋼卷中溫度仿真結果與實測結果對比（℃）

表2 保溫階段結束時鋼卷中溫度仿真結果與實測結果對比（℃）

表3 冷卻階段結束時鋼卷中溫度仿真結果與實測結果對比（℃）

根據對比可知，此仿真平臺所計算得到的鋼卷各處溫度與插片實測溫度相差不超過10℃，誤差在4%以內，精確度好于很多未經過現場插片修正的仿真軟件，完全可用于優化生產現場實際工藝。

4 退火工藝的優化

用仿真平臺程序模擬計算一爐DQ級鋼（爐臺、鋼卷參數略）的數據，截取保溫結束前2h、壓緊電偶到140℃前2h、鋼卷最冷點（4）到150℃前2h的數據如表4、表5、表6。

表4 DQ級鋼保溫結束前2h的記錄數據

表5 DQ級鋼在后期噴淋冷卻過程中，壓緊電偶到140℃前2h的記錄數據

表6 DQ級鋼在后期噴淋冷卻過程中，鋼卷最冷點（4）到150℃前2h的記錄數據

4．1 加熱制度的優化

4．1．1 加熱速度優化

因帶鋼從400℃加熱到保溫溫度723℃以下期間，正是再結晶形成階段，帶鋼的性能和表面質量都有相當大的影響，因而在這個溫度區間加熱速度必須予以控制［5］。通過仿真平臺測試發現，冷軋全氫罩式爐易粘結的鋼種加熱較快，達60℃／h以上。用仿真平臺對加熱速度進行優化后，根據鋼種規定升溫速度為20℃／h～50℃／h（具體加熱工藝略），新工藝執行后降低了粘結缺陷。

4．1．2 保溫時間優化

很多冷軋薄板生產廠和研究單位對爐內溫度的分布與控制電偶（CT）和爐臺壓緊電偶（BT）溫度的關系進行了研究，得出了不同沖壓級別冷軋板退火工藝所允許的CT和BT溫差（△T）的要求［4］，見表7。

通過DQ級鋼保溫結束前2h的記錄數據（表4），我們看到在后期的保溫過程中，爐內壓緊溫度上升很慢，到離保溫結束2h的時間段里幾乎沒有什么變化，而帶鋼邊部的溫度都趨于爐氣溫度，爐氣溫度與壓緊溫度的溫差已經小于40℃，由此判定鋼卷加熱保溫可以結束。因此，根據仿真計算在罩式退火爐退火過程中各點的溫度數據，說明原有的退火曲線有優化的余地，于是在生產過程中進行了退火曲線的優化：將原來保溫階段時間縮短2h。優化前后性能對比如表8。

表7 不同鋼種對△T的要求

表8 DQ鋼種優化前后性能對比

從表8可以看出，保溫時間減少2h的工藝制度，完全能滿足產品的性能要求。實行新工藝后提高了爐臺小時產量。

4．2 冷卻制度的優化

全氫罩式爐退火過程中，在降溫階段，鋼卷外圈與中部溫差加大，鋼卷的外層因冷縮與尚未降溫的內層形成抱緊狀態，因帶鋼經再結晶后屈服極限大幅降低，在卷芯溫度由峰值降至600℃過程中，帶鋼層間在壓應力作用下產生塑性變形，使層間緊密接觸面積顯著增大［6］。鋼卷中部處于高溫高壓下，極易產生粘結。因此對不同規格的帶鋼，應采用不同的帶罩冷卻時間，減緩高溫冷卻速度，避免高溫冷卻時產生較大的壓應力，以減少粘結缺陷。

通過仿真平臺程序模擬計算，在保溫結束后，用加熱罩緩慢冷卻，此時冷空氣通過燒咀吹到爐內，能維持確定的緩慢冷卻速度。針對易粘結的鋼種或規格，采用帶加熱罩緩冷2h－6h，在實際退火過程中，鋼卷粘結缺陷得以有效控制。

4．3 出爐溫度優化

出爐溫度的確定：以帶鋼出爐后與空氣接觸不發生氧化為依據，帶鋼的氧化溫度為160℃［7］。考慮到鋼卷內外溫差、爐臺利用率和確保表面質量，出爐溫度應當以≤150℃為宜。通過表5、表6數據我們可以看到，現行冷卻制度中的出爐溫度（壓緊140℃）過高，壓緊溫度140℃時，爐內第二卷溫度的冷點溫度為198℃。只有在壓緊電偶達到110℃的時候，第2卷帶鋼的冷點溫度為150℃，已經達到出爐時不被氧化的溫度點150℃，而處于帶鋼邊部的溫度都在100℃左右，可以得出在壓緊電偶達到110℃的時候，帶鋼冷卻可以結束。所以要考慮確保表面質量，出爐溫度修正為壓緊110℃較為合理。實行新的出爐溫度后減少了氧化色缺陷。

5 結論

利用仿真平臺軟件對現行全氫罩式爐退火工藝的加熱制度、冷卻制度、出爐溫度進行優化后：

（1）提高了全氫罩式爐的爐臺小時產量，月增產1 500t以上；

（2）降低了全氫罩式爐的能耗，電耗降低1．09%，煤氣消耗降低2．10%；

（3）減少了罩式爐機組粘結、氧化色缺陷的產生，產品一組品率提高了15．50%。

［1］林林，等．全氫罩式退火爐退火熱過程的研究（I）［J］．北京科技大學學報，2003，（2）．

［2］高偉．全氫罩式爐退火過程鋼卷溫度場和應力場的耦合研究 ［D］．華中科技大學，2008．

［3］趙愛偉．減少冷軋卷粘結缺陷的實踐［J］．新疆鋼鐵，2011（2）．

［4］陳云譯．全氫罩式爐退火工藝的最佳控制［J］．國外鋼鐵釩鈦，1996．

［5］張景進．板帶冷軋生產［M］．北京：冶金工業出版社．2006．

［6］王曉宇，等．冷軋帶鋼退火粘結缺陷的研究［J］．鞍鋼技術，2001（6）．

［7］王建平，等．實測全氫罩式爐料溫優化退火曲線［J］．應用能源技術，2010（2）．