許 翔，汪紅兵，侯莉慶

(1 馬鋼冷軋總廠，2 馬鋼設備管理部，安徽馬鞍山 243000)

引言

連續(xù)立式退火爐是冷軋鍍鋅機組、連續(xù)退火機組的核心裝備。其中退火爐爐壓控制是保證退火爐安全及爐內(nèi)氣氛的必要條件，在保證爐壓穩(wěn)定及爐內(nèi)氣氛可控的條件下，減少保護性氣體消耗是生產(chǎn)線降本的重要手段。

1 退火爐爐壓控制工藝功能

以連退線為例，退火爐分為預熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、過時效1 段、過時效2 段、二冷段及終冷段。退火爐爐內(nèi)氣氛主要由氮氫混合氣體組成，通常氮氣比例為95%，氫氣比例為5%，保證爐內(nèi)無氧化及弱還原性氣氛。爐壓控制設備主要包括,補氣系統(tǒng)、放散排氣系統(tǒng)及密封系統(tǒng)。

1.1 補氣系統(tǒng)

通過氮氫混合站將氮氣與氫氣分別進行減壓并通過流量計算配比后混合，按區(qū)域分段送入退火爐，以連退線為例,分為三段，以快冷段為界限，分為退火爐前區(qū)、快冷段及退火爐后區(qū)三個區(qū)域，分別采用流量控制給整個退火爐補充氮氫混合氣體，補氣管道由區(qū)域總管分別接出至各個區(qū)域支管接入爐內(nèi)，補氣支管設置在退火爐的底部，再經(jīng)過限流孔板平衡分配各區(qū)域補氣流量。

1.2 放散排氣系統(tǒng)

在退火爐的頂部各區(qū)域分別設置了放散管道，并通過調(diào)節(jié)閥、快切閥控制放散量，直接排空至大氣，保證爐壓穩(wěn)定及吹掃狀態(tài)下快速置換爐內(nèi)氣體。

1.3 密封系統(tǒng)

在退火爐的入口采用密封輥結構，并在輥子的上方注入定量氮氣實現(xiàn)密封，鍍鋅退火爐的出口是通過鋅鼻子深入鋅鍋內(nèi)，通過鋅液面實現(xiàn)密封，退火爐出口為水淬槽，通過水位來實現(xiàn)水封。當退火爐檢測到低壓，在入口密封區(qū)域自動加大補充氮氣量，避免空氣進入爐內(nèi)。

2 退火爐爐壓控制技術

2.1 爐壓恒定控制

退火爐爐壓控制技術通過退火爐PLC 來實現(xiàn)，為了保持爐膛壓力恒定，退火爐爐壓控制選取各爐段爐壓最低值為目標值控制，退火爐為密閉結構，爐內(nèi)為正壓通常控制在120 Pa 至200 Pa，是為了防止外部氣體的滲透，保證爐內(nèi)無氧狀態(tài)，通常爐內(nèi)氧氣含量小于20 mg/m3，需要補充一定量的氮氫混合氣體保持爐內(nèi)微正壓。退火爐爐壓控制分為壓力控制與流量控制兩種模式。

1）壓力控制模式是正常生產(chǎn)狀態(tài)控制模式，按退火爐爐壓在線檢測最小值控制，通過爐壓PID 控制器控制氮氫混合氣體流量及放散閥的開度，氫氣流量根據(jù)氮氣流量按設定百分比供給，通常氫氣含量為5%。如圖1 所示，爐壓下降低于設定壓力時，爐壓PID 控制器輸出大于50%，爐頂放散閥開度全關放散流量為0，增加氮氫混合氣體補氣量來保證爐內(nèi)壓力穩(wěn)定；當爐壓上升高于設定壓力時，爐壓PID 控制器輸出小于50%，氮氫混合氣體補氣量降至最低維持流量，加大爐頂放散閥開度，來保證爐內(nèi)壓力穩(wěn)定。

圖1 壓力控制模式爐壓控制關系圖

2）流量控制模式應用在吹掃模式下，氮氫混合氣體補氣量為恒定值，爐壓低于設定壓力時，通過爐壓PID 控制器減小爐頂放散閥開度，來保證爐內(nèi)壓力穩(wěn)定；當爐壓高于設定壓力時，通過爐壓PID控制器加大爐頂放散閥開度，來保證爐內(nèi)壓力穩(wěn)定。

2.2 吹掃控制

吹掃控制是通過氮氫混合站大流量氮氣注入退火爐內(nèi)，爐頂放散閥放散來進行氣體置換，應用于兩種情況。

1）在開爐后恢復生產(chǎn)過程中，由于有大量空氣進入退火爐爐內(nèi)，需要在短時間內(nèi)將退火爐內(nèi)氧含量降低至150 mg/m3以下。

2）準備停機檢修時及其他需要快速降低氫含量至1%以下安全措施，實施安全吹掃，切斷氫氣，注入大流量氮氣通過頂部放散閥進行爐內(nèi)氫氣的置換。

2.3 氣體安全系統(tǒng)

氣體安全系統(tǒng)是針對退火爐設計的氫氣、氮氣和煤氣在高溫情況下安全性控制的專有系統(tǒng)。用于出現(xiàn)異常情況的控制策略，對煤氣、氫氣、氮氣等危險氣體的自動處理，該控制級別高于PLC 控制權。氣體安全系統(tǒng)由繼電器聯(lián)鎖電氣柜組成。該電氣柜監(jiān)控現(xiàn)場的煤氣鑰匙閥、頂部放散、爐內(nèi)壓力、氫氣鑰匙閥等現(xiàn)場關鍵設備。退火爐正常生產(chǎn)狀態(tài)受PLC 的控制，異常狀態(tài)時由氣體安全系統(tǒng)控制，如爐壓過高控制爐頂快切閥打開快速釋放爐壓，爐壓過低時快速補充入口密封處氮氣及加大爐內(nèi)氮氣補充量、切斷氫氣鑰匙閥組等維持爐內(nèi)微正壓。

