不銹鋼連退爐燒嘴燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

郭紅生

（本鋼不銹鋼冷軋丹東有限責(zé)任公司，遼寧 丹東 118300）

在國際社會(huì)普遍關(guān)注全球氣候變化的大環(huán)境下，我國也在大力強(qiáng)調(diào)節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境，鋼鐵行業(yè)正在掀起新一輪的“節(jié)能減排風(fēng)暴”。退火爐是冷軋廠連退的關(guān)鍵設(shè)備之一，而燒嘴是退火爐的重要設(shè)備，退火爐燃燒系統(tǒng)的合理使用，不但能滿足不同鋼種的退火溫度，保證帶鋼的機(jī)械性能，并對(duì)提高熱效率和節(jié)能減排都有著重要的意義。

本鋼不銹鋼冷軋廠退火酸洗機(jī)組從法國DMS公司引進(jìn)，該機(jī)組用于生產(chǎn)AISI300、AISI400系列的冷軋不銹鋼，退火爐采用日本中外爐Chugai-Ro公司生產(chǎn)的懸垂式連續(xù)退火爐，水平式爐的帶鋼在支撐輥之間自由懸垂，并通過帶鋼張力進(jìn)行控制，帶鋼在爐內(nèi)的張力為4~7 N/mm2，工藝段線速度最大為82 m/min。熱處理流程為：將帶鋼加熱到1 050～1 150℃，在升溫過程中使碳化物溶入奧氏體，適當(dāng)保溫一段短時(shí)間，然后迅速冷卻到350℃以下，得到過飽和固溶體。對(duì)鐵素體不銹鋼的熱處理目的是消除應(yīng)力，退火溫度為650～850℃，在空氣、水中進(jìn)行冷卻[1]。在連續(xù)退火爐中均采用加熱+保溫+快冷的生產(chǎn)工藝。

1 不銹鋼冷軋連退爐介紹

1.1 退火爐組成

退火爐由預(yù)熱段、加熱及連接段、風(fēng)冷段、水冷段、擠干及干燥段組成。

1.2 加熱段組成

加熱段內(nèi)寬2.2 m，在縱向、爐長方向的側(cè)墻上交錯(cuò)布置有明火燒嘴，用于加熱帶鋼，燒嘴布置在帶鋼的上、下表面。爐內(nèi)襯有耐火材料，可使?fàn)t墻的散熱損失達(dá)到最小。退火爐不同區(qū)域的爐溫、保溫材料的密度以及所耐高溫程度都不同[2]，最高爐溫為1 280℃，最高操作溫度為1 250℃。加熱段劃分為7個(gè)溫度控制區(qū)域。加熱段由爐體、耐材、布置84支燒嘴、助燃風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、支承輥系統(tǒng)支撐輥提升裝置（雙輥型）3套、換輥小車1套、窺視孔和人孔構(gòu)成。加熱段裝有兩只輻射高溫計(jì)。輻射高溫計(jì)帶有水冷套和可視管，位于區(qū)域5的輻射高溫計(jì)為固定式，位于區(qū)域7的輻射高溫計(jì)為可提升式（電動(dòng)），以保證可視管與帶鋼表面的清潔度。

1.3 燒嘴和燃燒系統(tǒng)

燒嘴（如圖1）采用極低氮氧化物、高速型燒嘴，用以滿足低氮氧化物、寬帶的要求。為了節(jié)約能源，給燒嘴提供600℃的助燃空氣，燒嘴使用點(diǎn)火電極點(diǎn)火后，由室溫到800℃的烘爐過程中，點(diǎn)燃下排燒嘴并用紅外線火焰監(jiān)測(cè)器監(jiān)控。上排燒嘴配備有UV檢測(cè)設(shè)備，當(dāng)溫度低于800℃時(shí)，下排燒嘴的火焰將會(huì)被監(jiān)測(cè)；當(dāng)爐溫高于800℃時(shí)，所有的燒嘴都被點(diǎn)燃。高速燒嘴工作原理如圖2所示。

圖1 高速燒嘴實(shí)物圖

圖2 高速燒嘴原理圖

高速燒嘴的使用和合理布置將保證帶鋼加熱的一致性。煙囪處廢氣中所含NOx的質(zhì)量濃度≤240 mg/m3。為了優(yōu)化溫度控制并確保加熱的連續(xù)性，加熱區(qū)4到加熱區(qū)7的溫度分為上、下控制區(qū)域，加熱區(qū)1到3的燒嘴，在產(chǎn)量低的情況下可單獨(dú)控制開、閉，助燃空氣由高效換熱器預(yù)熱到600℃。這樣，可使?fàn)t連退效率大大提高，并減少燃料的消耗。

