楔形高溫計在冷軋立式連續退火爐中的應用

供稿|關淑巧，劉春雨，李山 / GUAN Shu-qiao, LIU Chun-yu, LI Shan

內容導讀

測量帶鋼溫度的高溫計合理配置、運行穩定是退火爐帶鋼溫度穩定控制的基礎。文章針對冷軋立式連續退火爐高強鋼退火生產溫度波動問題，深入分析了高溫計的測溫原理，根據高強鋼生產特點、工藝需求以及連續退火爐加熱段的具體布置特點，將單波長輻射高溫計由垂直安裝改為楔形安裝方式，通過重新選定高溫計測量位置、修正發射率等措施，解決了加熱段溫度飄移問題，收到了較好的測量效果。

為提高冷軋帶鋼產品的質量，帶鋼需經過冷軋連續退火工藝處理，以提高冷軋帶鋼產品的強度和沖壓延展性等各種性能。連續退火爐各段的帶鋼溫度控制對退火工藝有著關鍵的作用，有效的帶鋼溫度監測和控制對產品性能至關重要。要控制好帶鋼溫度，首先要正確測量出帶鋼的溫度。目前對冷軋立式連續退火爐中運行帶鋼的溫度測量主要采用非接觸式紅外輻射高溫計。

近年來，唐鋼高強汽車板有限公司新建1條冷軋連續退火機組和3條鍍鋅機組。在連退機組實驗及生產系列高強鋼過程中，尤其是普料和高強鋼過渡期間，退火過程中高強鋼溫度呈山峰樣波動，部分帶鋼溫度距目標溫度有較大偏移，導致在同一鋼種、同一工藝的情況下，不同卷的性能差異很大，性能的均勻性與穩定性差，成為高強鋼生產亟待解決的問題。

連續退火工藝

冷軋立式連續退火爐是冷軋連退機組的核心部分，也是冷軋帶鋼生產的重要環節。其功能主要是通過連續地對冷軋帶鋼進行一系列的加熱和冷卻，帶鋼內部經歷晶粒恢復、再結晶、晶粒長大、碳化物析出等幾個階段的變化過程，使材料組織結構進行再結晶，從而提高帶鋼的再加工性能[1]。冷軋立式連續退火爐一般由加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段等組成，在影響材料力學性能的諸多因素中，關鍵因素是連續退火爐各爐段的帶鋼溫度控制，因此精確地測量和控制帶鋼溫度是保證產品質量的有效途徑。不同的鋼種有不同的退火溫度曲線，帶鋼在連續退火爐中需按照鋼種各自規定的退火溫度曲線進行帶鋼的溫度控制，使溫度控制在工藝所要求的溫度范圍之內。

高強鋼溫度及測溫設備現狀

高強鋼溫度控制現狀

連退機組每月產量6.5萬t，其中生產系列高強鋼約1萬t。在生產普料、深沖鋼、低合金鋼等系列產品時，高溫計的溫度測量情況良好，不同鋼種間切換時，溫度曲線平緩；但在生產高強鋼，尤其是普料與高強鋼切換時，發現焊縫后帶鋼在加熱1的溫度飄移20~50℃，加熱2、均熱段的溫度也在高強鋼頭部突然上升，如圖1所示，退火爐加熱也隨之進行調整，整卷帶鋼溫度呈山峰樣起伏，通卷性能穩定性欠佳。

高溫計配置

連續退火爐的紅外輻射高溫計均安裝在各爐段的出口，采用垂直于帶鋼的安裝方式。紅外輻射高溫計通過測量物體發出的熱輻射，產生與物體溫度成比例的信號，并經過處理得到被測物體的溫度。根據光路屏蔽的原理，將水冷套管直接插入爐內，盡可能接近帶鋼表面以減少背景光對溫度測量的影響，然后通過調試可獲得相對合適的帶鋼輻射率，如圖2和圖3所示。

高強鋼溫度波動分析

紅外輻射高溫計測溫原理

物體的輻射能力與物體的溫度有關，紅外輻射高溫計就是根據普朗克定律，利用熱輻射體光譜輻射亮度隨溫度升高而增大的原理，采用亮度均衡法來實現溫度測量的。也就是說，紅外輻射高溫計就是通過測量一定波長下物體表面發射的紅外輻射強度，并將其轉化為電信號，從而測得物體表面的溫度[3]。紅外輻射高溫計主要有單波長、雙波長和多波長等類型，連續退火爐全部采用單波長紅外輻射高溫計。