3 存在問題及對策

3.1 存在的問題

某鍍鋅線產(chǎn)線投運達15 年，爐膛設備老化，泄漏點較多，退火爐各區(qū)域氫含量不平衡，由于加熱段后區(qū)及均熱段還原帶鋼會消耗一定量的氫氣，其他區(qū)域氫氣消耗量少，造成爐內(nèi)預熱段及鋅鼻子區(qū)域氫含量高，加熱段及均熱段氫含量低，為保證氫含量平衡加大氮氫氣體補入量，及增大入口密封輥間距，增大放散量，維持爐壓及爐內(nèi)各區(qū)域的氫氣平衡所需要的介質(zhì)氣體流量較大。該退火爐氮氫氣體流量平均消耗900 m3/h，介質(zhì)消耗較大，對應生產(chǎn)成本也高。

同時，爐壓穩(wěn)定性比較差，在鋼種過度期間經(jīng)常發(fā)生爐壓波動，造成氫氣鑰匙聯(lián)鎖切斷故障，影響了生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)量，提高了生產(chǎn)成本。僅一年，氫氣鑰匙故障達到9次。

3.2 相關對策

3.2.1 測漏及堵漏

安排專業(yè)氣體檢測公司對全爐采用氫氣檢漏，對退火爐負壓區(qū)域用氦氣檢測，通過測漏及封堵泄漏點以后，該鍍鋅退火爐氮氫氣體補充流量從900 m3/h降低至790 m3/h左右，在生產(chǎn)線大修期間進一步堵漏消缺，恢復生產(chǎn)以后，在基礎流量790 m3/h 的基礎上，放散閥的開度均值為5%，效果十分明顯。

3.2.2 優(yōu)化流量控制

在堵漏基礎上，對氮氫氣體補充流量的基礎流量下限進行優(yōu)化調(diào)整，在保證爐壓穩(wěn)定的前提下，將氮氫氣體流量從586 m3/h 降至200 m3/h，在200 m3/h 流量的情況下，仍然有放散閥處于打開狀態(tài)。證明，爐膛的氣密性水平已經(jīng)得到了很大的提高，在此氣密性標準下，具備調(diào)整基礎流量下限。將基礎流量下限設定從680 m3/h降低至400 m3/h。

在停爐模式下，通過速度判定，降低維持爐壓，爐壓設定從120 Pa 降低至100 Pa，進一步減小介質(zhì)消耗。以生產(chǎn)線速度30 m/min 作為停機判定，生產(chǎn)線速度低于30 m/min，將爐壓設定由120 Pa 降低至100 Pa，在100 Pa 爐壓的狀態(tài)下，停機時的氮氫氣體流量基本為400 m3/h。

3.2.3 優(yōu)化放散控制策略

為穩(wěn)定爐壓波動，優(yōu)化了放散閥控制策略。原控制策略是當退火爐爐壓過大時，爐頂全部放散閥同時打開對爐內(nèi)氣體進行釋放，根據(jù)退火爐爐壓PID 控制器的計算控制放散閥打開的開度。同步打開放散閥使爐壓會產(chǎn)生很大的波動，當爐壓低于設定值時，減少放散閥開度，放散閥全部關閉爐壓還是低于設定值再增加補氣量，容易產(chǎn)生爐壓振蕩。通過對爐壓計算的PID塊產(chǎn)生的調(diào)節(jié)量進行分段處理，在不同的調(diào)節(jié)量情況下分階段逐次打開不同位置的放散閥，使得放散過程更加趨向于平穩(wěn)，再優(yōu)化爐壓控制器PID參數(shù)，沒有發(fā)生劇烈振蕩的情況。

3.2.4 平衡氫氣含量

針對氫含量不平衡問題，對退火爐分區(qū)流量控制進行優(yōu)化，原補氣系統(tǒng)在退火爐各段支管通過限流孔板來分配各段流量，重新設計限流孔板，前區(qū)與后區(qū)限流孔板直徑φ24 mm 減小至φ22 mm，中間區(qū)域限流孔板直徑φ24 mm 擴大至φ32 mm，合理分配各區(qū)域流量，使得氫氣含量平衡。

3.3 改善效果

通過以上的優(yōu)化工作，使得退火爐爐壓控制穩(wěn)定性大為提高，氫氣鑰匙因爐壓波動切斷的故障為0，在保證爐壓、氣體成分穩(wěn)定的情況下，同時也實現(xiàn)降低氮、氫氣體流量消耗量，與優(yōu)化前相比減少近50%。

優(yōu)化前平均氮氣消耗900 m3/h，氫氣消耗60 m3/h，優(yōu)化后平均氮氣消耗500 m3/h，氫氣消耗45 m3/h，

根據(jù)該鍍鋅線退火爐年運行時間7 900 h，氮氣單價0.3元/m3，氫氣單價3元/m3來計算，年經(jīng)濟效益130 萬元。

（900-500）×0.3×7 900+（60-45）×3×7 900=1 303 500元。

4 結語

該爐壓控制系統(tǒng)，經(jīng)過不斷摸索與優(yōu)化改進，節(jié)能效益顯著且工作狀況穩(wěn)定。后期將對退火爐爐壓與生產(chǎn)線速度、鋼種、規(guī)格、爐內(nèi)溫度關系參數(shù)建立模型關系，實現(xiàn)精細化管理，動態(tài)調(diào)整氮氫氣體補氣量，進一步穩(wěn)定爐壓與降低介質(zhì)消耗。