楊柏松,李 琨

(1.賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司,重慶 401122;2.西安電爐研究所有限公司,陜西 西安 710061)

1 背 景

隨著“以熱軋板代替冷軋板”發(fā)展,從日照鋼鐵第一條 ESP 無(wú)頭帶鋼熱軋生產(chǎn)線開(kāi)始,已經(jīng)有首鋼、河北太行鋼鐵、沙鋼集團(tuán)都在生產(chǎn)(厚度 0.6～1.5 mm)熱軋薄帶產(chǎn)品。

熱軋板深加工不僅僅局限于提供酸洗板,已經(jīng)開(kāi)始向直接熱涂鍍方面發(fā)展,而酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組也正是在這種背景下孕育而生的新型機(jī)組,盡管還有感應(yīng)加熱厚度方面適應(yīng)性、退火爐冷卻器熱張緊輥室溫控問(wèn)題等諸多需要改進(jìn)的方面,日照鋼鐵的酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組已經(jīng)在穩(wěn)定運(yùn)行,定位為純鋅鍍層。

酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組是將熱軋板作為原料通過(guò)酸洗→平整→加熱→涂鍍→后處理→出涂鍍成品的機(jī)組,直接將熱軋黑平板變?yōu)橥垮儼?該機(jī)組集成了酸洗、平整、涂鍍?nèi)蠊に?具有生產(chǎn)效率高,生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn),因此是一種綠色高效的熱軋薄帶產(chǎn)品深加工工藝。

另外,隨著市場(chǎng)對(duì)涂鍍產(chǎn)品耐蝕性要求的提高,鋅鋁鎂鍍層以其優(yōu)異的耐蝕性、高平面耐蝕性、高切口耐蝕性的特點(diǎn)受到下游用戶的青睞。腐蝕實(shí)驗(yàn)(如實(shí)驗(yàn)室鹽霧實(shí)驗(yàn)、戶外暴露實(shí)驗(yàn)等)證明鋅鋁鎂鍍層比純鋅鍍層的耐蝕性有很大提高,總的來(lái)說(shuō),一定量的 Al、Mg 添加會(huì)提高耐蝕性幾倍到十幾倍。鋅鋁鎂產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益,市場(chǎng)需求、成果應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化前景都有迫切的需求及研究的必要。

1.1 鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品的市場(chǎng)需求

1)光伏支架

為了實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”和社會(huì)進(jìn)步的需要,市場(chǎng)即將加快建設(shè)太陽(yáng)能項(xiàng)目,亟須大量的光伏支架產(chǎn)品,目前年卷材需求量已經(jīng)達(dá)到1 500萬(wàn)t,每年還將以20%以上的速度遞增。

2)公路護(hù)欄

為了改善交通條件和提高交通的完全性,國(guó)家正在大力發(fā)展城市近郊和邊遠(yuǎn)地區(qū)的公路交通,并且開(kāi)展“兩波”改“三波”的安全改善工程,每年需要公路護(hù)欄1 800萬(wàn)t,每年還將以10%以上的速度遞增。

3)建筑輕鋼配件

為了實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的減碳和綠色化,國(guó)家正在大力推廣裝配式建筑和集約化畜牧業(yè),每年需要建筑用輕鋼配件2 000萬(wàn)t,每年還將以15%以上的速度遞增。

4)其他用途

鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品在集裝箱、電器箱柜、電纜橋架、糧倉(cāng)、農(nóng)業(yè)大棚等多個(gè)用途方面,每年也亟須2 000 t以上的高強(qiáng)度、厚規(guī)格、厚鍍層鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品。每年還將以10%以上的速度遞增。

1.2 將鋅鋁鎂產(chǎn)品和酸洗-平整-涂鍍機(jī)組結(jié)合的必要性

伴隨著熱軋薄帶產(chǎn)量的進(jìn)一步擴(kuò)大,鋅鋁鎂涂鍍產(chǎn)品的市場(chǎng)需求進(jìn)一步增強(qiáng),酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組的市場(chǎng)將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大,酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組具有以下特點(diǎn)[1]：

(1)節(jié)省建設(shè)投資成本:可節(jié)省兩套入口上卷運(yùn)輸系統(tǒng)、兩套開(kāi)卷機(jī)、兩套夾送矯直裝置、一套焊機(jī)、兩套卷取機(jī)、兩套出口卸卷運(yùn)輸系統(tǒng)、六套 CPC、兩套 EPC裝置等機(jī)械設(shè)備及相應(yīng)的電氣控制系統(tǒng),對(duì)業(yè)主單位來(lái)講可節(jié)省相應(yīng)的投資和維護(hù)成本;聯(lián)合機(jī)組無(wú)需中間產(chǎn)品的儲(chǔ)存庫(kù),因此可節(jié)省昂貴的土地成本和中間庫(kù)建設(shè)成本。

(2)酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組可減少帶頭帶尾的剪切次數(shù),因此可提高成材率 0.3%。

