浅析热轧板酸洗-平整-锌铝镁联合机组部分关键设备的优化设计

杨柏松,李 琨

(1.赛迪热工环保工程技术有限公司,重庆 401122;2.西安电炉研究所有限公司,陕西 西安 710061)

1 背 景

随着“以热轧板代替冷轧板”发展,从日照钢铁第一条 ESP 无头带钢热轧生产线开始,已经有首钢、河北太行钢铁、沙钢集团都在生产(厚度 0.6～1.5 mm)热轧薄带产品。

热轧板深加工不仅仅局限于提供酸洗板,已经开始向直接热涂镀方面发展,而酸洗-平整-涂镀联合机组也正是在这种背景下孕育而生的新型机组,尽管还有感应加热厚度方面适应性、退火炉冷却器热张紧辊室温控问题等诸多需要改进的方面,日照钢铁的酸洗-平整-涂镀联合机组已经在稳定运行,定位为纯锌镀层。

酸洗-平整-涂镀联合机组是将热轧板作为原料通过酸洗→平整→加热→涂镀→后处理→出涂镀成品的机组,直接将热轧黑平板变为涂镀板,该机组集成了酸洗、平整、涂镀三大工艺,具有生产效率高,生产成本低的优点,因此是一种绿色高效的热轧薄带产品深加工工艺。

另外,随着市场对涂镀产品耐蚀性要求的提高,锌铝镁镀层以其优异的耐蚀性、高平面耐蚀性、高切口耐蚀性的特点受到下游用户的青睐。腐蚀实验(如实验室盐雾实验、户外暴露实验等)证明锌铝镁镀层比纯锌镀层的耐蚀性有很大提高,总的来说,一定量的 Al、Mg 添加会提高耐蚀性几倍到十几倍。锌铝镁产品的经济效益,市场需求、成果应用及产业化前景都有迫切的需求及研究的必要。

1.1 锌铝镁镀层产品的市场需求

1)光伏支架

为了实现“双碳目标”和社会进步的需要,市场即将加快建设太阳能项目,亟须大量的光伏支架产品,目前年卷材需求量已经达到1 500万t,每年还将以20%以上的速度递增。

2)公路护栏

为了改善交通条件和提高交通的完全性,国家正在大力发展城市近郊和边远地区的公路交通,并且开展“两波”改“三波”的安全改善工程,每年需要公路护栏1 800万t,每年还将以10%以上的速度递增。

3)建筑轻钢配件

为了实现建筑业的减碳和绿色化,国家正在大力推广装配式建筑和集约化畜牧业,每年需要建筑用轻钢配件2 000万t,每年还将以15%以上的速度递增。

4)其他用途

锌铝镁镀层产品在集装箱、电器箱柜、电缆桥架、粮仓、农业大棚等多个用途方面,每年也亟须2 000 t以上的高强度、厚规格、厚镀层锌铝镁镀层产品。每年还将以10%以上的速度递增。

1.2 将锌铝镁产品和酸洗-平整-涂镀机组结合的必要性

伴随着热轧薄带产量的进一步扩大,锌铝镁涂镀产品的市场需求进一步增强,酸洗-平整-涂镀联合机组的市场将会继续扩大,酸洗-平整-涂镀联合机组具有以下特点[1]：

(1)节省建设投资成本:可节省两套入口上卷运输系统、两套开卷机、两套夹送矫直装置、一套焊机、两套卷取机、两套出口卸卷运输系统、六套 CPC、两套 EPC装置等机械设备及相应的电气控制系统,对业主单位来讲可节省相应的投资和维护成本;联合机组无需中间产品的储存库,因此可节省昂贵的土地成本和中间库建设成本。

(2)酸洗-平整-涂镀联合机组可减少带头带尾的剪切次数,因此可提高成材率 0.3%。

(3) 酸洗-平整-涂镀联合机组既可单独酸洗又可酸洗镀锌联合操作,为生产者能够迅速对市场需求做出反应提供了极大灵活性,用户可以根据市场的需求调整生产计划生产酸洗板和镀锌板。

