梁建國

（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造成的內(nèi)應力和加工硬化，使鋼板具有標準所要求的力學性能、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、相對較低的投資額、運行成本及保養(yǎng)成本、靈活的生產(chǎn)調(diào)度能力等特性，非常適應于小訂單生產(chǎn)模式，在當前的帶鋼退火市場中具有很強的競爭力。

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、設備配置及運行狀況等方面的影響。在實際退火過程中，由于設備性能的變化、設備故障和人為故障等的發(fā)生，導致罩式爐退火過程往往偏離設定的退火工藝曲線，對于產(chǎn)品性能和爐臺效率均產(chǎn)生一定的影響。針對罩式爐生產(chǎn)過程的上述現(xiàn)狀（尤其是隨著服役時間的增長），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行水平、如何有效縮短產(chǎn)品性能提升或新產(chǎn)品開發(fā)的周期成為企業(yè)市場競爭力的關鍵。

基于此，本文將通過對罩式爐退火工藝及生產(chǎn)控制過程特點、設備配置及運行特點等角度進行剖析，系統(tǒng)性探索罩式爐運行診斷的技術體系，并結(jié)合實踐應用論證該技術體系的適應性和實用性。

1 罩式爐運行診斷技術體系建立

圖1 為罩式爐退火過程在線控制的邏輯分析圖。

1）合理的退火工藝是根基，控制鋼卷冷熱點溫度即能有效實施退火工藝；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 ℃則表示鋼卷冷點最高升溫溫度。

圖1 罩式爐退火過程在線控制邏輯剖析

2）退火過程中，考慮到生產(chǎn)操作等需求，鋼卷冷熱點溫度沒有在線直接測量，具體是通過退火工藝曲線（退火溫度曲線和退火氣氛曲線）進行間接控制反饋。退火工藝曲線目前來源于“數(shù)學模型計算”或“經(jīng)驗退火曲線”兩種。

3）退火工藝曲線的控制實施通過罩式爐的基礎自動化級控制系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)。如圖中分析，基礎自動化可以直接實現(xiàn)并反映退火工藝曲線的執(zhí)行狀況；但前提是爐臺測溫熱電偶等測量設備準確（爐臺測溫熱電偶的準確性和可靠性。具體受到熱電偶布置位置、熱電偶量程及基礎自動化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施，達到合理的退火質(zhì)量和退火效率，設備配置和運行水平至關重要。對于罩式爐而言，爐臺循環(huán)風機、加熱罩（涵蓋燃燒器、燃燒系統(tǒng)和換熱器等）、內(nèi)罩、冷卻罩和對流板均為罩式爐的關鍵設備。通過系統(tǒng)分析國內(nèi)相關企業(yè)的罩式爐配置和運行水平，發(fā)現(xiàn)在循環(huán)風機和加熱罩兩個關鍵裝備的配置和運行方面參差不齊，進而生產(chǎn)效率、產(chǎn)品性能和質(zhì)量也存在相應的差別。

對于爐臺循環(huán)風機而言，其高速旋轉(zhuǎn)使爐內(nèi)保護氣體高速循環(huán)，有效均勻內(nèi)罩溫度和保護氣體溫度的同時，也強化了爐內(nèi)的對流換熱，具體循環(huán)風機的最大運行轉(zhuǎn)速和循環(huán)風機成為循環(huán)風機性能的關鍵。

對于加熱罩而言，其燃燒系統(tǒng)配置方式、燃燒器的性能及控制器水平、換熱器的設計方式、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)品性能和爐臺效率，本文提出了如圖2 所示的罩式爐運行診斷技術體系。