(3) 酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組既可單獨(dú)酸洗又可酸洗鍍鋅聯(lián)合操作,為生產(chǎn)者能夠迅速對(duì)市場(chǎng)需求做出反應(yīng)提供了極大靈活性,用戶可以根據(jù)市場(chǎng)的需求調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃生產(chǎn)酸洗板和鍍鋅板。

(4)酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組縮短生產(chǎn)周期約 3 天。

(5)最大限度節(jié)約人力成本。

綜上所述,酸洗-平整-鋅鋁鎂聯(lián)合機(jī)組是為熱軋板鍍鋅提供了一個(gè)新的發(fā)展方向,值得研究推廣,同時(shí)針對(duì)不同使用場(chǎng)景,開(kāi)發(fā)3%～11%Al、2%～3%Mg的熱軋板鋅鋁鎂涂鍍產(chǎn)品。但不同于傳統(tǒng)的鍍鋅,鋅鋁鎂鍍層開(kāi)啟的是三元合金鍍層,因此對(duì)部分關(guān)鍵工藝段的設(shè)計(jì)也提出了特殊要求。

2 平整機(jī)工藝段

不同于傳統(tǒng)的平整機(jī)生產(chǎn)工藝,酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組要求對(duì)鋼板性能、表面粗糙度、消除氧化鐵皮的二次咬入、去除表面鐵粉等方面都有較高要求,因此光整機(jī)工藝段的工藝要求如下:

該段具有較大的鋼板延展率控制要求,延展率不低于7%～20%,同時(shí)具有表面刷洗毛化以及弱酸洗等功能。

重點(diǎn)解決熱軋板板形、表面粗糙度、氧化鐵皮的二次咬入等問(wèn)題。

平整后的鋼板質(zhì)量要求:

殘鐵量:max 250 mg/m2(單面);

平直度:max 50IU;

塔形量:max 30 mm;

拱形:max 0.12%;

原料鋼卷溫度: 0～70 ℃;

鋼卷邊部錯(cuò)邊:±30 mm;

鋼卷內(nèi)圈起筋:無(wú)起筋;

缺陷:無(wú)明顯氧化鐵皮二次咬入;

鐮刀彎:小于12 mm/10 m。

結(jié)論:合理的延展率和表面刷凈功能,已經(jīng)在涂鍍工藝段增加弱酸洗工藝,減少鐵粉及氧化鐵皮對(duì)下游工藝段的影響。

3 加熱工藝段

受涂鍍段氣刀穩(wěn)定性控制的要求影響,機(jī)組速度針對(duì)鋅鋁鎂涂鍍不低于40 m/min,因此酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組的核心工藝段TV值不低于220 mm·m/min。這一TV值的要求對(duì)加熱段提出了較高要求,針對(duì)感應(yīng)加熱需要至少3段6 000 kW的感應(yīng)爐;而針對(duì)火焰爐,則需要不低于8個(gè)的較大的溫度控制段,不僅僅給布置上帶來(lái)困擾,已經(jīng)成為工藝方案選擇上的重要一環(huán)(TV值為板厚×工藝段運(yùn)行速度,mm·m/min,是衡量機(jī)組能力和產(chǎn)量的重要參數(shù))。

3.1 感應(yīng)加熱爐

酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組是否采用感應(yīng)加熱取決于燃料消耗,一般的采用感應(yīng)加熱單位燃耗為120 kW·h/t,而采用燃?xì)鈫挝蝗己囊詷?biāo)準(zhǔn)天然氣計(jì)算為20.5 m3/t(標(biāo)準(zhǔn));簡(jiǎn)單對(duì)比得知,電費(fèi)為0.7元/(kW·h)時(shí),燃料費(fèi)為:84元/t,因此標(biāo)準(zhǔn)天然氣價(jià)格于4.1元/ m3(標(biāo)準(zhǔn))即為平衡點(diǎn);但相比之下,感應(yīng)加熱受透熱深度的影響,在板厚方面的適應(yīng)性較差,一般的,最厚的鋼板為6 mm的話,最薄的鋼板就不宜低于1.5 mm。而且這種高功率電源如果頻率變化太大的話,還不是十分過(guò)關(guān),首先是從電源角度論證感應(yīng)加熱的適應(yīng)性。

3.1.1 厚度與頻率和效率

考慮到鋼板加熱橫向溫度的均勻性要求,感應(yīng)加熱采用縱向磁場(chǎng)方式,如圖1所示。

根據(jù)圖1所示,縱向磁場(chǎng)加熱電源頻率選取主要考慮加熱系統(tǒng)效率。加熱電源頻率低,加熱效率低,頻率高,加熱電源效率高,但加熱電源頻率高到一定程度后,加熱效率會(huì)趨于一飽和值,由于電源頻率越高,電源的轉(zhuǎn)換效率將降低,加熱系統(tǒng)總效率反而將降低。

