退火炉闪冷段高氢控制技术

许 翔，汪红兵，侯莉庆

(1.马鞍山钢铁股份有限公司冷轧总厂，安徽马鞍山 243000；2.马鞍山钢铁股份有限公司工程与设备管理部，安徽马鞍山 243000)

引言

马钢2130连续退火生产线是冷轧后处理生产线，主要生产汽车板及家电板等高附加值产品。该生产线采用了法国斯坦因设计立式退火炉，该退火炉是连退线的核心工序，直接影响到产品的质量。随着汽车用钢轻量化、及提高碰撞安全性的要求，冷轧高强钢的开发与应用是当前重要的发展趋势。其中连续退火机组可以通过提高冷却速率实现该工艺路径。马钢2130连续退火生产线退火炉的闪冷段采用了高氢冷却技术，最高氢气含量达35%，采用高速气体喷射冷却技术，最高冷却速率达100℃/s·mm，实现了对带钢的高速冷却，在高强钢DP、TRIP钢的生产上得到了很好的应用。

1 退火炉闪冷段介绍

冷轧带钢进入退火炉内保持一定的速度，经过预热、加热、均热、及缓冷处理后带钢温度一般在690℃，进入闪冷段，高氢含量的保护气体经过3台变频风机高速喷吹至带钢上，一个道次内冷却至290～300℃，实现工艺要求，后经过过时效1段、过时效2段、二次冷却段、终冷段完成整个退火工艺。

该闪冷段主要包括入口密封挡板、上行段炉室、下行段炉室、出口密封挡板、三组循环冷却风机和冷却风箱安装在上行段炉室、4根转向辊及9根稳定辊组成。高纯氢气通过与氮气的配比直接注入循环风机冷却风管处。

2 退火炉闪冷段控制技术

图1 闪冷段结构图

出入口密封装置：入口密封挡板垂直安装在闪冷段与缓冷段之间，为上下两组双密封，间隔1 m，形成密封区域，挡板闭合后与带钢距离不大于10 mm，该密封区域通过管道与抽排风机相连，经过高速风机向高空室外抽排，密封挡板区域形成局部负压区，实现闪冷段与缓冷段的隔离，防止高氢气体流入其他炉室，出口密封挡板垂直安装在闪冷段与过时效1段之间，其结构与入口密封挡板相同，出入口密封挡板只允许在低氢模式打开。当闪冷段与缓冷及过时效段通道氢气含量大于8%时，该区域未能实现有效的密封隔离，氢气向其他炉室扩散，启动反吹扫程序，在通道区域注入大流量氮气，直至氢气含量小于5%。该密封方式结构简单，成本低，但由于与带钢距离小，带钢自身板型及高速喷吹冷却过程的抖动，会产生一定的划伤，虽然密封挡板前端材料有改进，采用石棉密封条，但该部分的划伤还是时有发生，目前新建该类生产线推荐采用4辊密封辊结构。退火炉入口密封为高氢系统设计了2辊密封加锁紧装置。

高氢含量控制：氢气含量设定大于6%即为高氢模式，最高氢气含量设定35%，高氢注入分快速与慢速控制模式，hmi可以手动选择，快速模式为全氢注入切断氮气，氢气流量最大120 m3/h，达到目标氢气含量时切换回慢速模式；慢速为按照设定氢含量通过配比氮气量注入，以上均按照设定氢含量与闪冷段炉内检测最大实际氢含量闭环控制。退出高氢模式同样分为快速与慢速控制，快速为全氮气注入切断氢气氮气流量最大650 m3/h，慢速为按照设定氢含量配比氮气量注入。

炉压控制：闪冷段顶部抽排风机，该风机电机为11 kW2900 r/min高速电机，依据炉压控制器，通过调节阀调节抽排风量，保证闪冷段炉压略低于邻近炉室炉压，该风机运转是高氢投用的必要条件，只有转入低氢模式才可以停止。终冷段抽排风机阀门开度设定最小35%，减少气体向低温段流动。主要通过炉顶放散阀开度调节实现，该顶部放散阀由切断阀与调节阀组成，由炉压控制器调节，高氢放散时需掺入一定量的氮气稀释氢气含量排放。

安全联锁：由于该段为高氢区域，所有电气设计按欧洲zone2防爆标准设计，安全要求极高，连锁条件多，循环冷却风机轴封氢气泄漏量、炉内氧含量、风管氧含量、事故氮压力均不能超标，各类控制阀门状态正常，炉顶抽排风机工作正常，氮气压力正常，密封挡板位置正常，控制系统正常，电源系统正常，仪表用气正常，一旦出现异常将自动触发炉内安全吹扫，快速切断氢气供应，大流量氮气吹扫，直至炉内氢气含量小于1%。安全吹扫模式也可以通过人工启动，该模式启动后，人工无法干预停止,直至炉内氢气含量小于1%才可以停止。

