罩式退火爐運(yùn)行診斷技術(shù)探析及實(shí)踐

梁建國(guó)

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠， 山西 太原 030003）

冷軋帶鋼再結(jié)晶退火目的是消除冷軋?jiān)斐傻膬?nèi)應(yīng)力和加工硬化，使鋼板具有標(biāo)準(zhǔn)所要求的力學(xué)性能、工藝性能及顯微結(jié)構(gòu)。全氫罩式爐因其良好的產(chǎn)品質(zhì)量、相對(duì)較低的投資額、運(yùn)行成本及保養(yǎng)成本、靈活的生產(chǎn)調(diào)度能力等特性，非常適應(yīng)于小訂單生產(chǎn)模式，在當(dāng)前的帶鋼退火市場(chǎng)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

罩式爐鋼卷退火性能直接受到退火工藝合理性及生產(chǎn)控制水平、設(shè)備配置及運(yùn)行狀況等方面的影響。在實(shí)際退火過(guò)程中，由于設(shè)備性能的變化、設(shè)備故障和人為故障等的發(fā)生，導(dǎo)致罩式爐退火過(guò)程往往偏離設(shè)定的退火工藝曲線，對(duì)于產(chǎn)品性能和爐臺(tái)效率均產(chǎn)生一定的影響。針對(duì)罩式爐生產(chǎn)過(guò)程的上述現(xiàn)狀（尤其是隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)），面臨產(chǎn)品性能和表面質(zhì)量需求的不斷提升，如何全面高效診斷罩式爐退火運(yùn)行水平、如何有效縮短產(chǎn)品性能提升或新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期成為企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。

基于此，本文將通過(guò)對(duì)罩式爐退火工藝及生產(chǎn)控制過(guò)程特點(diǎn)、設(shè)備配置及運(yùn)行特點(diǎn)等角度進(jìn)行剖析，系統(tǒng)性探索罩式爐運(yùn)行診斷的技術(shù)體系，并結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用論證該技術(shù)體系的適應(yīng)性和實(shí)用性。

1 罩式爐運(yùn)行診斷技術(shù)體系建立

圖1 為罩式爐退火過(guò)程在線控制的邏輯分析圖。

1）合理的退火工藝是根基，控制鋼卷冷熱點(diǎn)溫度即能有效實(shí)施退火工藝；如某鋼種退火工藝為710～620 ℃，710 ℃表示罩式爐氣氛溫度升溫并保溫的溫度（該溫度一定程度上反映了鋼卷外表面溫度），620 ℃則表示鋼卷冷點(diǎn)最高升溫溫度。

圖1 罩式爐退火過(guò)程在線控制邏輯剖析

2）退火過(guò)程中，考慮到生產(chǎn)操作等需求，鋼卷冷熱點(diǎn)溫度沒(méi)有在線直接測(cè)量，具體是通過(guò)退火工藝曲線（退火溫度曲線和退火氣氛曲線）進(jìn)行間接控制反饋。退火工藝曲線目前來(lái)源于“數(shù)學(xué)模型計(jì)算”或“經(jīng)驗(yàn)退火曲線”兩種。

3）退火工藝曲線的控制實(shí)施通過(guò)罩式爐的基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)控制系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)。如圖中分析，基礎(chǔ)自動(dòng)化可以直接實(shí)現(xiàn)并反映退火工藝曲線的執(zhí)行狀況；但前提是爐臺(tái)測(cè)溫?zé)犭娕嫉葴y(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確（爐臺(tái)測(cè)溫?zé)犭娕嫉臏?zhǔn)確性和可靠性。具體受到熱電偶布置位置、熱電偶量程及基礎(chǔ)自動(dòng)化A/D 轉(zhuǎn)換量程匹配與否影響）。

基于上述控制邏輯分析，為確保退火工藝的有效實(shí)施，達(dá)到合理的退火質(zhì)量和退火效率，設(shè)備配置和運(yùn)行水平至關(guān)重要。對(duì)于罩式爐而言，爐臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)、加熱罩（涵蓋燃燒器、燃燒系統(tǒng)和換熱器等）、內(nèi)罩、冷卻罩和對(duì)流板均為罩式爐的關(guān)鍵設(shè)備。通過(guò)系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的罩式爐配置和運(yùn)行水平，發(fā)現(xiàn)在循環(huán)風(fēng)機(jī)和加熱罩兩個(gè)關(guān)鍵裝備的配置和運(yùn)行方面參差不齊，進(jìn)而生產(chǎn)效率、產(chǎn)品性能和質(zhì)量也存在相應(yīng)的差別。