高強鋼溫度波動分析

系列高強鋼中硅錳元素含量較高，相比其他鋼種冷軋板面顏色發暗，入爐帶鋼表面更易形成氧化層[2]，加熱后其表面輻射亮度與普料有較大差異，同時來料板面上的部分斑跡也會造成表面輻射亮度的差異。這些因素均影響高溫計的測量值，是普料與高強鋼切換時，測溫曲線波動的主要原因。因高強鋼板面灰度及斑跡問題導致溫度異常波動情況頻繁發生，對產品性能的穩定性造成較大影響。

在立式連續退火爐中，因為帶鋼表面較光亮，輻射系數很低，不易測量；同時不同鋼種切換，其表面輻射亮度差異導致輻射率發生變化。因此為改善高強鋼溫度測量精度，采用紅外輻射高溫計需克服帶鋼表面輻射率低且不穩定的問題。

技改方案及實施

通過與LAND公司及退火爐設計公司專家探討，了解到高溫計楔形安裝測量方式(如圖4所示)可較好地解決熱輻射率低且不穩定的難題，增強抗干擾能力，提高帶鋼溫度測量的準確性和穩定性。這種安裝方式，帶鋼溫度的測量大多選用單波長紅外輻射高溫計，即技術方案為：采用原爐段的高溫計，重新選定高溫計的測量位置。楔形安裝測量的目標是盡量靠近帶材與爐輥接觸的區域，該區域的輻射能量經帶鋼和爐輥之間的多次反射被吸收，這個區域帶鋼表面受爐內各種設備的背景輻射干擾最小，近似黑體，熱輻射高且較穩定。

根據退火爐加熱各段的布置重新選擇了高溫計測量位置，將帶鋼溫度測量位置選擇在各段出口的爐輥與帶鋼形成的楔形區域，如圖5和圖6所示。為達到更好的測量效果，在設計、安裝楔形高溫計時需考慮：輥直徑、帶鋼與爐輥的纏繞長度、高溫計測量點距帶鋼與爐輥相切點的間隔距離、高溫計測量光路與帶鋼夾角等相關設計參數。

帶鋼與爐輥的纏繞角度不應小于90°，纏繞長度越長帶鋼和爐輥溫度越相近，測量更準確；在安裝設計時要將測溫點盡量瞄準、接近輥與帶鋼切點的位置，并選擇帶鋼導出的一側進行測量，重要的是盡可能測量到接近切點的帶鋼上，如圖7所示；高溫計測量光路與帶鋼夾角為5°~10°較好。連續退火爐加熱1、加熱2、均熱段的高溫計均從垂直安裝改為楔形安裝方式，并對發射率進行了修正。

技改實施效果

(1) 選取普料向高強鋼過渡情況，觀察帶鋼的溫度曲線，如圖8所示，溫度值見表1。

表1 普料向高強鋼過渡期間溫度

(2) 選取高強鋼向普料過渡的情況，觀察帶鋼的溫度曲線，如圖9所示，溫度值見表2。

表2 高強鋼向普料過渡期間溫度

從溫度曲線和數值可以看出，普料與高強鋼過渡期間溫度飄移的情況已徹底解決，溫度穩定控制在5℃范圍內。技改前普料與高強鋼過渡，加熱1的溫度上漂約20~50℃，加熱2溫度波動20~30℃，均熱段溫度波動15~25℃。由于退火爐熱慣性，溫度向上飄移會導致退火爐加熱輸出的波動，使帶鋼溫度不均勻性加劇，進而影響產品性能的穩定性。改造完成后各加熱段溫度已無飄移情況，均熱段溫度穩定控制在10℃以內。目前連退線生產，各鋼種間的過渡，尤其普料與DP鋼過渡實現了溫度的穩定控制，產品頭尾及整卷溫度的一致性顯著提高。

結束語

測量帶鋼溫度的高溫計合理配置、穩定運行是退火爐帶鋼溫度穩定控制的基礎。根據高強鋼生產特點、工藝需求以及連續退火爐加熱段的具體布置特點，將單波長輻射高溫計由垂直安裝改為楔形安裝方式，通過重新選定高溫計測量位置、精調測量角度、修正發射率等措施，解決了加熱段溫度飄移問題，收到了較好的測量效果。