鍍錫基板生產連續退火爐壓力波動原因分析及治理

郭強，高寧，張誠*，龔志強，王海濤，趙奇山

（河鋼集團衡水板業有限公司，河北 衡水 053400）

電加熱式連續退火爐在生產鍍錫基板過程中易出現壓力異常波動，造成爐內露點異常、帶鋼氧化的現象，嚴重影響連退機組的正常生產秩序。本文分析了北京某設計院設計的連續退火機組在生產鍍錫基板過程中連續退火爐壓力異常波動的原因，并提出了解決措施，實現了連續退火機組的穩定生產。

1 機組簡介

某公司連續退火生產線年產15 萬t，主要產品為高端飲料罐、食品罐用鍍錫基板。生產規格：厚度0.17 ～ 0.40 mm，寬度800 ～ 1 150 mm。

該機組的生產工藝流程：原料→開卷→自動甩尾裝置→焊接→拉矯→清洗段→入口活套→加熱段→均熱段→緩冷段→快冷段→二次加熱→過時效→終冷段→下降段→淬水→出口活套→擺剪→收卷。

2 爐壓波動對產品質量及安全生產的影響

2.1 爐壓穩定對于產品質量的重要性

連續退火爐壓力的波動會引起爐內露點升高，導致帶鋼氧化，嚴重影響了產品質量。

在通過退火來提高冷軋帶鋼機械性能的同時，連續退火爐內的保護氣體會與帶鋼表面的氧化鐵皮發生化學反應，使其還原為鐵，如式(1)所示。

正常生產時，爐內保護氣體成分的變化和帶鋼表面被氫氣還原的狀態無法直接獲知，需通過爐內露點的檢測和分析，間接地推斷爐內的情況[1]。因此如何保證爐壓穩定，防止退火爐內的露點發生異常升高，是解決此問題的關鍵。

2.2 爐壓穩定對于安全生產的重要性

連續退火爐內存在易燃易爆的氫氣，需保持正壓運行，防止外部空氣進入爐內而造成事故。控制爐內壓力時，首先為各個工藝段設置恰當的壓力。壓力過高會導致保護氣體的消耗量增加，生產成本過高；壓力低則會增加爐外空氣進入爐內的風險，導致控制爐內氣氛的難度增大[2]。爐壓異常波動，尤其是當爐壓過低時，外部空氣及淬水槽處的水蒸氣會進入爐內，造成爐內露點出現異常。

3 連續退火爐壓力異常的原因分析

影響爐壓的主要因素有：保護氣體供給系統發生故障，導致保護氣斷供或者供氣量減少；入口段的密封輥間隙過大，致使氮封不起作用；爐體密閉不嚴，爐壓低，外界氣體進入了爐內；淬水槽冷卻能力不足；冷卻段循環風機的風壓過大。

3.1 保護氣體供給系統對爐壓的影響

該機組在保護氣體進爐體之前的管路上安裝了流量計，并在旁路上預留了備用測量接口。在備用接口上使用手持式TUF-2 氣體流量計對保護氣瞬時流量進行測量。對比連續退火爐壓力異常時與正常時的氮氣流量和氮氫混合氣流量，結果見表1。可見爐壓波動時與爐壓正常時的氮氣及氮氫混合氣體均沒有出現流量異常。據此可以排除保護氣供應系統出現故障的因素。

表1 爐區各段氮氣與氮氫混合氣體的瞬時流量 Table 1 Instantaneous flow rates of nitrogen and nitrogen–hydrogen mixture in each section of furnace （單位：Nm3/h）

3.2 入口段的密封輥間隙對爐壓的影響

帶鋼通過入口密封裝置垂直進入加熱段。該入口密封裝置放位于加熱段入口端的底板下，并與之密封聯接。入口密封裝置由2 根單獨驅動的密封輥組成，它們在穿帶時張開，運行時合起來貼近鋼帶，中間有5 ～ 10 mm 的縫隙，從而保證鋼帶表面不被劃傷。另外設有氮封，以增加氣阻的方式來保證鋼帶運行時空氣不進入爐內。在退火爐壓力正常時與異常時，對入口密封的氮氣流量及密封輥間距進行3 次隨機測量，結果見表2。可以看出在爐壓正常與異常時，密封輥間隙及入口密封氮氣流量沒有大的波動。由此可以得出結論：爐壓波動與密封輥間隙及入口氮封無關。

表2 入口密封輥間隙及密封氮氣瞬時流量 Table 2 Clearance between seal rollers at the inlet and instantaneous flow rate of nitrogen for sealing

3.3 爐體密閉不嚴對爐壓的影響

連續退火爐工作時處于正壓狀態，爐壓一般控制在50 ～ 130 Pa。在正壓的條件下，理論上爐外的空氣不會進入爐內。但在實際生產中，爐外的氣體有可能滲透到爐內。以氧氣為例，一是爐內外的氧氣濃度存在巨大差異，空氣中的氧含量高達21%，而爐內的殘氧量幾乎為零，這種巨大的濃度差是爐外氧氣滲透進爐內的主要動力；二是爐殼上的漏洞往往非常不規則，如孔洞彎曲、孔壁粗糙等，給爐內氣體向外泄漏造成很大阻力，向外泄漏的氣體流速被減緩到很低的程度，這為爐外氣體的滲透提供了有利條件。具備了以上2 個條件，爐外氣體就能滲透到爐內了，如圖1[3]所示。