對(duì)于爐臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)而言，其高速旋轉(zhuǎn)使?fàn)t內(nèi)保護(hù)氣體高速循環(huán)，有效均勻內(nèi)罩溫度和保護(hù)氣體溫度的同時(shí)，也強(qiáng)化了爐內(nèi)的對(duì)流換熱，具體循環(huán)風(fēng)機(jī)的最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速和循環(huán)風(fēng)機(jī)成為循環(huán)風(fēng)機(jī)性能的關(guān)鍵。

對(duì)于加熱罩而言，其燃燒系統(tǒng)配置方式、燃燒器的性能及控制器水平、換熱器的設(shè)計(jì)方式、加熱罩熱電偶位置的合理性等直接決定加熱罩的性能水平。

為有效保證罩式爐退火產(chǎn)品性能和爐臺(tái)效率，本文提出了如圖2 所示的罩式爐運(yùn)行診斷技術(shù)體系。

2 罩式爐運(yùn)行診斷技術(shù)體系的步驟

所提出的“罩式爐運(yùn)行診斷技術(shù)體系”包括四個(gè)層次（簡(jiǎn)稱“四步走”技術(shù)策略）：

1）步驟一。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷。診斷目的：設(shè)備是否存在故障、退火爐臺(tái)是否有效執(zhí)行了爐臺(tái)退火工藝曲線。技術(shù)診斷方案：對(duì)設(shè)備運(yùn)行曲線進(jìn)行在線診斷，具體包括爐臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線、加熱罩運(yùn)行曲線（燒嘴、換熱器及加熱罩測(cè)溫?zé)犭娕迹L(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線（加熱罩風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)）等。

2）步驟二。退火工藝曲線診斷。診斷目的：退火工藝曲線執(zhí)行是否達(dá)到了鋼卷退火冷熱點(diǎn)溫度。技術(shù)診斷方案：在退火爐臺(tái)有效執(zhí)行了爐臺(tái)退火工藝曲線情況下，產(chǎn)品性能不能達(dá)標(biāo)情況下，通過(guò)插片測(cè)試實(shí)驗(yàn)診斷退火工藝曲線是否合理，即目前的退火工藝曲線是否可以確保鋼卷冷熱點(diǎn)溫度達(dá)到退火工藝需求。

3）步驟三。鋼種退火工藝診斷。診斷目的：鋼卷退火工藝是否合理，如何優(yōu)化退火鋼種工藝。技術(shù)診斷方案：通過(guò)機(jī)械性能測(cè)試+再結(jié)晶測(cè)試進(jìn)行診斷分析。

4）步驟四。全流程工藝診斷。診斷目的：延伸至鋼種來(lái)源、化學(xué)成分、熱軋生產(chǎn)工藝控制、卷取生產(chǎn)工藝控制等環(huán)節(jié)，從生產(chǎn)全流程角度改善和提升產(chǎn)品性能，緩解冷軋環(huán)節(jié)壓力[1-3]。

3 罩式爐運(yùn)行診斷技術(shù)體系實(shí)踐

基于上述運(yùn)行診斷技術(shù)體系，本文結(jié)合某企業(yè)罩式爐退火車間進(jìn)行了逐步深入的運(yùn)行診斷分析研究[4]。

3.1 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷

圖3 罩式爐退火工藝曲線

圖3 為現(xiàn)場(chǎng)提取的DDQ 級(jí)別不同厚度退火工藝曲線。如圖中所示，圖中直觀顯示了爐臺(tái)氣氛溫度監(jiān)測(cè)曲線、加熱罩溫度監(jiān)測(cè)曲線、爐臺(tái)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行監(jiān)控曲線、電機(jī)電流監(jiān)控曲線等。結(jié)合圖3 中的監(jiān)控曲線及現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警記錄信息診斷，得出設(shè)備運(yùn)行狀況存在以下幾方面的問(wèn)題：

1）均熱段，爐臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在降速運(yùn)行的問(wèn)題。

2）部分加熱罩存在故障，導(dǎo)致快速升溫階段，實(shí)際升溫曲線遠(yuǎn)滯后于理想退火曲線；后續(xù)升溫階段也存在部分升溫能力不足現(xiàn)象。

對(duì)于前者，根據(jù)電機(jī)工作原理，罩式爐退火過(guò)程中，隨著保護(hù)氣體溫度的升高，相同的轉(zhuǎn)速下，其所需的功率會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，即電流會(huì)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，故從該角度出發(fā)，均熱段仍可按照加熱段的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