泄漏密封测试：由于氢气的渗透性强，该区域安全性要求高，闪冷段一般2年大修时，对该炉室出入口通过盲板密封，各类对外连接管道用盲板密封，做整个炉室的气密性测试，加入压缩空气正压4000 Pa，经过8 h保压大于150 Pa合格，测试期间检测各类焊缝及连接件泄漏情况。

循环风机冷却控制模型：该风机抽入炉内热氮氢保护气体经过水冷换热器冷却至40℃再喷吹至带钢上，实现闪冷段炉内保护气体循环，冷却速率主要由3台1200 kW变频风机分段控制，电机升速、降速斜坡时间大于30 s，最小转速10%，每台风箱分上下两部分组成，可以分别通过挡板控制，每台风机管路设置了旁通管路，以带钢温度为控制对象实现闭环控制。采用最大转矩限幅控制，最小功率限幅控制。

计算出的最小功率设定值：

式中，PU2——计算功率；

N——最大风速：1700 r/min；最小风速：170 r/min/；

N1——实际的风速（设定速度）；

QTot.——所有循环气流量，包括旁路气流量；

ΔP1——风机输入/输出压力差；

Pmin.——最小压力，基于最大的吹风速度含35%H2的 N2、H2混合气体；

Pmin.SP——计算出的最小功率设定值，基于实际的风速，实际的N2、H2混合气体密度，N2密度1.250 kg/m3，H2密度 0.089 kg/m3；

ρ2——当前循环N2、H2混合气体密度；

ρ3——含35%H2的N2、H2混合气体的密度0.843 kg/m3。

风箱调整：通过移动风箱调节带钢与风箱距离，调整带钢冷却效果，60～200 mm通过编码器可调，风箱边部手动可以调节风量，防止冷却不均在宽带钢产生浪形及冷瓢曲，在宽带钢一次调节定位，一般不需要调节，该风箱与带钢距离需要定期标定，对带钢抖动有重要影响。

稳定辊调整：通过移动稳定辊调节稳定辊与带钢的距离，0～100 mm范围通过编码器可调，由于闪冷段密封挡板与带钢距离小实际生产过程中容易产生划伤，可以依据划伤产生的部位调整相应稳定辊的位置，调整带钢偏移位置，防止带钢划伤。

事故氮系统：为了保证系统安全运行，针对高氢的投运安装了氮气事故球罐系统，该球罐氮气供应气源与炉内非同一路，防止在高氢生产过程中，正常氮气供应发生故障，事故球罐通过单向阀压差自动切换，实现退火炉的安全吹扫，迅速降低炉内氢气含量，保证生产安全，该氮气球罐储气量以退火炉一次高氢安全吹扫量计算。

分析仪表系统：闪冷段上行、下行段各有氢气、氧气含量检测，是用来确定炉内高氢及氧气含量；3台冷却风机主引风管及炉室内均有氧气含量检测；炉顶安装了露点检测装置，3台风机前后轴封装有氢气含量泄漏检测装置；该区域仪表均参与了系统连锁控制。上行出口安装辐射高温计测量最终带钢温度，下行段安装5点扫描光学高温计，用来反映炉内带钢横向冷却均匀性。

炉内工业电视系统，监控炉内带钢在高速气体冷却状态下，带钢的抖动情况。

3 存在问题及对策

该系统投运过程中，发生过以下问题：

安全联锁触发安全吹扫，主要原因有快冷风机轴承密封处检测到氢气含量超1000×10-6，局部有氢气泄漏，更换该轴承密封后正常。该处密封为检修重要检查项。

快冷出入口密封挡板距离过大，造成快冷段与其他炉室密封隔离效果差，通道处氢气含量超8%，触发反吹扫程序，无法正常生产。调节稳定辊偏移位置，调整出入口密封挡板位置，调节快冷段抽排风量，控制快冷段局部炉压与其他炉室压力平衡，得以正常生产，定期在停炉大修期间，更换该出入口挡板密封条，重新标定密封挡板与带钢中心线距离。

快冷段氢气含量达不到最大设定值35%，主要原因有密封挡板间隙过大，造成氢气向其他炉室外泄，整体炉室有泄漏，各类氮气密封量过大。主要对策对闪冷段按2年大修周期，对该炉室进行气密性测试，对各类泄漏点消缺处理。

此外分析仪表类故障影响到该系统的正常运行，尤其在极端气候条件下，分析仪的工况不稳定，分析仪管路局部密封不好直接影响仪表检测，该类仪表的升级更新是后期重要工作。

4 结语

该高氢系统自投运以来，经过摸索与优化改进，工作状况正常，是目前马钢高强钢生产的重要保证，该生产线目前月均生产高强钢达1万余t，产品性能稳定，达到了设计要求，满足了生产需求。