(4)酸洗-平整-涂镀联合机组缩短生产周期约 3 天。

(5)最大限度节约人力成本。

综上所述,酸洗-平整-锌铝镁联合机组是为热轧板镀锌提供了一个新的发展方向,值得研究推广,同时针对不同使用场景,开发3%～11%Al、2%～3%Mg的热轧板锌铝镁涂镀产品。但不同于传统的镀锌,锌铝镁镀层开启的是三元合金镀层,因此对部分关键工艺段的设计也提出了特殊要求。

2 平整机工艺段

不同于传统的平整机生产工艺,酸洗-平整-涂镀联合机组要求对钢板性能、表面粗糙度、消除氧化铁皮的二次咬入、去除表面铁粉等方面都有较高要求,因此光整机工艺段的工艺要求如下:

该段具有较大的钢板延展率控制要求,延展率不低于7%～20%,同时具有表面刷洗毛化以及弱酸洗等功能。

重点解决热轧板板形、表面粗糙度、氧化铁皮的二次咬入等问题。

平整后的钢板质量要求:

残铁量:max 250 mg/m2(单面);

平直度:max 50IU;

塔形量:max 30 mm;

拱形:max 0.12%;

原料钢卷温度: 0～70 ℃;

钢卷边部错边:±30 mm;

钢卷内圈起筋:无起筋;

缺陷:无明显氧化铁皮二次咬入;

镰刀弯:小于12 mm/10 m。

结论:合理的延展率和表面刷净功能,已经在涂镀工艺段增加弱酸洗工艺,减少铁粉及氧化铁皮对下游工艺段的影响。

3 加热工艺段

受涂镀段气刀稳定性控制的要求影响,机组速度针对锌铝镁涂镀不低于40 m/min,因此酸洗-平整-涂镀联合机组的核心工艺段TV值不低于220 mm·m/min。这一TV值的要求对加热段提出了较高要求,针对感应加热需要至少3段6 000 kW的感应炉;而针对火焰炉,则需要不低于8个的较大的温度控制段,不仅仅给布置上带来困扰,已经成为工艺方案选择上的重要一环(TV值为板厚×工艺段运行速度,mm·m/min,是衡量机组能力和产量的重要参数)。

3.1 感应加热炉

酸洗-平整-涂镀联合机组是否采用感应加热取决于燃料消耗,一般的采用感应加热单位燃耗为120 kW·h/t,而采用燃气单位燃耗以标准天然气计算为20.5 m3/t(标准);简单对比得知,电费为0.7元/(kW·h)时,燃料费为:84元/t,因此标准天然气价格于4.1元/ m3(标准)即为平衡点;但相比之下,感应加热受透热深度的影响,在板厚方面的适应性较差,一般的,最厚的钢板为6 mm的话,最薄的钢板就不宜低于1.5 mm。而且这种高功率电源如果频率变化太大的话,还不是十分过关,首先是从电源角度论证感应加热的适应性。

3.1.1 厚度与频率和效率

考虑到钢板加热横向温度的均匀性要求,感应加热采用纵向磁场方式,如图1所示。

根据图1所示,纵向磁场加热电源频率选取主要考虑加热系统效率。加热电源频率低,加热效率低,频率高,加热电源效率高,但加热电源频率高到一定程度后,加热效率会趋于一饱和值,由于电源频率越高,电源的转换效率将降低,加热系统总效率反而将降低。

图1 纵磁感应加热示意图

感应加热中间坯直接发热层在中间坯的表面,表面层厚度即为感应加热电流透入深度(超过居里点温度):

(1)

式中:Δ为透热深度,mm;ρ为钢材的电阻率,Ωm;f为频率,kHz。

对1 500 mm×4.5 mm中间坯,感应圈开口尺寸2 000 mm×8 mm、长度300 mm,不同加热电源频率时感应炉电效率见表1。

表1 不同加热电源频率的透热深度及电热效率(4.5 mm厚度)

