鋼坯火焰清理機的國產化與智能化

李光石 陳光耀 陳 驥 李重河,5 祝 凱 魯雄剛,5,7

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444； 2.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海 200444；3.上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室,上海 200444； 4.上海東震冶金工程技術有限公司，上海 201900；5.上海特種鑄造工程技術研究中心，上海 201605； 6.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900；7.上海金屬零部件綠色再制造工程技術研究中心，上海 200444)

2008年國際金融危機以來，我國鋼鐵行業供過于求的矛盾日益凸顯。化解產能過剩的矛盾并淘汰落后產能是鋼鐵企業產業結構調整與優化的關鍵，大力發展高品質鋼鐵產品已成為我國大型鋼鐵企業提高競爭力的重要途徑。在現有的鋼鐵冶煉及連鑄技術條件下，鋼坯表面會不可避免地形成氧化皮及缺陷層，鋼坯表面的高質量清理是提升高附加值鋼材質量的關鍵之一。鋼坯表面清理技術主要包括自動火焰清理、人工火焰清理、人工修磨和噴丸清理等[1]。由于自動火焰清理具有清理質量高、生產效率高和勞動強度小等優點，國內外大型鋼鐵企業已廣泛采用火焰清理機清理高附加值鋼材。

我國從20世紀60、70年代開始引進美國、日本和德國等發達國家的火焰清理機，關鍵技術長期受制于美、日、韓等國家，直到21世紀初才逐步擁有火焰清理機制造的自主知識產權[2]。圖1為寶鋼湛江煉鋼廠與2150連鑄機配套的火焰清理機，是國內首臺自主改造升級的連鑄坯表面自動火焰清理裝置。

圖1 寶鋼湛江鋼廠與2150連鑄機配套的火焰清理機的示意圖Fig.1 Schematic of the scarfer matching to 2150 continuous caster in Baosteel Zhanjiang Steel Plant

1 火焰清理機簡介

1.1 火焰清理的基本原理

火焰清理的實質就是利用高壓氧氣與可燃氣體(焦爐煤氣、天然氣、丙烷、乙炔等)發生熱化學反應，產生高通量熱量作用于鋼坯表面形成一定深度的局部熔池，同時燒嘴噴出的高速氣流將產生的氧化熔渣剝離清除。簡言之，就是通過高溫火焰的氣割和熔除作用清除鋼坯表面一定深度的氧化皮和裂紋、點蝕、凹陷、夾雜及氣泡等缺陷層，達到剝皮檢驗和缺陷精整的目的。火焰清理主要包括鋼坯預熱、熔池和熔渣形成、熔渣去除等過程，式(1)～式(15)為清理過程中可能發生的化學反應：

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)+

191 kJ

(1)

H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)+57 kJ

(2)

CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g)+67 kJ

(3)

C3H8(g)+5O2(g)=3CO2(g)+4H2O(g)+

2 221 kJ

(4)

C2H2(g)+5/2O2(g)=2CO2(g)+H2O(g)+

300 kJ

(5)

Fe+53 kJ=Fe(l)

(6)

2Fe(l)+O2(g)=2FeO+503 kJ

(7)

3/2Fe(l)+O2(g) =1/2Fe3O4+565 kJ

(8)

4/3Fe(l)+O2(g) =2/3Fe2O3+553 kJ

(9)

2Fe+O2(g)=2FeO+535 kJ

(10)

3/2Fe+O2(g) =1/2Fe3O4+559 kJ

(11)

4/3Fe+O2(g) =2/3Fe2O3+548 kJ

(12)

4FeO+O2(g)=2Fe2O3+576 kJ

(13)

6FeO+O2(g)=2Fe3O4+632 kJ

(14)

4Fe3O4+O2(g)=6Fe2O3+464 kJ

(15)

按照能源介質的不同，可燃氣體與氧氣可能發生式(1)～式(5)非預混燃燒反應，產生的高溫火焰預熱鋼坯表面，迅速在清理前端形成局部金屬熔池，如式(6)所示。預熱后，高壓氧氣與鋼坯表面可能發生式(7)～式(15)化學反應，形成的熔渣被持續強氣流剝離，鋼坯與燒嘴發生相對運動，使鋼坯一定厚度的表層被清除掉。這不僅可以去除鋼坯表面的氧化皮和淺層皮下缺陷，提高鋼坯的表面質量，還可以暴露部分缺陷，以便在后續的熱軋等工序中去除。

