钢坯火焰清理机的国产化与智能化

李光石 陈光耀 陈 骥 李重河,5 祝 凯 鲁雄刚,5,7

(1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444； 2.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200444；3.上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室,上海 200444； 4.上海东震冶金工程技术有限公司，上海 201900；5.上海特种铸造工程技术研究中心，上海 201605； 6.宝山钢铁股份有限公司中央研究院，上海 201900；7.上海金属零部件绿色再制造工程技术研究中心，上海 200444)

2008年国际金融危机以来，我国钢铁行业供过于求的矛盾日益凸显。化解产能过剩的矛盾并淘汰落后产能是钢铁企业产业结构调整与优化的关键，大力发展高品质钢铁产品已成为我国大型钢铁企业提高竞争力的重要途径。在现有的钢铁冶炼及连铸技术条件下，钢坯表面会不可避免地形成氧化皮及缺陷层，钢坯表面的高质量清理是提升高附加值钢材质量的关键之一。钢坯表面清理技术主要包括自动火焰清理、人工火焰清理、人工修磨和喷丸清理等[1]。由于自动火焰清理具有清理质量高、生产效率高和劳动强度小等优点，国内外大型钢铁企业已广泛采用火焰清理机清理高附加值钢材。

我国从20世纪60、70年代开始引进美国、日本和德国等发达国家的火焰清理机，关键技术长期受制于美、日、韩等国家，直到21世纪初才逐步拥有火焰清理机制造的自主知识产权[2]。图1为宝钢湛江炼钢厂与2150连铸机配套的火焰清理机，是国内首台自主改造升级的连铸坯表面自动火焰清理装置。

图1 宝钢湛江钢厂与2150连铸机配套的火焰清理机的示意图Fig.1 Schematic of the scarfer matching to 2150 continuous caster in Baosteel Zhanjiang Steel Plant

1 火焰清理机简介

1.1 火焰清理的基本原理

火焰清理的实质就是利用高压氧气与可燃气体(焦炉煤气、天然气、丙烷、乙炔等)发生热化学反应，产生高通量热量作用于钢坯表面形成一定深度的局部熔池，同时烧嘴喷出的高速气流将产生的氧化熔渣剥离清除。简言之，就是通过高温火焰的气割和熔除作用清除钢坯表面一定深度的氧化皮和裂纹、点蚀、凹陷、夹杂及气泡等缺陷层，达到剥皮检验和缺陷精整的目的。火焰清理主要包括钢坯预热、熔池和熔渣形成、熔渣去除等过程，式(1)～式(15)为清理过程中可能发生的化学反应：

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)

按照能源介质的不同，可燃气体与氧气可能发生式(1)～式(5)非预混燃烧反应，产生的高温火焰预热钢坯表面，迅速在清理前端形成局部金属熔池，如式(6)所示。预热后，高压氧气与钢坯表面可能发生式(7)～式(15)化学反应，形成的熔渣被持续强气流剥离，钢坯与烧嘴发生相对运动，使钢坯一定厚度的表层被清除掉。这不仅可以去除钢坯表面的氧化皮和浅层皮下缺陷，提高钢坯的表面质量，还可以暴露部分缺陷，以便在后续的热轧等工序中去除。

目前，火焰清理技术可应用于包括轴承钢(GGr15，GGr15SiMn等)、优质碳钢(LX92A，SWRH82B等)、合金结构钢(Mn系，MnB系，Cr系及CrMo系等)、冷镦钢(ML08- ML15Al，ML25K- 45K等)、弹簧钢(65Mn，60Si2MnA，50CrV等)、齿轮钢(CrMnTiH系，CrH系等)、超低碳钢(SWRM2- SCMRM4等)、非调质钢(YF40- 45MnV，30- 35MnVS等)、易切削钢(1215Sn，1215等)和焊条钢(H08SG，ER70S- G等)等多种高附加值钢铁产品[3]。随着高品质钢冶金技术的不断发展和进步，火焰清理机在高附加值钢铁材料生产企业中的应用将越来越普及。