对1 500 mm×6.0 mm中间坯,感应圈开口尺寸2 000 mm×8 mm、长度300 mm,不同加热电源频率时感应炉电效率见表2。

表2 不同加热电源频率的透热深度及电热效率(6mm厚度)

参照表1和表2,从电效率与电源工作频率关系可得知:钢带厚度与电流透入深度比值H/Δ≤2时,电效率随电源频率降低而明显减小,当H/Δ≥2后,电效率与电源工作频率基本无关(电效率趋于饱和)。

3.1.2 电源功率

电源功率是感应加热电源的另外一个重要指标,电源功率的选择主要由加热工艺及加热速度的要求来决定。

1)计算边界条件

带钢典型规格:带钢厚度4.5 mm,带钢宽度为1 200 mm;

感应线圈进口带钢温度:20 ℃,感应线圈出口带钢温度:570 ℃;

工艺段线速度:45 m /min。

2)计算方法

加热工件质量:

M=w×d×l×ρ/106=1 970 kg/min

(2)

式中:M为单位时间内加热带钢的质量,kg/min;w为带钢宽度1 200,mm;d为带钢厚度4.5,mm;l为单位时间内加热带钢的长度,取值45,m/min;ρ为带钢密度,取值7 850,kg/m3。

工件吸收功率:

P1=MCΔT/t=118 000×0.128×(570-20)/860=

10 090 kW

(3)

式中:C为带钢平均比热容,kJ/(kg·℃);ΔT为带钢温差,℃;t为热量转换单位。

感应炉感应线圈热效率为80%,电源电效率为85.5%,综合效率η=68.4%,计算加热电源实际输入功率为

P=P1/η=10 090/68.4%=14 840 kW

(4)

根据式(4)计算可得,考虑到带钢规格不一样,负载匹配效率降低,并考虑20%的富余量,回火感应加热电源功率P=18 000 kW,分为3段。

结论:感应加热适用于电费不超过0.67元/(kW·h)的条件,电源频率直接关联钢板的透热深度,沿带钢厚度方向的透热深度的变化范围有限,不适应冷板、热板混合的生产机组。

3.2 燃气加热炉

采用燃气炉的设计,则完全不同于感应加热从内部向外部的传热,传热速度较慢,受限条件较多,对燃气清洁度的要求也较高,因此对传热的过程有必要进行论证。

确定传热过程,需要确定带钢加热过程的边界条件和初始条件。炉温分布表示为Tf(z,τ),带钢单元经过各个炉段的边界热流密度可以表示q(z,τ),以带钢单元上表面为例可以写成如下形式:

q(z,τ)=δ(1-η)·{ε(z)·σ·[Tf(z,τ)4-

T(0,y,z,τ)4]+hc(z,τ)·[Tf(z,τ)-

T(0,y,z,τ)]}+δ(η)·λ·[TR-T(0,y,z,τ)]

(5)

式中:q(z,τ)为表面热流密度,W/m2;hc(z,τ)为各炉段的对流换热系数,W/(m2·K);ε(z)为各炉段的综合辐射换热系数;当η=1时,δ(η)=1,此时带钢处于炉辊处;当η=0时,δ(η)=0,此时带钢不处于炉辊处;λR为带钢与炉辊接触传热的换热系数,W/(m2·K);TR为炉辊表面温度,K;σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数,5.67×10-8W/(m2·K4)。

无氧化炉对带钢的传热来自火焰及耐火材料的反射,类似于均匀的表面辐射,这一设计辐射温度越高,传热速度越快,根据式(5)的测算,传炉温达到1 300 ℃以上,同传统的1 200 ℃相比,热速度提高36%以上;但较大的TV值意味着无氧化炉有效加热长度过长,这一问题针对卧式炉不难解决,仅仅是炉区分段的问题。

采用L型炉子或者立式炉设计时,采用亚高速火焰烧嘴都存在炉子较高导致火焰快速上浮的缺陷,因此最合适的炉子高度仅限于4段,最大有效加热高度为18 m,上下辊间距为22.5 m,继续加大加热段有效长度,就得将传统的加热段一分为二,这一设计无论在炉长的有效性和控制的难度出发都是有欠缺的,这也是当TV值较大时,不建议采用L型或者立式无氧化炉的原因。而采用传统的卧式炉设计,参见图2。