對(duì)于后者，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加熱罩結(jié)構(gòu)等的進(jìn)一步診斷分析，發(fā)現(xiàn)加熱罩高溫報(bào)警問(wèn)題較多和升溫能力不足根本原因在于加熱罩采用了內(nèi)置式換熱器所致。具體已經(jīng)出現(xiàn)如圖4 所示的加熱罩內(nèi)部問(wèn)題。

圖4 加熱罩內(nèi)部換熱管及熱電偶處耐材損壞圖

通過(guò)“設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷”為設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行和技改提供了全面的支撐。上述設(shè)備原因雖然一定程度上影響了退火效率、增加了設(shè)備的維護(hù)工作量，但對(duì)于加熱罩性能較好爐臺(tái)同樣存在改判率較高問(wèn)題。從這個(gè)角度來(lái)看，從設(shè)備上進(jìn)行改進(jìn)可以進(jìn)一步提高退火效率，但并不能根除改判率問(wèn)題。

3.2 退火工藝曲線診斷

基于設(shè)備的診斷分析，為進(jìn)一步診斷問(wèn)題所在，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)選擇了相關(guān)爐臺(tái)及性能較佳的加熱罩進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)插片測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)插片測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了鋼卷冷熱點(diǎn)溫度的在線監(jiān)測(cè)及爐臺(tái)熱電偶的準(zhǔn)確性檢測(cè)。

圖5 “插片實(shí)驗(yàn)堆垛”退火在線監(jiān)測(cè)曲線圖

圖6 爐臺(tái)退火過(guò)程鋼卷熱點(diǎn)、冷點(diǎn)溫度趨勢(shì)圖

圖5 為某“插片實(shí)驗(yàn)堆垛”退火過(guò)程在線監(jiān)測(cè)曲線圖。從圖中可以看出實(shí)際爐臺(tái)退火曲線與設(shè)定退火曲線吻合較好（快速升溫階段除外）。

圖6 為通過(guò)插片在線測(cè)試形成的鋼卷冷熱點(diǎn)溫度變化曲線，根據(jù)圖6 中的溫度變化可以提取形成表1 所示的保溫結(jié)束及熱滯后結(jié)束鋼卷冷熱點(diǎn)溫度匯總表。

分析表中退火過(guò)程熱點(diǎn)和冷點(diǎn)溫度測(cè)試情況，可以得出，通過(guò)模型計(jì)算的退火時(shí)間（保溫3.9 h）即可達(dá)到退火工藝需求（710～625 ℃）。目前采取延長(zhǎng)保溫時(shí)間1 h 的退火工藝，使堆垛鋼卷的冷點(diǎn)溫度達(dá)到640 ℃（如考慮熱滯后，冷點(diǎn)溫度達(dá)到660 ℃左右）。

表1 保溫結(jié)束鋼卷冷點(diǎn)溫度信息

基于此，可以得出該車間罩式爐控制系統(tǒng)核心數(shù)學(xué)模型能夠較好的預(yù)設(shè)定退火工藝曲線，且在爐臺(tái)及設(shè)備較為完好的狀況下能夠較好的實(shí)現(xiàn)鋼卷冷熱點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確控制。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)增長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)改善再結(jié)晶和產(chǎn)品性能不是根本性措施。

在得出上述較佳吻合結(jié)果的同時(shí)，也通過(guò)插片測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了相關(guān)爐臺(tái)熱電偶的問(wèn)題所在，進(jìn)而也為退火工藝的優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表2 為某“插片測(cè)試堆垛”鋼卷熱點(diǎn)、冷點(diǎn)和爐氣測(cè)試溫度的匯總表。均熱結(jié)束時(shí)爐氣測(cè)量溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼卷熱點(diǎn)溫度。出現(xiàn)上述問(wèn)題后，增加爐氣溫度監(jiān)測(cè)熱電偶基礎(chǔ)上，重新進(jìn)行了該爐臺(tái)的測(cè)試。結(jié)果驗(yàn)證了爐臺(tái)固有熱電偶測(cè)量問(wèn)題所在（熱電偶測(cè)試顯示溫度高于實(shí)際溫度，導(dǎo)致整個(gè)退火過(guò)程中退火時(shí)間和溫度與設(shè)定工藝不符，進(jìn)而導(dǎo)致鋼卷溫度無(wú)法達(dá)到設(shè)定的溫度。具體表現(xiàn)在快速升溫階段時(shí)間明顯偏短。）。

