新硅鋼線保護氣體的設想

摘要：針對現有硅鋼生產線保護氣體的運行使用情況，就新硅鋼生產線建設保護氣體的應用改進提出設想，以降低運行成本，提高生產效率，減少設備運行故障率。本文對硅鋼機組退火時所需氮氣用量、氮氣成本、氫氣用量、氫氣成本、安全性、環保問題等作出了論述，可直接用于新硅鋼生產線建設保護氣體系統的設計與計算。

關鍵詞：硅鋼線保護氣體；氮氣成本；氫氣用量；氫氣成本；安全；環保

1 前言

眾所周知，硅鋼機組退火時需在還原性保護氣氛中進行，保護氣用的是氮氣，還原氣用的是氫氣，爐內氫氣比例約15%～20%，冷卻時是在純氮（氫含量小于1%）中進行，這樣在不但能保證鋼帶在退火過程中不被氧化，而且，鋼帶本身的氧化和在無氧化爐中產生的微氧化都可以被還原。而氧化是對磁性能是有破壞的，所以保證退火爐的還原性是提高硅鋼磁性能的一個重要方面。

氮氣和氫氣現在都是由氣保站制取，氮氣采用的是空氣分離技術，氫氣是用氨分解技術，現對其成本和安全環保方面進行分析。

2 氮氣

2.1 氮氣用量

現機組使用氮氣用量每小時約為1000～1200標準立方米，現按1000標準立方米計算。在標準狀態下，氮氣的密度為1.25kg/m3，即每小時約1000*1.25/1000=1.25噸。

如果要全部采用液氮，則每天用液氮量為30噸左右，廠家最多能提供的液氮車為100噸，即每約3天需更換一臺液氮車。

2.2 氮氣成本

氮氣成本主要是電、維護和氫氣。

生產氮氣時，2臺空壓機不足，3臺空壓機有空載運行（機組需要壓縮空氣），現按3臺空壓機計算；氮氣純化處所有功率約30kw，則制氮所需功率約為160*3+30=510kw，加上其他輔助，每小時算550度電，成本約550*0.8=440元。

空壓機每4000小時維護保養一次，每維護保養一次的費用約8500元，換算成小時成本為：8500元/臺*3臺/4000=6.38元；維修成本及人工成本每月約2萬元，換算成小時成本為20000/30/24=27.78元，即保養、維護及人工成本約6.38+27.78=34.16元/小時。

氮氣純化時用氫氣20Nm3/h，成本約72元/小時。

綜合以上成本，制氮每小時的成本為440+34.16+72=546.16元，而每小時生產用氮氣約為1.25噸，即我公司制取氮氣成本為546.16/1.25≈436.93元/噸。

現采購成本價為800元/噸，廠家說如果供應量這么大，可以考慮價格降至550元/噸左右，比自己生產稍高。

可以計算一下，每天多的費用：（550-436.93）*24=2713.68元，每月按25天計算，多的費用為2713.68*25=6.78萬元。

2.3 觀點

制氮設備運轉過程中比較平穩，即使出現故障，也可以馬上切換為事故氮，以保證機組的生產，所以氮氣可以仍由制氮機組制造。

3 氫氣

3.1 氫氣用量

現機組使用氨分解氣用量每小時約為130 Nm3/h，其中含75%的氫氣，即氫氣用量約為100 Nm3/h，在標準狀態下，氫氣的密度為0.0899kg/m3，以下計算按0.09 kg/m3計算，即每小時約100*0.09=9kg，每天為9*24=216kg，每月按25天計算，用量為216*25=5400kg。

3.2 氫氣成本

氫氣成本主要由兩部分組成，一是液氨，二是電，每小時生產9kg氫氣需要液氨51kg，成本為170元，電約160度，成本130元，共每小時成本約300元，產氣100立方米，300/100=3元/ Nm3；提純時損失約5%，計0.15元/ Nm3；維護成本約每月約5000元（包括維修、安全檢測、冷卻水等），折合0.08元/ Nm3；再生時要用約100 Nm3的氮氣，計0.54元/ Nm3；共計3.77元/ Nm3。

