退火爐氮氣管路串聯改造

顏 君

（上海華峰鋁業股份有限公司，上海 201500）

0 引言

氮氣保護式鋁卷退火爐是生產過程中的關鍵設備，氮氣作為保護氣加熱，使爐內達到少氧環境，可防止鋁卷的氧化、脫碳，能夠得到性能和表面質量更好的產品。現今市場競爭壓力日益增大，減少氮氣使用量夠降低生產成本，提高市場競爭力。

1 退火爐設備概況

公司現有4 臺氮氣保護40 t 鋁卷退火爐，由陜西安中機械有限責任公司于2008 年設計制造。

1.1 主要技術參數

爐子型式，噴流式電加熱氮氣保護退火爐；裝爐量，40 t；鋁卷最大規格，Ф2000 mm×1450 mm，4 卷；爐子最高使用溫度，600 ℃；金屬退火溫度，170～500 ℃；加熱方式，電加熱該爐設有一套完整的氮氣供應及壓力調節系統，包括氮氣壓力檢測、氣動調節閥、壓力調節閥以及流量計等，根據工藝需要可在退火各階段能完成對氮氣不同供應量的自動控制。氮氣進口壓力約0.5 MPa，充氮洗爐時段預計量大流量700 Nm3/h，氮氣吹掃時間≤60 min，氮氣吹掃后爐內氧含量≤0.2%，加熱升溫時段氮氣消耗量≤150 Nm3/h，保溫時段氮氣消耗量≤40 Nm3/h，氮氣的純度是99.99%。

氧含量分析系統主要由氧分析儀構成，能對爐膛的氧含量進行在線分析，分析結果可遠傳到控制柜的觸摸屏上，從而可調節氮氣供應系統。

1.2 生產工藝流程

（1）將待退火的鋁卷吊放到料架上，用天車吊放在爐外的裝出料車上。

（2）松開壓緊爐門的氣缸，打開爐門并鎖緊安全銷。

（3）開動裝出料機構對準中心，啟動液壓缸，將料盤升起，再啟動小車。將裝好爐料的料車送入爐內，小車到位后，將料盤和料架落到爐底兩側的支撐柱上，裝出料小車退到爐外，開到合適位置。

（4）脫開安全銷，降下爐門，然后壓緊爐門使之有良好密封。

（5）氮氣供氣管路上的氣動碟閥全部打開，氮氣以最大量從爐底和爐頂吹入爐內開始對爐膛進行吹洗，當爐內氧含量達到0.2%時（大概用時40 min），通向爐底管路的氣動球閥關閉，只保留通過量為70 m3/h 的氣動球閥打開，同時加熱器送電，爐子開始加熱升溫；爐膛溫度大概升到250 ℃時循環風機轉為高速運行。

（6）在爐子升溫過程中，分3 個階段進行：差溫加熱階段，比例控制階段，保溫階段。在升溫的“差溫加熱階段”，一開始爐氣溫度與爐料溫度之差較大，爐子的熱工過程由爐氣溫度進行控制。隨著爐料溫度的升高，兩者之差變小，當料溫達到一定值時，信號顯示爐子轉入比例控制階段。在此期間，爐溫與料溫將按一定比例變化（料溫升、爐溫降）爐子的熱工過程轉為由料溫進行控制，當料溫、爐溫均達到給定值時系統轉入保溫階段，以減少爐料本身表面和心部的溫差。在上述各階段，PLC 系統可隨時顯示各種參數，整個操作過程既可按PLC 程序自動進行，也可轉換為手動控制，保溫終了時發出聲光信號，準備出爐或降溫。

（7）切斷加熱器，開啟旁路冷卻器，進行爐內降溫冷卻。如要求控制降溫，可用變頻器調節旁冷風機和吹洗風機的風量和風壓。必要時，加熱器還應投入工作。

（8）冷卻降溫工序完成后，停止循環風機，松開壓緊氣缸，打開爐門并插入安全銷。開動復合料車，把料拉出爐外。把料車上退完火的料用天車吊走，重新裝料。這就是第一爐次退火的全部過程。

2 氮氣管路串聯改造方案

以現有4 臺氮氣保護鋁卷退火爐為改造對象，按順序分別命名為1#退火爐、2#退火爐、3#退火爐、4#退火爐，退火爐管路如圖1 所示。將1#退火爐排煙管到與2#退火爐吹洗管路連接，連接管通徑DN150，PN1.6 MPa，連接管中間安裝有金屬硬密封氣動蝶閥，采用同樣的方法依次將2#與3#退火爐連接、3#與4#退火爐連接。由于現場空間限制，未將4#退火爐排煙管道與1#退火爐吹洗管道連接，沒有形成閉環回路，同行公司現場條件允許的情況下可以嘗試閉環連接。

圖1 退火爐管路

3 改造后的生產工藝流程

3.1 將1#、2#退火爐或2#、3#退火爐或3#、4#退火爐兩兩成對使用

例如安排1#、2#同時生產時，3#、4#退火爐繼續沿用之前的操作流程不受干擾。若1#、2#退火爐成對安排生產，首先將1#退火爐吹洗管路、排煙管路以及2#退火爐吹洗管路3 個氣動蝶閥關閉；打開1#、2#退火爐串聯管路以及2#退火爐排煙管路2 個氣動蝶閥；1#退火爐氮氣供氣管路上大流量氣動碟閥打開，氮氣以700 m3/h 的流量從爐底和爐頂吹入爐內開始對1#退火爐爐膛進行吹洗，大流量氮氣（如圖1 退火爐管路圖中虛線所示）首先充滿1#退火爐，然后含氮空氣（此時氮氣含量約95%）從串聯管路進入2#退火爐，最后廢氣從2#退火爐排煙管道排出。

當1#退火爐內氧含量達到0.2%（大概用時40 min）時，加熱器送電，1#退火爐開始加熱升溫，同時關閉串聯管路氣動蝶閥，打開1#退火爐排煙管道氣動蝶閥進入正常生產工藝流程。此時2#退火爐氧含量約1%，需要打開2#退火爐氮氣管路氣動蝶閥，用大流量氮氣對2#退火爐進行吹洗約5 min，爐內氧含量達到0.2%，加熱器送電，2#爐開始加熱升溫進入正常生產工藝流程。

3.2 退火爐升溫前爐內吹洗所需的氮氣用量

（1）1#、2#退火爐分別單獨使用氮氣吹洗所需氮氣總量：

（2）1#、2#退火爐使用串聯管路進行氮氣吹洗所需氮氣總量：

（3）利用兩臺退火爐串聯管路進行大流量吹洗可節約氮氣用量約：

（4）串聯管路大流量充氮總用時比單獨分別充氮時間多5 min（單獨充氮可同時進行）。

4 結語

通過改造和生產跟蹤測試，使用1 臺退火爐的大流量氮氣同時吹洗2 臺退火爐確實能夠起到節約氮氣的作用，且不會明顯增加生產時間（相較于總退火時間13 h）。但是，1 臺退火爐的氮氣是否能夠同時吹洗3 臺或3 臺以上的退火爐，經吹洗3 臺退火爐的測試，效果并不理想，有以下原因：①3 臺退火爐所進的物料必須有相似的退火工藝；②排產難度增大，必須等待3 臺同時進料生產，時間成本上升；③受限于退火爐爐體的密封性和氣源壓力，氮氣吹洗時間較長，整體用量節約并不明顯。

綜上所訴，以現有設備概況，采用1 臺退火爐的大流量氮氣同時吹洗2 臺退火爐的方案是最經濟的。相關同行若有類似節能需求可參考借鑒。