高氫高速噴氣冷卻技術在汽車板高強鋼生產中的應用

摘要：降低車身重量同時提高安全性，是當前汽車板用鋼的主要發展方向。在退火過程中投用快冷段高氫功噴射冷技術成為實現高強度汽車用鋼的一種途徑。通過對熱鍍鋅線快冷段高氫高速噴冷技術的攻關，實現了高氫模式的功能投入及穩定運行，提高了帶鋼的冷卻速率。由于氣氛均勻，溫度的控制也均勻，帶鋼板型得到了更好的保障。通過對高氫冷卻技術的應用，大大降低了冷卻段風機的運轉負荷，有效的降低了能源損耗。

關鍵詞：高氫高速；安全保障；控制；節能

隨著汽車產業的不斷發展，對高強鋼的開發一直是鋼鐵行業探索研究的重要方向。河鋼邯鋼邯寶冷軋廠連續熱鍍鋅1#線定位于高檔家電板以及汽車面板的生產，其退火爐采用高氫保護氣體噴射冷卻技術提升帶鋼的冷卻速率；此外通過對快冷段移動風箱技術的開發，減少帶鋼與風箱的距離來增大氣體噴射壓力，從而增加氣體流速，進一步提高帶鋼的冷卻速率，以滿足高強鋼生產需求。

1 高氫投入的安全保障

氫氣作為一種易燃易爆的氣體，其爆炸極限在4%～756%，危險性非常高。快冷段要想完成高氫注入，首先就必須保證氫氣注入的安全性。由于氫氣的易燃、易爆及易泄漏的特點，快冷段循環管道需要有較好的氣密性，并且需要獨立的監測設備來保證安全。

1.1 膨脹節氣密性監測設備優化

為保證膨脹節內壓力穩定，及時快速的排查泄漏，在每一路膨脹節氮氣注入管道上，都安裝有一個壓力低報監測器和一個流量高報監測器。由于膨脹節內部壓力要高于爐內壓力以及標準大氣壓，當出現泄漏時，必將出現膨脹節內部壓力偏低和保壓氮氣流量增高的現象。

1.2 泄露監測設備投用

為了監測氫氣泄漏情況，快冷段的4個循環管道上方分別設有氫氣泄露監測設備，并將監測值送到測爆儀柜CEX上。只要任何一處的氫氣泄漏量超過3%，CEX進行就會產生報警，并將此信號送到控制系統中，控制系統通過控制邏輯停止高氫注入程序，并啟動氫氣泄漏緊急處理程序。

2 高氫模式的調試開發

2.1 爐壓控制及壓力平衡修正

爐內壓力的分布情況影響著快冷段氫氣向各個區域擴散速度，而爐壓的控制是調整各個爐內保護氣注入點的注入量來完成的。壓力平衡修正即為通過安裝在加熱爐各區域的壓力變送器檢測加熱爐各區域的爐壓，選取最小的壓力值與當前操作人員設定的爐壓相比較，在此基礎上進行流量補償。該補償流量是由控制程序中壓力平衡PID控制器的輸出、區域最大設定流量以及壓力修正因數計算所得。

2.2 氫氣平衡功能

氫氣平衡修正是通過一臺氫氣分析儀，將爐內各區域的氫氣含量測出，通過比較快冷段前后區域的氣氛中的氫氣濃度，調整各區域爐內氣氛的注入量，以達到保證前后氫氣含量基本相等，防止氫氣通過入口密封輥或爐鼻子溢出，產生安全事故。補償流量是由控制程序中氫氣平衡PID控制器的輸出、各區域流量的設定值以及實際值計算所得。

2.3 快冷段內不同濃度的氫氣含量對冷卻功率的影響

研究表明[1]，帶鋼冷卻效果的決定因素在于對流換熱系數和冷卻氣體溫度，其中氣體冷卻溫度取決于水冷換熱器的換熱效果。而影響對流換熱系數的因素主要有導熱系數、噴嘴形狀、噴嘴間距、噴嘴與帶鋼表面間距以及氣體噴出流速等[2]。帶鋼的冷卻效果取決于對流換熱系數，而氣體的導熱系數對對流換熱系數影響極大。與氮氣相比，氫氣的導熱系數極大，大約是其的7倍左右，因此將固定區域內氫氣含量提高，是提高帶鋼冷卻速率非常可行的方法。

通過實驗檢測，在快冷段單獨注入20%氫含量相較于退火爐各段整體注入4%左右氫氣濃度時，氫氣含量并沒有增加，但由于快冷段氫氣濃度的增加，提高了保護氣的對流傳熱系數，降低了冷卻風機的功率。噸鋼可降低電耗約12度左右，大幅降低了電耗，節省了生產成本。

通過增加快冷區域氫氣含量，快冷段三個區風機轉速都有明顯的下降趨勢。因此，我們可以在保證帶鋼溫度保持不變的前提下，通過增加快冷區域氫氣的含量，從而保證產線可以達到一個更高的生產速度。當快冷段入出口之間溫差設定固定時，帶鋼的冷卻速率和生產線運行速度成正比。因此，對一種固定規格的高強鋼來說，帶鋼進入和離開快冷段時的板溫設定是固定的，當我們進行產線提速的時候，帶鋼的冷卻速率也會提高。

2.4 移動風箱與帶鋼間距對冷卻速率的影響因素

當風機負荷一定的時候，保護氣體的噴射壓力取決于移動風箱與帶鋼的間距。保護氣體的噴射壓力會隨著間距的增大而減小，間距的減小而增大。HNX保護氣體與帶鋼之間的傳熱系數受到保護氣體的噴射壓力影響明顯。間距固定不變時，當HNX保護氣體的噴射壓力升高，帶鋼與保護氣體之間的傳熱系數也隨之變大。因此，移動風箱與帶鋼的間距對帶鋼的冷卻速率有直接的影響。間距變小，帶鋼的冷卻速率會隨之提升，間距變大，帶鋼的冷卻速率會隨之降低。

3 結語

通過對邯寶冷軋廠熱鍍鋅線快冷段高氫功噴射冷卻技術的攻關，實現了高氫模式的功能投入及穩定運行，提高了帶鋼的冷卻速率。由于高濃度氫氣具有還原性，帶鋼表面不易被氧化，入鋅鍋前表面質量得到提升，鍍鋅后的板面有了明顯的提升。實現了DP600+Z、DP780+Z等具有代表性的高強鋼批量穩定生產，填補了河北省的相關產品空白。通過對高氫冷卻技術的應用，大大降低了冷卻段風機的運轉負荷，有效的降低了能源損耗。

高氫噴射冷卻技術不僅在汽車用高強鋼的生產中效果明顯，而且應用在其它鋼種上時，同樣可顯著降低冷卻風壓及冷卻功率，減小了因帶鋼抖動造成劃傷的風險且降低了噸鋼電耗，有效地降低了生產成本，故高氫噴射冷卻技術具有其廣泛的推廣意義。

參考文獻：

[1]趙鎮男.傳熱學[M].高等教育出版社，2008：195.

[2]向順華，黃霞蘭，馬建華.帶鋼連續退火爐中氣霧冷卻速度的計算[J].寶鋼技術，2004（1）：6264.

作者簡介：只煒，男，工程師。