目前，火焰清理技術可應用于包括軸承鋼(GGr15，GGr15SiMn等)、優質碳鋼(LX92A，SWRH82B等)、合金結構鋼(Mn系，MnB系，Cr系及CrMo系等)、冷鐓鋼(ML08- ML15Al，ML25K- 45K等)、彈簧鋼(65Mn，60Si2MnA，50CrV等)、齒輪鋼(CrMnTiH系，CrH系等)、超低碳鋼(SWRM2- SCMRM4等)、非調質鋼(YF40- 45MnV，30- 35MnVS等)、易切削鋼(1215Sn，1215等)和焊條鋼(H08SG，ER70S- G等)等多種高附加值鋼鐵產品[3]。隨著高品質鋼冶金技術的不斷發展和進步，火焰清理機在高附加值鋼鐵材料生產企業中的應用將越來越普及。

1.2 鋼坯火焰清理機類型

鋼坯火焰清理機可分為熱坯火焰清理機、冷坯火焰清理機和局部火焰清理機3種[5]。熱坯火焰清理機是用于清理溫度較高的板坯、方坯、小方坯及鑄錠，單次可清理4個或2個面；冷坯火焰清理機是用于清理溫度較低的溫坯或冷坯，單次也可清理4個或2個面；局部火焰清理機，顧名思義，就是按照燒嘴的寬度單位對鋼坯進行一次或多次帶狀清理、部分清理或全面清理。目前，熱坯和冷坯火焰清理機的使用量遠多于局部火焰清理機。由于熱坯火焰清理機可實現鋼坯的熱清、熱送，具有節能降耗、降低坯庫存量等優點，是鋼坯表面高效、高質量清理技術發展的大趨勢。

2 鋼坯火焰清理機的研究現狀

2.1 鋼坯火焰清理機的發展歷程

20世紀30年代初，美國UCC公司(Union Carbon Corporation)研制出了第一臺火焰清理機。1985年，瑞典ESAB公司(Elektriska Svetsnings- Aktiebolaget)收購了UCC林德分公司(Linde Division of Union Carbon)火焰清理機的相關業務，也即現在的L- TEC公司(L- TEC Steel Industry Products Division)。近90年來，L- TEC公司在鋼坯火焰清理機的研發和制造領域一直處于全球領先地位。日本曾在20世紀60年代初進行過火焰清理機制造技術的研發，但最終因性能不佳而失敗。L- TEC公司壟斷了20世紀全球大部分的火焰清理機制造，為世界30多個國家的鋼鐵企業提供了數百臺火焰清理機。而日本是目前使用火焰清理機數量最多的國家，日本極東貿易株式會社(Kyokuto Boeki Kaisha, LTD)也成為全球最大的代理銷售L- TEC火焰清理機及進行售后技術服務的公司。此外，德國GEGA和EVERTZ公司的火焰清理技術也處于世界先進水平，其火焰清理機及其關鍵技術廣泛應用于全球黑色和有色金屬的表面處理。

2.2 鋼坯火焰清理機的技術現狀

鋼坯火焰清理技術雖然起源于美國，但韓國和日本的技術最為先進，是使用鋼坯火焰清理機最成熟的國家。迄今，韓、日兩國擁有火焰清理技術的國際專利百余項，占全球總數的一半以上，僅韓國浦項鋼鐵和現代鋼鐵公司就擁有70余項火焰清理技術的國際專利。與此相比，我國雖然是使用火焰清理機的大國，但火焰清理機的自主研發起步較晚，整機和關鍵部件長期受制于國外壟斷。隨著我國高品質鋼材需求量的不斷增長，鋼坯表面質量的控制技術在鋼廠的作用愈加重要。基于我國鋼鐵冶金技術快速發展的大趨勢，鋼坯火焰清理技術已成為提升我國高品質鋼材表面質量的瓶頸，唯有實現火焰清理機的國產化，攻克和掌握關鍵技術，才能實現我國高品質鋼冶金技術的高速穩定發展。