2 罩式爐運行診斷技術體系的步驟

所提出的“罩式爐運行診斷技術體系”包括四個層次（簡稱“四步走”技術策略）：

1）步驟一。設備運行狀態(tài)診斷。診斷目的：設備是否存在故障、退火爐臺是否有效執(zhí)行了爐臺退火工藝曲線。技術診斷方案：對設備運行曲線進行在線診斷，具體包括爐臺風機運行曲線、加熱罩運行曲線（燒嘴、換熱器及加熱罩測溫熱電偶）、風機運行曲線（加熱罩風機、冷卻風機）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)行是否達到了鋼卷退火冷熱點溫度。技術診斷方案：在退火爐臺有效執(zhí)行了爐臺退火工藝曲線情況下，產(chǎn)品性能不能達標情況下，通過插片測試實驗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溫度達到退火工藝需求。

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。技術診斷方案：通過機械性能測試+再結(jié)晶測試進行診斷分析。

4）步驟四。全流程工藝診斷。診斷目的：延伸至鋼種來源、化學成分、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 罩式爐運行診斷技術體系實踐

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

3.1 設備運行狀態(tài)診斷

圖3 罩式爐退火工藝曲線

圖3 為現(xiàn)場提取的DDQ 級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氣氛溫度監(jiān)測曲線、加熱罩溫度監(jiān)測曲線、爐臺風機轉(zhuǎn)速運行監(jiān)控曲線、電機電流監(jiān)控曲線等。結(jié)合圖3 中的監(jiān)控曲線及現(xiàn)場報警記錄信息診斷，得出設備運行狀況存在以下幾方面的問題：

1）均熱段，爐臺循環(huán)風機轉(zhuǎn)速存在降速運行的問題。

2）部分加熱罩存在故障，導致快速升溫階段，實際升溫曲線遠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。

對于前者，根據(jù)電機工作原理，罩式爐退火過程中，隨著保護氣體溫度的升高，相同的轉(zhuǎn)速下，其所需的功率會呈現(xiàn)降低的趨勢，即電流會呈現(xiàn)降低趨勢，故從該角度出發(fā)，均熱段仍可按照加熱段的風機轉(zhuǎn)速運行。

對于后者，經(jīng)過現(xiàn)場加熱罩結(jié)構(gòu)等的進一步診斷分析，發(fā)現(xiàn)加熱罩高溫報警問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)部問題。

圖4 加熱罩內(nèi)部換熱管及熱電偶處耐材損壞圖

通過“設備運行狀態(tài)診斷”為設備優(yōu)化運行和技改提供了全面的支撐。上述設備原因雖然一定程度上影響了退火效率、增加了設備的維護工作量，但對于加熱罩性能較好爐臺同樣存在改判率較高問題。從這個角度來看，從設備上進行改進可以進一步提高退火效率，但并不能根除改判率問題。

3.2 退火工藝曲線診斷

基于設備的診斷分析，為進一步診斷問題所在，結(jié)合現(xiàn)場選擇了相關爐臺及性能較佳的加熱罩進行了現(xiàn)場插片測試實驗，通過插片測試實驗進行了鋼卷冷熱點溫度的在線監(jiān)測及爐臺熱電偶的準確性檢測。

圖5 “插片實驗堆垛”退火在線監(jiān)測曲線圖

圖6 爐臺退火過程鋼卷熱點、冷點溫度趨勢圖

圖5 為某“插片實驗堆垛”退火過程在線監(jiān)測曲線圖。從圖中可以看出實際爐臺退火曲線與設定退火曲線吻合較好（快速升溫階段除外）。

圖6 為通過插片在線測試形成的鋼卷冷熱點溫度變化曲線，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)束鋼卷冷熱點溫度匯總表。

分析表中退火過程熱點和冷點溫度測試情況，可以得出，通過模型計算的退火時間（保溫3.9 h）即可達到退火工藝需求（710～625 ℃）。目前采取延長保溫時間1 h 的退火工藝，使堆垛鋼卷的冷點溫度達到640 ℃（如考慮熱滯后，冷點溫度達到660 ℃左右）。

表1 保溫結(jié)束鋼卷冷點溫度信息

基于此，可以得出該車間罩式爐控制系統(tǒng)核心數(shù)學模型能夠較好的預設定退火工藝曲線，且在爐臺及設備較為完好的狀況下能夠較好的實現(xiàn)鋼卷冷熱點溫度的準確控制?，F(xiàn)場通過增長保溫時間來改善再結(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，也通過插片測試實驗發(fā)現(xiàn)了相關爐臺熱電偶的問題所在，進而也為退火工藝的優(yōu)化提供了堅實的基礎。