表2 某測(cè)試堆垛鋼卷熱點(diǎn)、冷點(diǎn)、爐氣最高溫度表 ℃

3.3 鋼種退火工藝診斷

退火工藝是否合理原則上是“首層診斷方式”，但初步工藝診斷僅能從常規(guī)經(jīng)驗(yàn)角度判斷目前的退火工藝是否在合理范圍內(nèi)。而面對(duì)“設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷”、“退火工藝曲線診斷”之后，退火產(chǎn)品性能的提升和改善，需要上層到“退火工藝診斷”層次。

基于“退火工藝曲線診斷”所發(fā)現(xiàn)的氣氛溫度熱電偶問(wèn)題，結(jié)合相同鋼種執(zhí)行不同退火工藝的性能測(cè)試分析，得出了退火工藝優(yōu)化的方向。下面將以DC04 鋼種某兩堆垛的機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行診斷分析。

表3 為爐臺(tái)測(cè)溫?zé)犭娕颊Ｅc異常兩個(gè)爐臺(tái)退火產(chǎn)品性能測(cè)試對(duì)比。從表中可以看出實(shí)際執(zhí)行720～700 ℃退火工藝和760740 ℃退火工藝其機(jī)械性能均達(dá)標(biāo)。但前者性能優(yōu)于后者。

表3 爐溫?zé)犭娕颊Ｅc異常爐臺(tái)產(chǎn)品性能測(cè)試對(duì)比表

基于上述的機(jī)械性能對(duì)比分析，結(jié)合退火時(shí)間的差別，從產(chǎn)品性能和爐臺(tái)效率綜合角度出發(fā)，本文提出對(duì)于熱電偶異常爐臺(tái)首先進(jìn)行熱電偶故障排查，熱電偶正常爐臺(tái)嚴(yán)格執(zhí)行740～720 ℃的退火工藝制度的建議；經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用，效果較為明顯。

3.4 全流程工藝診斷

冷軋環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品性能的影響僅為30%，70%左右的性能在前面生產(chǎn)環(huán)節(jié)已經(jīng)確定。冷軋退火平整卷的屈服強(qiáng)度受到整個(gè)生產(chǎn)流程各個(gè)工序影響。如降低熱軋卷的屈服強(qiáng)度可以降低退火平整卷的屈服強(qiáng)度；粗化基板晶粒是降低退火平整卷屈服強(qiáng)度的有效措施；熱軋終軋溫度提高有利于降低屈服強(qiáng)度，提高延長(zhǎng)率；還有壓下率等合理優(yōu)化控制均能對(duì)冷軋退火平整卷屈服強(qiáng)度降低有益。

因此在診斷技術(shù)體系中，需要打破常規(guī)思維，在進(jìn)行“設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷”、“退火工藝曲線診斷”和“鋼種退火工藝診斷”基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)向整個(gè)生產(chǎn)流程的延伸。具體包括化學(xué)成分、熱軋工藝、冷軋壓下率、卷取張力、退火工藝、平整延長(zhǎng)率等。

為了便于真正有效推進(jìn)全流程工藝診斷，首先在罩式爐環(huán)節(jié)進(jìn)行“設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷”、“退火工藝曲線診斷”和“鋼種退火工藝診斷”。確定無(wú)法單純從罩式爐環(huán)節(jié)解決產(chǎn)品性能問(wèn)題基礎(chǔ)上，合理開(kāi)展“全流程工藝診斷”，以解決產(chǎn)品性能問(wèn)題或是緩解罩式爐環(huán)節(jié)壓力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)罩式爐退火工藝執(zhí)行控制邏輯分析基礎(chǔ)上，剖析并提出了罩式爐運(yùn)行診斷技術(shù)的必要性。基于由表觀至內(nèi)在的思路，提出了“四步走”的“罩式爐運(yùn)行診斷技術(shù)體系”。該體系包括：“設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷”、“退火工藝曲線診斷”、“鋼種退火工藝診斷”和“全流程工藝診斷”。并結(jié)合某罩式爐車間技術(shù)攻關(guān)的需求，進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。結(jié)果表明：通過(guò)“設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷”可以有效診斷各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障所在；“退火工藝曲線診斷”可以有效診斷退火工藝曲線設(shè)定的合理性和準(zhǔn)確性，并對(duì)爐臺(tái)測(cè)溫?zé)犭娕歼M(jìn)行校驗(yàn)；“鋼種退火工藝診斷”則可進(jìn)行退火工藝的改進(jìn)和優(yōu)化，并能判定是否可以在罩式爐環(huán)節(jié)解決產(chǎn)品性能問(wèn)題；“全流程工藝診斷”則為緩解罩式爐環(huán)節(jié)壓力及更大程度提升產(chǎn)品性能提供了一種有效的技術(shù)手段。