2.3 能源介質調控技術的現狀

能源介質的調控直接影響鋼坯表面的清理質量和能耗，是火焰清理的關鍵環節。以往人工清理大多是憑經驗手動調節氧燃配比及流量，控制精度差，鋼坯表面質量難以保證。雖然火焰清理機采用先進的氣體調節閥、分配器及控制系統，大大提高了能源介質的可控性和精準性，但2015年馬鋼投入使用的CM- 90- 8- 1型(L- TEC)火焰清理機的生產數據表明：預熱效果不良及氧氣和燃氣不暢等易導致漏清理，這是嚴重影響鋼坯表面質量的火焰清理缺陷[4]。火焰清理過程中能源介質燃燒屬于流體力學與燃燒學交叉的領域，集熱流動態演化與燃燒化學反應于一體，是自動火焰清理技術領域的研究熱點與難點之一。目前，數值模擬是研究火焰清理過程中能源介質燃燒射流演變、傳熱機制與燃燒化學反應之間內在聯系的最常用的手段。陳志威等[5]基于鞍鋼現有的CM- 69- 8- 1型(L- TEC)火焰清理機，采用數值模擬技術優化能源介質配比和控制預熱工藝，不僅提升了冷坯的表面質量，還實現了火焰清理的節能降耗。李寶寬等[6- 7]采用數值模擬與燃燒試驗相結合的方法研究了火焰清理機平行多孔射流非預混燃燒過程射流的流動特性及溫度分布規律，結果表明：平行多射流的相互作用和碰撞不是隨意演化的，有一定的規律性，射流在噴嘴出口附近因康達效應趨于形成雙孔射流合并，而射流合并的卷吸作用會促進燃氣與氧氣的充分混合，有利于燃燒反應的進行。但是，多股射流的卷吸及合并作用也會導致射流在沖擊鋼坯表面時形成溝槽，而射流沖擊表面的傳熱特性主要取決于雷諾數、射流與射流及射流與鋼坯的間距[8]。因此，采用數值模擬和燃燒試驗相結合的方法優化能源介質調控，實現能源介質燃燒射流的在線智能化和精準調控，是未來研發新型高端智能化火焰清理機的重點。

2.4 火焰清理燒嘴技術的現狀

通過優化清理程序控制、調整氧氣與可燃氣體的配比等可在一定程度上提高鋼坯表面的清理質量，但也存在較大的局限性。燒嘴是火焰清理機的核心零件，直接影響火焰清理過程的射流特性，關系到鋼坯表面的清理質量，燒嘴射流特性解析是優化燒嘴設計的基礎。陳智勇等[9]利用CFD(計算流體動力學)模擬了燒嘴火焰由預熱態轉向清理態的瞬態燃燒過程。數值模擬可快速清晰地獲得燒嘴火焰的內部特性與鋼坯熔池的演變規律，進而通過射流分布規律優化燒嘴結構和開發新型燒嘴[10]。根據現有的燒嘴射流特性分析，上海東震冶金工程技術有限公司開發了一種連鑄坯火焰清理機用新型平滑燒嘴(圖2)，大大提高了能源介質燃燒射流的穩定性和清理后鋼坯表面的平整度[11]。劉洋等[12]采用數值模擬的方法研究了火焰清理過程中的熔渣飛濺現象，提出了新型熔渣快速冷卻自排裝置，從源頭上避免了熔渣“放炮”現象的發生，提高了自動火焰清理的安全性。因此，基于火焰清理過程射流特性的解析，優化燒嘴結構是提高火焰清理的質量、效率、安全性的關鍵技術手段。

圖2 連鑄坯火焰清理機用國產新型平滑燒嘴Fig.2 Chinese- made new type of smooth burners used in scarfing machine for continuously cast slab

2.5 智能化火焰清理技術的發展現狀

目前，鋼鐵的智能制造尚處于起步階段，但這是冶金行業轉型升級和高質量發展的必經之路。如何實現火焰清理機從“自動”到“智能”的升級，將是未來高品質鋼材表面清理技術革新的重要課題之一。智能火焰清理技術的關鍵在于鋼坯表面清理的智能識別和智能控制。韓國浦項曾開發了一種基于Gabor濾波器和圖像識別的缺陷檢測算法，能實現火焰清理板坯表面針孔類缺陷的智能檢測[13]。該方法能識別鋼坯火焰清理的表面缺陷，真檢出率達97.26%，假檢出率為1.66%[14]。近年來，圖像識別技術和人工智能算法得到了飛速發展，有文獻報道了多種鋼坯表面缺陷的智能視覺識別技術方案和智能識別系統[15- 18]。2018年上海東震冶金工程技術有限公司開發了一種全自動智能火焰清理機系統，可以智能識別板坯清理參數、智能判斷預熱坑占比和智能控制清理工藝，實現了無人正常生產[19]。智能火焰清理技術的國產化是我國鋼鐵企業智能化技術自主研發和應用的典范之一，也標志著我國的鋼鐵火焰清理技術已處于世界領先水平。