图2 传统的卧式无氧化炉

但有一种高温预混烧嘴的设计可以弥补传统侧烧嘴无氧化炉的缺陷,首先是烧嘴采用预混的辐射杯设计,密布的辐射杯布置使得带钢两面杯高温辐射包围,传热彻底、快速,有效减少了热气上浮现象,传热和温控相对容易,类似于高温多孔介质加热。

根据图3所示的L型无氧化炉或立式无氧化炉的设计缺陷,如上图所示的侧烧嘴燃烧尾气速度过快造成热气上浮,传热速度不够快,传统无氧化立式炉的这一缺陷导致的炉区加热段长度有限,最大仅为5段,这一设计仅仅能够适应TV值小于140的炉子设计。

图3 传统的分段式立式无氧化炉

因此改善立式无氧化炉的一种有效手段是采用端向辐射杯烧嘴布置,如图4所示。

图4 端向辐射杯烧嘴的立式无氧化炉

根据图4所示的立式无氧化炉,营造了一个高温的均匀辐射面,但这一设计对燃料要求极高,必须防止燃料中的夹杂黏附在板面上。

综上所述,厚板涂镀当TV值超过150时,受板厚、加热能力、加热速度等方面的影响,最佳选择还是传统的卧式炉设计,图 中所示的案例TV值达到180,分为8个燃烧控制段,有效加热长度为28.8 m。

3.3 两种加热方式的对比

针对这两种方式,是将带钢加热到550～570 ℃的过程是有重大区别的,都需要入口密封、一定长度的均热段、冷却段、均衡段和锌鼻子,上述要求是共性的。

区别TV值210,采用3段感应加热长度为:3×3=9 m;而采用燃气加热总长度为44 m;这两种方式几乎没有可比性,是根据燃料条件决定的。

3.4 冷却段和均衡段的必要性

酸洗-平整-涂镀联合机组,TV值达到210以上时,针对11%Ai、3%Mg、1.6%Si、其余为锌的涂层要求,表3所示为上述边界条件冷却段数学模型的计算结果。

表3中,N为冷却段数量排序;TS1为带钢入冷却器温度,℃;TS2为带钢出冷却器温度,℃;QS为带钢热量变化,kJ;TG1为保护气体进冷却器温度,℃;TG2为保护气体出冷却器温度,℃;QC为保护气体侧热量变化,kW;AF为对流换热系数,kJ/(m2·h·℃);WK为水侧换热系数,kJ/(m2·h·℃);QW为水侧热量变化,kJ。

根据数学模型计算结果,理论长度为20.7 m,因此设计选择为上行冷却同时增加一个下行均衡段,这一设计的优点是温度稳定,同时彻底消除了,锌铝镁锌蒸汽对冷却段的影响。

针对锌铝镁的设计,冷却段推荐采用高氢高速冷却器,参照图5[1]。

表3 冷却段数学模型的计算结果

图5 立式炉锌铝镁高氢高速冷却器

4 结 论

(1)平整机工艺段适当增加带钢延展率控制,配备必要的表面刷功能,同时在涂镀工艺段增加弱酸洗。

(2)加热段的供热方式根据燃料成本进行选择,燃料采用电感应方式,电费不宜超过0.67元/度;采用燃气加热,天然气费用不应该超过4.1元/m3(标准)。

(3)TV值超过150后,采用燃气加热的无氧化炉推荐采用传统的卧式炉方式。

(4)锌铝镁的炉子无论采用哪种加热方式,冷却段设计都需要不要的均衡段隔绝锌鼻子。

(5)多孔介质加热在使用天然气为燃料的条件下,为立式无氧化炉提供了一种高温快速的加热方式。

(6)酸洗-平整-锌铝镁涂镀的联合机组为热轧板下游的发展提供了广阔的发展空间。