1.2 钢坯火焰清理机类型

钢坯火焰清理机可分为热坯火焰清理机、冷坯火焰清理机和局部火焰清理机3种[5]。热坯火焰清理机是用于清理温度较高的板坯、方坯、小方坯及铸锭，单次可清理4个或2个面；冷坯火焰清理机是用于清理温度较低的温坯或冷坯，单次也可清理4个或2个面；局部火焰清理机，顾名思义，就是按照烧嘴的宽度单位对钢坯进行一次或多次带状清理、部分清理或全面清理。目前，热坯和冷坯火焰清理机的使用量远多于局部火焰清理机。由于热坯火焰清理机可实现钢坯的热清、热送，具有节能降耗、降低坯库存量等优点，是钢坯表面高效、高质量清理技术发展的大趋势。

2 钢坯火焰清理机的研究现状

2.1 钢坯火焰清理机的发展历程

20世纪30年代初，美国UCC公司(Union Carbon Corporation)研制出了第一台火焰清理机。1985年，瑞典ESAB公司(Elektriska Svetsnings- Aktiebolaget)收购了UCC林德分公司(Linde Division of Union Carbon)火焰清理机的相关业务，也即现在的L- TEC公司(L- TEC Steel Industry Products Division)。近90年来，L- TEC公司在钢坯火焰清理机的研发和制造领域一直处于全球领先地位。日本曾在20世纪60年代初进行过火焰清理机制造技术的研发，但最终因性能不佳而失败。L- TEC公司垄断了20世纪全球大部分的火焰清理机制造，为世界30多个国家的钢铁企业提供了数百台火焰清理机。而日本是目前使用火焰清理机数量最多的国家，日本极东贸易株式会社(Kyokuto Boeki Kaisha, LTD)也成为全球最大的代理销售L- TEC火焰清理机及进行售后技术服务的公司。此外，德国GEGA和EVERTZ公司的火焰清理技术也处于世界先进水平，其火焰清理机及其关键技术广泛应用于全球黑色和有色金属的表面处理。

2.2 钢坯火焰清理机的技术现状

钢坯火焰清理技术虽然起源于美国，但韩国和日本的技术最为先进，是使用钢坯火焰清理机最成熟的国家。迄今，韩、日两国拥有火焰清理技术的国际专利百余项，占全球总数的一半以上，仅韩国浦项钢铁和现代钢铁公司就拥有70余项火焰清理技术的国际专利。与此相比，我国虽然是使用火焰清理机的大国，但火焰清理机的自主研发起步较晚，整机和关键部件长期受制于国外垄断。随着我国高品质钢材需求量的不断增长，钢坯表面质量的控制技术在钢厂的作用愈加重要。基于我国钢铁冶金技术快速发展的大趋势，钢坯火焰清理技术已成为提升我国高品质钢材表面质量的瓶颈，唯有实现火焰清理机的国产化，攻克和掌握关键技术，才能实现我国高品质钢冶金技术的高速稳定发展。

2.3 能源介质调控技术的现状

能源介质的调控直接影响钢坯表面的清理质量和能耗，是火焰清理的关键环节。以往人工清理大多是凭经验手动调节氧燃配比及流量，控制精度差，钢坯表面质量难以保证。虽然火焰清理机采用先进的气体调节阀、分配器及控制系统，大大提高了能源介质的可控性和精准性，但2015年马钢投入使用的CM- 90- 8- 1型(L- TEC)火焰清理机的生产数据表明：预热效果不良及氧气和燃气不畅等易导致漏清理，这是严重影响钢坯表面质量的火焰清理缺陷[4]。火焰清理过程中能源介质燃烧属于流体力学与燃烧学交叉的领域，集热流动态演化与燃烧化学反应于一体，是自动火焰清理技术领域的研究热点与难点之一。目前，数值模拟是研究火焰清理过程中能源介质燃烧射流演变、传热机制与燃烧化学反应之间内在联系的最常用的手段。陈志威等[5]基于鞍钢现有的CM- 69- 8- 1型(L- TEC)火焰清理机，采用数值模拟技术优化能源介质配比和控制预热工艺，不仅提升了冷坯的表面质量，还实现了火焰清理的节能降耗。李宝宽等[6- 7]采用数值模拟与燃烧试验相结合的方法研究了火焰清理机平行多孔射流非预混燃烧过程射流的流动特性及温度分布规律，结果表明：平行多射流的相互作用和碰撞不是随意演化的，有一定的规律性，射流在喷嘴出口附近因康达效应趋于形成双孔射流合并，而射流合并的卷吸作用会促进燃气与氧气的充分混合，有利于燃烧反应的进行。但是，多股射流的卷吸及合并作用也会导致射流在冲击钢坯表面时形成沟槽，而射流冲击表面的传热特性主要取决于雷诺数、射流与射流及射流与钢坯的间距[8]。因此，采用数值模拟和燃烧试验相结合的方法优化能源介质调控，实现能源介质燃烧射流的在线智能化和精准调控，是未来研发新型高端智能化火焰清理机的重点。