加熱段每個(gè)控制區(qū)域燒嘴的數(shù)量及燒嘴容量如表1所示。

表1 加熱段每個(gè)控制區(qū)域燒嘴數(shù)量及容量

2 連退爐燒嘴自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 空氣及煤氣流量控制

燃燒控制建立在煤氣與空氣流量控制的基礎(chǔ)上，空燃比若不合理會(huì)使得燃燒條件不能滿足工藝要求，形成過燒、帶鋼表面成分改變等質(zhì)量缺陷，因此，精準(zhǔn)控制煤氣、空氣的流量配比至關(guān)重要。空氣及煤氣流量的控制過程為：分別取各自的流量信號(hào)上傳至PLC，PLC再傳給PID進(jìn)行計(jì)算，通過控制煤氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)煤氣流量，控制風(fēng)機(jī)的變頻電機(jī)來調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)壓，要使兩者的配比始終處在一個(gè)合適的需求范圍之內(nèi)。

空燃比控制回路有兩種形式。第一種是區(qū)域1到區(qū)域3，流量控制回路逐一設(shè)定。當(dāng)爐溫低于800℃時(shí)，主燒嘴火焰將被一直監(jiān)測(cè)，如果有一支燒嘴熄滅，為保證安全，燒嘴組中的所有燒嘴（6支）都將關(guān)閉，在確保安全的情況下，才將燒嘴組中的其他燒嘴再次點(diǎn)燃；當(dāng)爐溫高于800℃時(shí)，所有主燒嘴火焰將被點(diǎn)燃，如果有一支燒嘴熄滅，其他燒嘴也會(huì)繼續(xù)燃燒。另一種是區(qū)域4到區(qū)域7，每個(gè)區(qū)域里的控制回路都分為上下兩部分。

2.2 爐溫控制

在退火爐工藝要求中，溫度是關(guān)鍵指標(biāo)，退火爐爐溫控制精度及穩(wěn)定性是產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素[3]。

加熱段在縱向方向上分為7個(gè)溫度控制區(qū)域。每個(gè)區(qū)域的頂部裝有兩支熱電偶，側(cè)面裝有一支熱電偶，每個(gè)加熱區(qū)共計(jì)三支熱電偶。頂部的一支熱電偶用于測(cè)溫，另一支用于監(jiān)測(cè)和報(bào)警。如果一支熱電偶失靈，另一支將被替換進(jìn)行測(cè)溫。如有要求，轉(zhuǎn)換可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。采用雙交叉控制的方式使帶鋼上下兩部分的溫差實(shí)現(xiàn)最小化，空氣、燃?xì)饬髁靠刂破鞯脑O(shè)定值也可以相互控制，因此空燃比可一直保持在適宜燃燒的范圍內(nèi)。w（O）由區(qū)域4和區(qū)域6入口處的氧分析儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量值用以補(bǔ)償雙交叉函數(shù)中區(qū)域4到區(qū)域5和區(qū)域6到區(qū)域7的空燃比；燒嘴調(diào)節(jié)比為1∶5；燒嘴噴嘴流速約為100~110 m/s。

2.3 加熱段w（O）控制

在4段和6段入口處有氧含量分析儀測(cè)量w（O）。這些氧氣含量信號(hào)將通過交叉極限控制器對(duì)空燃比進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償，該控制分別在4段到5段和6段到7段進(jìn)行。

2.4 加熱段爐內(nèi)壓力控制

爐內(nèi)壓力是由分布于連退爐各部分的大量保護(hù)氣體和爐上各閥門的開度調(diào)節(jié)形成的，在整個(gè)爐內(nèi)形成了一個(gè)正壓系統(tǒng)。通過保證爐內(nèi)為微正壓來達(dá)到防止外界氣體進(jìn)入爐內(nèi)，保證爐內(nèi)氣氛穩(wěn)定，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備安全的目的。退火爐爐壓分為入口爐壓控制和7區(qū)爐壓控制，通常選擇入口爐壓控制，爐壓設(shè)定如下表2所示。

表2 入口爐壓控制設(shè)定表

爐內(nèi)壓力應(yīng)控制在合適的恒定狀態(tài)下，否則爐內(nèi)氣體會(huì)向外擴(kuò)散或使外部空氣進(jìn)入爐內(nèi)，這樣將對(duì)燃燒產(chǎn)生干擾并可能對(duì)帶鋼表面產(chǎn)生影響。連退爐的入口和出口處有對(duì)壓力的檢測(cè)及顯示，壓力控制系統(tǒng)可以根據(jù)這些信號(hào)進(jìn)行控制。對(duì)于爐壓波動(dòng)要求控制系統(tǒng)要快速做出反應(yīng)并對(duì)其進(jìn)行調(diào)解，通過變頻排放風(fēng)機(jī)及區(qū)段緩沖器對(duì)爐壓進(jìn)行控制，采用前饋控制來對(duì)燃燒負(fù)荷的變化做出快速響應(yīng)。

3 結(jié)語

退火是不銹鋼冷軋生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，不銹鋼帶軋制后會(huì)產(chǎn)生硬化、耐蝕性降低等問題，經(jīng)過連續(xù)熱處理可以改善產(chǎn)品組織，提高塑性，實(shí)現(xiàn)碳化物固溶。本鋼不銹鋼冷軋連續(xù)退火爐是世界上比較先進(jìn)的設(shè)備，而燒嘴燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為不銹鋼的大量生產(chǎn)以及產(chǎn)品質(zhì)量的提升提供了保障，并在提高熱效率和節(jié)能減排方面具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。