3 我國鋼坯火焰清理技術的自主研發之路

3.1 鋼坯火焰清理機的國產化

迄今，我國鋼鐵企業火焰清理機的應用僅半個世紀左右[20]。早期，鋼鐵企業及科研院所均是基于進口設備及其配套技術，關注實際生產工藝參數的優化，探索自動火焰清理的能源介質消耗、金屬收得率、鋼坯表面質量等問題[21- 23]。隨著進口火焰清理機在寶鋼、武鋼和首鋼等大型鋼鐵企業的推廣使用，設備的維護、升級、改造等長期受制于國外供貨企業，嚴重制約了我國鋼鐵企業的高效生產和高質量發展。為此，國內相關研究者及企業根據生產需要，正在探索火焰清理機部件及相關配套設施的自主研發與改進[24- 32]。燒嘴和分配器是火焰清理機的核心部件，直接影響鋼坯的清理質量，進口成本和后期維修費用均十分昂貴。上海東震冶金工程技術有限公司1995年就逐步實現了火焰清理機燒嘴、分配器、控制閥站等關鍵部件的國產化，并供寶鋼、首鋼及本鋼等大型鋼鐵企業使用。20余年來，我國鋼鐵企業在火焰清理設備的使用和維護中逐漸積累了經驗，開展了供氣系統、液壓系統、環保除塵系統等關鍵設備的改造升級研究[33- 39]。2010年，原寶鋼一煉鋼廠完成了1 930 mm連鑄生產線進口自動火焰清理裝置整機自主設計和升級改造工程，投產至今運行穩定，性能達到了進口設備的水準，這也是我國自動化火焰清理裝置國產化的雛形。在此基礎上，上海東震冶金工程技術有限公司于2015年實現了連鑄坯自動火焰清理設備的完全國產化，并在寶鋼湛江鋼鐵煉鋼廠2 150 mm連鑄生產線上熱試成功，板坯達到了預期的清理效果[2]。這標志著我國已擁有完全自主知識產權的火焰清理機制造技術，打破了國外長期的技術壟斷與封鎖，填補了我國鋼鐵冶金領域的一項技術空白。此外，我國在與火焰清理機配套的環保除塵等設施方面也取得了一系列突破性進展。2003年，西安重型機械研究所研制出了首臺臥式濕式電除塵器(WSDB)，并逐步投入鋼鐵企業的生產，實現了火焰清理機煙氣處理配套設施的國產化[40- 41]。

3.2 鋼坯火焰清理機的智能化

目前，上海東震冶金工程技術有限公司已經開發出了第二代智能型連鑄坯表面火焰清理裝置，見圖3，并擁有十余項有自主知識產權的關鍵技術[11, 42- 54]。該設備采用先進的工業相機對預熱區、燒嘴、鑄坯表面進行原位圖像與視頻采集，通過視覺分析算法的優化，實現了清理過程自動判定、燒嘴狀態在線檢測和異常預警及鑄坯表面清理質量在線判定，還開發出了管道泄漏動態預警和智能保護、燒嘴動作與動態反饋和板坯動態定位等多個智能配套系統，真正實現了火焰清理技術的智能化。由于設備運行穩定，整機性能優異，國內鋼鐵企業近5年來新建的自動火焰清理裝置均是由上海東震冶金工程技術有限公司設計制造，實現了國產化鋼坯火焰清理機的全覆蓋。

圖3 寶鋼湛江鋼廠新建的第二代智能火焰清理機Fig.3 Second generation of intelligent scarfer in Baosteel Zhanjiang steel plant

近年來，由于技術及市場被國外壟斷，迫使企業加速自主研發關鍵技術，實現了鋼坯火焰清理機的“國產化”和“智能化”，徹底解決了我國鋼坯火焰清理技術的“瓶頸”，對推動我國高品質、高附加值鋼鐵產品表面質量的提升具有深遠意義。

4 結語

隨著我國鋼鐵冶金技術的快速發展，國產化火焰清理技術在高品質、高附加值鋼鐵材料表面質量的提升中起到了至關重要的作用。但是設備投資及維護成本高和金屬損失率高，是制約火焰清理機廣泛應用于鋼坯表面清理的主要因素。調整能源介質、改進關鍵部件的結構、優化清理過程的程序控制等可在一定程度上降低火焰清理機的使用成本，較好地兼顧板坯表面質量和金屬收得率，但局限性較大，提升空間有限。以人工智能圖像識別技術為切入點，開發新型智能火焰清理機是未來火焰清理技術的發展趨勢。智能清理與在線判定、無人值守與動態預警等新技術是未來火焰清理技術的研究熱點。基于現有國產化自動火焰清理技術，充分利用人工智能技術，有望實現鋼坯清理質量的提升，促進我國鋼鐵智能制造技術的高質量發展。