2.4 火焰清理烧嘴技术的现状

通过优化清理程序控制、调整氧气与可燃气体的配比等可在一定程度上提高钢坯表面的清理质量，但也存在较大的局限性。烧嘴是火焰清理机的核心零件，直接影响火焰清理过程的射流特性，关系到钢坯表面的清理质量，烧嘴射流特性解析是优化烧嘴设计的基础。陈智勇等[9]利用CFD(计算流体动力学)模拟了烧嘴火焰由预热态转向清理态的瞬态燃烧过程。数值模拟可快速清晰地获得烧嘴火焰的内部特性与钢坯熔池的演变规律，进而通过射流分布规律优化烧嘴结构和开发新型烧嘴[10]。根据现有的烧嘴射流特性分析，上海东震冶金工程技术有限公司开发了一种连铸坯火焰清理机用新型平滑烧嘴(图2)，大大提高了能源介质燃烧射流的稳定性和清理后钢坯表面的平整度[11]。刘洋等[12]采用数值模拟的方法研究了火焰清理过程中的熔渣飞溅现象，提出了新型熔渣快速冷却自排装置，从源头上避免了熔渣“放炮”现象的发生，提高了自动火焰清理的安全性。因此，基于火焰清理过程射流特性的解析，优化烧嘴结构是提高火焰清理的质量、效率、安全性的关键技术手段。

图2 连铸坯火焰清理机用国产新型平滑烧嘴Fig.2 Chinese- made new type of smooth burners used in scarfing machine for continuously cast slab

2.5 智能化火焰清理技术的发展现状

目前，钢铁的智能制造尚处于起步阶段，但这是冶金行业转型升级和高质量发展的必经之路。如何实现火焰清理机从“自动”到“智能”的升级，将是未来高品质钢材表面清理技术革新的重要课题之一。智能火焰清理技术的关键在于钢坯表面清理的智能识别和智能控制。韩国浦项曾开发了一种基于Gabor滤波器和图像识别的缺陷检测算法，能实现火焰清理板坯表面针孔类缺陷的智能检测[13]。该方法能识别钢坯火焰清理的表面缺陷，真检出率达97.26%，假检出率为1.66%[14]。近年来，图像识别技术和人工智能算法得到了飞速发展，有文献报道了多种钢坯表面缺陷的智能视觉识别技术方案和智能识别系统[15- 18]。2018年上海东震冶金工程技术有限公司开发了一种全自动智能火焰清理机系统，可以智能识别板坯清理参数、智能判断预热坑占比和智能控制清理工艺，实现了无人正常生产[19]。智能火焰清理技术的国产化是我国钢铁企业智能化技术自主研发和应用的典范之一，也标志着我国的钢铁火焰清理技术已处于世界领先水平。

