連續退火爐正常運行時的氣密性檢測技術研究

姜 磊

(寶山鋼鐵股份有限公司 冷軋廠，上海 201900)

0 引言

近年來，隨著汽車制造、航空航天、儀器儀表、電力電子和食品包裝等行業的快速發展，極大地推動了對金屬板帶的需求。由于軋制后的帶材塑性較差，需要經過退火工序之后才能提供給下游板帶用戶進行深加工[1-3]。與此同時，立式連續退火機組將清洗、退火、平整、精整等四個工序合而為一，具有生產效率高的特點，并且可以在較低的成本下生產出平直度好、性能均勻、表面清潔度高的產品，因而獲得了迅速的發展[4-7]。

連續退火爐在安裝后需要對爐殼的氣密性做打壓試驗來確保爐子的氣密性[8,9]。但是連續退火爐正常生產過程中，也會由于熱脹冷縮、爐體鋼結構振動、檢修拆裝設備、密封件損壞、設備損壞、撤帶穿帶等因素致使爐殼出現局部泄漏，如果這些漏點沒有被及時發現和有效封堵，就會導致退火爐氣密性變差，使得爐內氧氣含量升高，最終影響產品質量[10,11]。因此，本文從退火爐正常運行時爐內氫氣和氧氣的含量與爐內氣密性之間的角度出發，建立氫氣和氧氣與爐內氣密性的關系判定模型，從而得知退火爐正常運行時各爐段氣密性情況。

1 退火爐內氫氣和氧氣含量與氣密性之間的關系

連續退火爐正常運行時，爐內持續通入由氮氣和氫氣組成的還原性保護氣體，氫氣一方面可以加快爐內帶鋼的冷卻速度，另一方面還可以讓爐內帶鋼表面形成的氧化鐵發生還原反應，防止帶鋼表面被氧化。爐內氫氣含量變化的原因主要有兩方面：①連續退火爐爐內是微正壓，也就是說爐內的壓力大于爐外壓力，當爐殼存在漏點時，爐內的氣體會向外排出，從而導致退火爐內氫氣含量降低；②如果退火爐風機負壓部分存在漏點時，會吸入大量空氣進入到爐內，進入到爐內的氧氣就會與氫氣發生反應生成水，從而導致爐內氫氣含量降低。因此，爐內檢測到的氫氣含量越低，表明爐子的氣密性越差。換言之，爐內氫氣含量的變化從側面反映了退火爐氣密性不佳，爐子存在漏點問題。

爐內的氧氣含量也與退火爐氣密性緊密相關。一般而言，退火爐內氧氣含量是需要控制在0.001%以下，但是爐子正常運行時，如果退火爐內氧氣含量升高，主要是因為退火爐風機負壓區域(循環風機入口、軸承、法蘭與管道等處)存在漏點，吸入空氣造成的。因此，爐內氧氣含量越大，爐子的氣密性越差。也就是說，爐內氧氣含量的變化可以說明退火爐氣密性不佳，爐子存在漏點問題。

爐內氫氣與氧氣含量變化與氣密性的關系如圖1所示。從圖1中可以看出：一定時間內爐內氧氣相對變化量如果小于30%，則可認為該處氣密性良好，反之，氧氣相對變化量超過30%，則認為氣密性差，需要采取一定補漏措施治理氣體泄漏；一定時間內爐內氫氣相對變化量如果小于25%，則認定該處氣密性良好，反之，氫氣相對變化量超過25%，則認定該處氣密性差，需要采取一定補漏措施治理氣體泄漏。

圖1 爐內氫氣和氧氣含量變化與氣密性的關系

2 退火爐內氫氣和氧氣含量與氣密性關系判定模型

氫氣主要被注入在退火爐爐膛部位，起到還原和保護帶鋼的作用；而爐子內一旦氧氣含量過高，主要是從風機負壓區域的泄漏點進入。因此，本文分別從氫氣含量的變化與爐膛部位氣密性判定模型和氧氣含量變化與風機負壓區域氣密性判定模型兩方面著手進行研究。

2.1 退火爐內氫氣含量與氣密性判定模型

氫氣屬于保護氣體，爐內氫氣含量的變化可用于退火爐爐體正壓部分氣密性的檢測。為檢測退火爐內氫氣含量與爐膛氣密性的關系，建立退火爐內氫氣含量與氣密性判定模型。

理想氣體的狀態方程為：

PV=nRT.

(1)

其中：P為爐內壓力；V為爐內氫氣體積；n為氫氣物質的量；R為氣體常數；T為爐內溫度。

假設退火爐正常運行過程為定量等溫過程，由玻意耳-馬略特定律可知，式(1)可以寫成：

P(V-ΔVp)=(P-ΔP)V.