現廠家報價為3.6元/ Nm3，加上租車約15000元，平均價格為3.85元，與我們生產成本基本執平。每車能運送4500 Nm3的氫氣，氮氣若采購，則可以用2.5天，氮氣若自己制造，則可以用2天。

4 安全性

4.1 硅鋼一號線液氨罐體壓力的安全

制氫過程使用的液氨，是利用其揮發的壓力進入分解爐，越使用液氨的壓力越低，同時，液氨罐體較大，為50m3，但平時儲存量小，約為10～15m3左右，在生產期間，液氨罐的壓力較低，有時甚至過低，需淋水加速氨氣的揮發，所以在生產期間，液氨罐的壓力是安全的。液氨罐的設計正常工作壓力為1.8MPa，在生產期間壓力為0.4～0.5MPa，遠低于工作壓力。

在山力公司時，由于液氨罐相對小些，消耗也小一些，每到夏天壓力會升到1.5～1.6MPa，而且需要不停淋冷水才能保持，很讓人擔心。而我公司由于液氨罐大，即使在夏天停產期間，壓力最大也只到過1.2MPa，相對比較安全。

4.2 國家對液氨管理的新動向及帶來的相應改變

在2015年，國家加大對液氨的管理，要求所有液氨罐必須小于10m3，則充裝最多8m3，罐底至少需留3m3，即每次充裝約5m3，液氨密度為0.617t/m3，重量約為3噸，產線用液氨每天約1.5噸，即需兩天充裝一次。

更重要的是，當罐體小了后，夏天在停產期間，罐體壓力會劇激升高，可能會出現像山力公司的狀態，那就比較危險了。

4.3 其他安全問題

液氨畢竟是危險物品，是環保部門及安全部門重點監管的對象，超過一定量后還必須報備為重大危險源。采用液氨在安全和環保方面有較大的風險。

4.4 環保問題

除了非正常狀態時，環保存在大的風險外，液氨在分解過程中，約為5%的損失，這些損失是直接排放到大氣中的，如果環保部門進行監測，肯定是超標的，如果要收集起來，將又要投資設備。

4.5制氫設備的安全性

氫氣的滲透性很強，也就是很難做到完全密封，不可避免的會有泄露，而制氫過程中閥門和管理特別多，從而帶來一定的安全隱患，廠房設計時也更復雜。

5 制氫設備異常時對機組的影響

硅鋼機組的生產必須在還原性氣氛中進行，一旦制氫設備出來問題，機組的還原性氣氛消失，將無法進行生產，已在機組上的產品也將成為廢品。同時，氮氣的除氧也是靠氫氣，一旦沒有氫氣，氮氣也將不合格，只能更換為事故氮（即液氮），如果發現不及時，氮氣里氧氣未除干凈，整個爐都會有氧，同時也有氫氣，將是非常危險的。

5.1 觀點

從液氨的運輸、儲存到制氫設備運轉過程中的確存在一些危險因素，且生產運行過程中維修和管理成本也較高，同時，一旦制氫設備發生問題，整個機組將無法生產。現廣東地區共有四家氫氣生產廠家，有選擇和備用的余地，所以個人認為采購氫氣是可行和劃算的。

5.2 特別說明

成本計算時未包含氫氣機組出故障導致機組產生不合格品和停機的費用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國標準，GB/T3655-92 電工鋼片（帶）磁、電和物理性能測量方法

[2]中華人民共和國標準，GB/T13789-92 單片電工鋼片（帶）磁性能測量方法

[3]溫彤，賈朋舉，方剛，等.連續變截面薄板的塑性變形特點及沖壓成型性能[J].熱加工工藝，2010，39（23：107-109.）

作者簡介：

陸正誼，工程師。