圖1 爐外氣體滲透入爐的機理 Figure 1 Mechanism of permeation of gas into the furnace

通過以上分析可知，如果爐體密閉不嚴，那么爐外氣體會連續不斷地進入爐內，勢必引起爐壓及露點的持續變化，直至帶鋼氧化而無法生產。目前本機組出現的爐壓波動是非連續性的，因此可以斷定爐壓波動伴隨露點異常與爐體密閉不嚴無關。

3.4 淬水槽水溫對爐壓的影響

淬水槽內存有脫鹽水，將爐體下降段的通道淹沒120 ～ 140 mm，形成水封，確保爐內的爐壓正常，防止外部空氣進入爐內，并且對帶鋼進行冷卻。

在爐壓正常時與異常時，對淬水槽淹沒下降段通道的高度進行了3 次測量，結果見表3。可見淬水槽的液位波動很小，不會對水封產生影響，因此可以排除淬水槽液位低的影響。

表3 爐壓正常與異常時淬水槽的液位高度 Table 3 Height of water in quenching tank when furnace pressure was normal and abnormal （單位：mm）

在實際生產過程中，對淬水槽的水溫進行測量，結果見表4。當水溫≥50 °C 時，下降段爐壓及露點發生突變，而這與實際生產過程中爐壓異常的情況一致。生產較厚規格產品時板溫高，帶入熱量多，淬水槽冷卻能力不足會造成水溫高，蒸汽進入爐內，破壞爐內氣氛組成，從而引起爐壓波動與露點異常。由此判斷，爐壓波動與產品結構有關，需跟進產品結構，調整淬水槽冷卻工藝。

表4 不同水溫下的測量數據 Table 4 Data measured at different water temperatures

3.5 冷卻段循環風機風壓對爐壓的影響

緩冷段、快冷段、終冷段在帶鋼運行方向分為不同區域，每個區域配有循環風機。退火爐內的保護氣體被氣密性很好的循環風機抽出來，在氣水換熱器的作用下冷卻，然后送到爐內風箱，由風箱的噴嘴噴吹在帶鋼表面，對鋼帶進行強制冷卻[4]。帶鋼的溫度控制通過調節循環風機的轉速后改變控制保護氣體流量來實現。

假設風機進出口出現泄漏，由于風機的風量很大，會立即引起爐內氣氛的波動，因此在停爐保壓保溫的情況下，模擬實際生產過程中的不同工藝，對風機頻率進行相應調整(以風機額定功率百分比代表不同風壓)，觀察爐壓變化，結果見表5。將快冷段1#、2#風機功率提高到80%時，對爐內氣氛產生了致命影響，造成該段的爐壓下降，露點升高。

表5 不同風機功率的條件下運行30 min 后的數據 Table 5 Data measured after running under fan powers for 30 min

區分1#、2#快冷風機，在爐壓及氣氛恢復正常后，在不同功率下對快冷段1#和2#風機重新檢測，數據列于表6。可以看出快冷段1#風機功率提高到80%后，對爐壓露點造成致命影響。

表6 快冷段1#、2#風機不同功率下運行10 min 后的爐內數據 Table 6 Furnace data under different powers of No.1 and No.2 fans in fast cooling section

通過表5 與表6 的對比試驗可以得出結論：當快冷1#風機功率調到80%時，由于轉速較高，風壓較大，風機的管路耐壓不足，造成泄漏，引起爐壓波動。而在實際生產中，只有生產厚規格高溫料產品時，快冷段1#風機頻率才會提高到80%。

3.6 總結

綜上所述，該公司連續退火爐出現爐壓波動的原因可以排除保護氣體供給系統故障、爐體密閉不嚴、入口密封輥間隙過大及淬水槽液位低而造成水封不嚴這4 個方面，其主要原因與生產產品結構密切相關，主要是退火工藝的變化導致了淬水槽內液體冷卻能力不足，以及冷卻風機本體與管路耐壓不足。

4 應對措施

連續退火爐壓力的波動在實際生產過程中影響因素眾多，一旦發生爐壓波動、露點異常的現象，如何采取合理的保護措施來減少對生產及設備帶來的損害至關重要[4]。結合以上實驗，該公司對快冷段風機的管路進行了補焊，淬水槽水溫實行自動控制及閉環檢測，溫度快速升高時自動開啟備用循環泵及備用冷卻器，以提高冷卻能力。經生產實踐證明，采取以上兩項措施后，爐壓異常波動的問題得到了徹底解決。通過本次系統排查分析，該公司編制了《連續退火爐爐壓異常排除操作規程》，提高了解決爐壓波動的能力，保證了連續退火生產線穩定連續運行。