(2)

其中：ΔVp為檢測壓力下泄漏氫氣的體積；ΔP為前、后兩次檢測爐內的壓力差。

從爐內泄漏的氣體會直接進入到空氣中，在大氣狀態下有：

P0×ΔV0=P×ΔVp.

(3)

其中：P0為檢漏時的大氣壓力；ΔV0為大氣壓下氫氣的泄漏量。

結合式(2)和式(3)得到氣體的泄漏量為：

(4)

通過分析可知，在已知V的前提下，只要測出檢漏時的大氣壓力P0和待測爐內泄漏壓力差ΔP，便可以求解出爐內氫氣的泄漏量。

2.2 退火爐內氧氣含量與氣密性關系判定模型

氧氣因為在爐內含量少，一旦氧氣含量增加，安裝在爐內的氣體分析儀就會檢測發現，因此，爐內氧氣含量的變化可以用來判定爐子氣密性的好壞。爐內氧氣含量的變化主要是源于退火爐風機負壓區域存在泄漏，爐外的空氣被風機強大的吸力吸入爐內。為了快速判定爐子循環風機處氣密性好壞，開發出一套依據氧氣含量的變化判定退火爐各風機處是否存在泄漏的判定模型。具體步驟如下：

(1)將各爐段風機轉速調整為額定轉速的5%運行5 min，并收集此時所有風機處氧氣含量VO1i(i為風機編號)。

(2)在冷卻段中，從SCS段(緩冷段)、RCS段(快冷段)、OAS段(過時效段)、FCS段(終冷段)逐一選擇爐段，并選中該爐段的一個風機，將其轉速調整為額定轉速的90%運行15 min，除該風機外其余所有風機仍舊保持額定轉速的5%運行，收集此時的風機氧氣含量VO2i。

3 退火爐風機負壓區域氣密性情況分析

針對連退爐循環風機泄漏判定，采用氧氣含量與氣密性判定模型對冷卻段的循環風機氣密性情況進行測試，得到的結果如表1～表4所示。

表1 SCS段的風機轉速與氧氣含量情況

由表1分析可知：SCS段1#～4#風機按額定轉速的5%運行5min，測得的O2含量分別為5.83×10-4%、5.85×10-4%、5.85×10-4%、5.85×10-4%；當分別把1#～4#風機按額定轉速的90%運轉15 min后，測得O2含量分別為7.23×10-4%、7.51×10-4%、8.08×10-4%、7.45×10-4%；依據氧氣含量與氣密性判斷模型可知，SCS段1#、2#、4#風機氣密性良好，3#風機氣密性較差。

由表2分析可知：RCS段1#～6#風機按額定轉速的5%運行5 min，測得的O2含量分別為5.9×10-4%、5.89×10-4%、5.92×10-4%、5.85×10-4%、5.93×10-4%、5.90×10-4%；當分別把1#～6#風機按額定轉速的90%運轉15 min后，測得O2含量分別為16.43×10-4%、18.17×10-4%、20.85×10-4%、18.27×10-4%、17.29×10-4%、10.56×10-4%。依據氧氣含量與氣密性判斷模型可知，RCS段1#～6#風機氣密性均較差。

表2 RCS段的風機轉速與氧氣含量情況

由表3分析可知：OAS段1#、2#風機按額定轉速的5%運行5 min，測得的O2含量分別為7.01×10-4%、3.26×10-4%；當分別把1#、2#風機按額定轉速的90%運轉15 min后，測得O2含量分別為13.50×10-4%、7.21×10-4%。依據氧氣含量與氣密性判斷模型可知，OAS段1#、2#風機氣密性均較差。

表3 OAS段的風機轉速與氧氣含量情況

由表4分析可知：FCS段1#～8#風機按額定轉速的5%運行5 min，測得的O2含量分別為3.15×10-4%、3.71×10-4%、3.52×10-4%、3.55×10-4%、3.51×10-4%、3.52×10-4%、3.54×10-4%、3.51×10-4%；當分別把1#～8#風機按額定轉速的90%運轉15 min后，測得O2含量分別為12.56×10-4%、14.45×10-4%、15.06×10-4%、16.52×10-4%、16.89×10-4%、17.62×10-4%、17.80×10-4%、18.24×10-4%。依據氧氣含量與氣密性判斷模型可知，FCS段1#～8#風機氣密性均較差。

表4 FCS段的風機轉速與氧氣含量情況

4 結語

本文針對1550連退機組存在的爐內氣密性檢測問題，提出了退火爐內氫氣與爐膛氣密性判定模型和爐內氧氣含量與循環風機氣密性判定模型。并依據建立的退火爐運行過程中爐內氫氣及氧氣含量與氣密性模型，分析了爐內風機處的漏點分布情況，從而為實現漏點的準確治理奠定了基礎。