3 我国钢坯火焰清理技术的自主研发之路

3.1 钢坯火焰清理机的国产化

迄今，我国钢铁企业火焰清理机的应用仅半个世纪左右[20]。早期，钢铁企业及科研院所均是基于进口设备及其配套技术，关注实际生产工艺参数的优化，探索自动火焰清理的能源介质消耗、金属收得率、钢坯表面质量等问题[21- 23]。随着进口火焰清理机在宝钢、武钢和首钢等大型钢铁企业的推广使用，设备的维护、升级、改造等长期受制于国外供货企业，严重制约了我国钢铁企业的高效生产和高质量发展。为此，国内相关研究者及企业根据生产需要，正在探索火焰清理机部件及相关配套设施的自主研发与改进[24- 32]。烧嘴和分配器是火焰清理机的核心部件，直接影响钢坯的清理质量，进口成本和后期维修费用均十分昂贵。上海东震冶金工程技术有限公司1995年就逐步实现了火焰清理机烧嘴、分配器、控制阀站等关键部件的国产化，并供宝钢、首钢及本钢等大型钢铁企业使用。20余年来，我国钢铁企业在火焰清理设备的使用和维护中逐渐积累了经验，开展了供气系统、液压系统、环保除尘系统等关键设备的改造升级研究[33- 39]。2010年，原宝钢一炼钢厂完成了1 930 mm连铸生产线进口自动火焰清理装置整机自主设计和升级改造工程，投产至今运行稳定，性能达到了进口设备的水准，这也是我国自动化火焰清理装置国产化的雏形。在此基础上，上海东震冶金工程技术有限公司于2015年实现了连铸坯自动火焰清理设备的完全国产化，并在宝钢湛江钢铁炼钢厂2 150 mm连铸生产线上热试成功，板坯达到了预期的清理效果[2]。这标志着我国已拥有完全自主知识产权的火焰清理机制造技术，打破了国外长期的技术垄断与封锁，填补了我国钢铁冶金领域的一项技术空白。此外，我国在与火焰清理机配套的环保除尘等设施方面也取得了一系列突破性进展。2003年，西安重型机械研究所研制出了首台卧式湿式电除尘器(WSDB)，并逐步投入钢铁企业的生产，实现了火焰清理机烟气处理配套设施的国产化[40- 41]。

3.2 钢坯火焰清理机的智能化

目前，上海东震冶金工程技术有限公司已经开发出了第二代智能型连铸坯表面火焰清理装置，见图3，并拥有十余项有自主知识产权的关键技术[11, 42- 54]。该设备采用先进的工业相机对预热区、烧嘴、铸坯表面进行原位图像与视频采集，通过视觉分析算法的优化，实现了清理过程自动判定、烧嘴状态在线检测和异常预警及铸坯表面清理质量在线判定，还开发出了管道泄漏动态预警和智能保护、烧嘴动作与动态反馈和板坯动态定位等多个智能配套系统，真正实现了火焰清理技术的智能化。由于设备运行稳定，整机性能优异，国内钢铁企业近5年来新建的自动火焰清理装置均是由上海东震冶金工程技术有限公司设计制造，实现了国产化钢坯火焰清理机的全覆盖。

图3 宝钢湛江钢厂新建的第二代智能火焰清理机Fig.3 Second generation of intelligent scarfer in Baosteel Zhanjiang steel plant

近年来，由于技术及市场被国外垄断，迫使企业加速自主研发关键技术，实现了钢坯火焰清理机的“国产化”和“智能化”，彻底解决了我国钢坯火焰清理技术的“瓶颈”，对推动我国高品质、高附加值钢铁产品表面质量的提升具有深远意义。

4 结语

随着我国钢铁冶金技术的快速发展，国产化火焰清理技术在高品质、高附加值钢铁材料表面质量的提升中起到了至关重要的作用。但是设备投资及维护成本高和金属损失率高，是制约火焰清理机广泛应用于钢坯表面清理的主要因素。调整能源介质、改进关键部件的结构、优化清理过程的程序控制等可在一定程度上降低火焰清理机的使用成本，较好地兼顾板坯表面质量和金属收得率，但局限性较大，提升空间有限。以人工智能图像识别技术为切入点，开发新型智能火焰清理机是未来火焰清理技术的发展趋势。智能清理与在线判定、无人值守与动态预警等新技术是未来火焰清理技术的研究热点。基于现有国产化自动火焰清理技术，充分利用人工智能技术，有望实现钢坯清理质量的提升，促进我国钢铁智能制造技术的高质量发展。