表2 為某“插片測試堆垛”鋼卷熱點、冷點和爐氣測試溫度的匯總表。均熱結(jié)束時爐氣測量溫度遠遠高于鋼卷熱點溫度。出現(xiàn)上述問題后，增加爐氣溫度監(jiān)測熱電偶基礎上，重新進行了該爐臺的測試。結(jié)果驗證了爐臺固有熱電偶測量問題所在（熱電偶測試顯示溫度高于實際溫度，導致整個退火過程中退火時間和溫度與設定工藝不符，進而導致鋼卷溫度無法達到設定的溫度。具體表現(xiàn)在快速升溫階段時間明顯偏短。）。

表2 某測試堆垛鋼卷熱點、冷點、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)驗角度判斷目前的退火工藝是否在合理范圍內(nèi)。而面對“設備運行狀態(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題，結(jié)合相同鋼種執(zhí)行不同退火工藝的性能測試分析，得出了退火工藝優(yōu)化的方向。下面將以DC04 鋼種某兩堆垛的機械性能測試結(jié)果進行診斷分析。

表3 為爐臺測溫熱電偶正常與異常兩個爐臺退火產(chǎn)品性能測試對比。從表中可以看出實際執(zhí)行720～700 ℃退火工藝和760740 ℃退火工藝其機械性能均達標。但前者性能優(yōu)于后者。

表3 爐溫熱電偶正常與異常爐臺產(chǎn)品性能測試對比表

基于上述的機械性能對比分析，結(jié)合退火時間的差別，從產(chǎn)品性能和爐臺效率綜合角度出發(fā)，本文提出對于熱電偶異常爐臺首先進行熱電偶故障排查，熱電偶正常爐臺嚴格執(zhí)行740～720 ℃的退火工藝制度的建議；經(jīng)過現(xiàn)場推廣應用，效果較為明顯。

3.4 全流程工藝診斷

冷軋環(huán)節(jié)對產(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度受到整個生產(chǎn)流程各個工序影響。如降低熱軋卷的屈服強度可以降低退火平整卷的屈服強度；粗化基板晶粒是降低退火平整卷屈服強度的有效措施；熱軋終軋溫度提高有利于降低屈服強度，提高延長率；還有壓下率等合理優(yōu)化控制均能對冷軋退火平整卷屈服強度降低有益。

因此在診斷技術體系中，需要打破常規(guī)思維，在進行“設備運行狀態(tài)診斷”、“退火工藝曲線診斷”和“鋼種退火工藝診斷”基礎上，實現(xiàn)向整個生產(chǎn)流程的延伸。具體包括化學成分、熱軋工藝、冷軋壓下率、卷取張力、退火工藝、平整延長率等。

為了便于真正有效推進全流程工藝診斷，首先在罩式爐環(huán)節(jié)進行“設備運行狀態(tài)診斷”、“退火工藝曲線診斷”和“鋼種退火工藝診斷”。確定無法單純從罩式爐環(huán)節(jié)解決產(chǎn)品性能問題基礎上，合理開展“全流程工藝診斷”，以解決產(chǎn)品性能問題或是緩解罩式爐環(huán)節(jié)壓力。

4 結(jié)語

本文在對罩式爐退火工藝執(zhí)行控制邏輯分析基礎上，剖析并提出了罩式爐運行診斷技術的必要性?；谟杀碛^至內(nèi)在的思路，提出了“四步走”的“罩式爐運行診斷技術體系”。該體系包括：“設備運行狀態(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攻關的需求，進行了應用實踐。結(jié)果表明：通過“設備運行狀態(tài)診斷”可以有效診斷各設備的運行狀態(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定的合理性和準確性，并對爐臺測溫熱電偶進行校驗；“鋼種退火工藝診斷”則可進行退火工藝的改進和優(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手段。