圖1 縱磁感應(yīng)加熱示意圖

感應(yīng)加熱中間坯直接發(fā)熱層在中間坯的表面,表面層厚度即為感應(yīng)加熱電流透入深度(超過(guò)居里點(diǎn)溫度):

(1)

式中:Δ為透熱深度,mm;ρ為鋼材的電阻率,Ωm;f為頻率,kHz。

對(duì)1 500 mm×4.5 mm中間坯,感應(yīng)圈開(kāi)口尺寸2 000 mm×8 mm、長(zhǎng)度300 mm,不同加熱電源頻率時(shí)感應(yīng)爐電效率見(jiàn)表1。

表1 不同加熱電源頻率的透熱深度及電熱效率(4.5 mm厚度)

對(duì)1 500 mm×6.0 mm中間坯,感應(yīng)圈開(kāi)口尺寸2 000 mm×8 mm、長(zhǎng)度300 mm,不同加熱電源頻率時(shí)感應(yīng)爐電效率見(jiàn)表2。

表2 不同加熱電源頻率的透熱深度及電熱效率(6mm厚度)

參照表1和表2,從電效率與電源工作頻率關(guān)系可得知:鋼帶厚度與電流透入深度比值H/Δ≤2時(shí),電效率隨電源頻率降低而明顯減小,當(dāng)H/Δ≥2后,電效率與電源工作頻率基本無(wú)關(guān)(電效率趨于飽和)。

3.1.2 電源功率

電源功率是感應(yīng)加熱電源的另外一個(gè)重要指標(biāo),電源功率的選擇主要由加熱工藝及加熱速度的要求來(lái)決定。

1)計(jì)算邊界條件

帶鋼典型規(guī)格:帶鋼厚度4.5 mm,帶鋼寬度為1 200 mm;

感應(yīng)線圈進(jìn)口帶鋼溫度:20 ℃,感應(yīng)線圈出口帶鋼溫度:570 ℃;

工藝段線速度:45 m /min。

2)計(jì)算方法

加熱工件質(zhì)量:

M=w×d×l×ρ/106=1 970 kg/min

(2)

式中:M為單位時(shí)間內(nèi)加熱帶鋼的質(zhì)量,kg/min;w為帶鋼寬度1 200,mm;d為帶鋼厚度4.5,mm;l為單位時(shí)間內(nèi)加熱帶鋼的長(zhǎng)度,取值45,m/min;ρ為帶鋼密度,取值7 850,kg/m3。

工件吸收功率:

P1=MCΔT/t=118 000×0.128×(570-20)/860=

10 090 kW

(3)

式中:C為帶鋼平均比熱容,kJ/(kg·℃);ΔT為帶鋼溫差,℃;t為熱量轉(zhuǎn)換單位。

感應(yīng)爐感應(yīng)線圈熱效率為80%,電源電效率為85.5%,綜合效率η=68.4%,計(jì)算加熱電源實(shí)際輸入功率為

P=P1/η=10 090/68.4%=14 840 kW

(4)

根據(jù)式(4)計(jì)算可得,考慮到帶鋼規(guī)格不一樣,負(fù)載匹配效率降低,并考慮20%的富余量,回火感應(yīng)加熱電源功率P=18 000 kW,分為3段。

結(jié)論:感應(yīng)加熱適用于電費(fèi)不超過(guò)0.67元/(kW·h)的條件,電源頻率直接關(guān)聯(lián)鋼板的透熱深度,沿帶鋼厚度方向的透熱深度的變化范圍有限,不適應(yīng)冷板、熱板混合的生產(chǎn)機(jī)組。

3.2 燃?xì)饧訜釥t

采用燃?xì)鉅t的設(shè)計(jì),則完全不同于感應(yīng)加熱從內(nèi)部向外部的傳熱,傳熱速度較慢,受限條件較多,對(duì)燃?xì)馇鍧嵍鹊囊笠草^高,因此對(duì)傳熱的過(guò)程有必要進(jìn)行論證。

確定傳熱過(guò)程,需要確定帶鋼加熱過(guò)程的邊界條件和初始條件。爐溫分布表示為Tf(z,τ),帶鋼單元經(jīng)過(guò)各個(gè)爐段的邊界熱流密度可以表示q(z,τ),以帶鋼單元上表面為例可以寫成如下形式:

q(z,τ)=δ(1-η)·{ε(z)·σ·[Tf(z,τ)4-

T(0,y,z,τ)4]+hc(z,τ)·[Tf(z,τ)-

T(0,y,z,τ)]}+δ(η)·λ·[TR-T(0,y,z,τ)]

(5)

式中:q(z,τ)為表面熱流密度,W/m2;hc(z,τ)為各爐段的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);ε(z)為各爐段的綜合輻射換熱系數(shù);當(dāng)η=1時(shí),δ(η)=1,此時(shí)帶鋼處于爐輥處;當(dāng)η=0時(shí),δ(η)=0,此時(shí)帶鋼不處于爐輥處;λR為帶鋼與爐輥接觸傳熱的換熱系數(shù),W/(m2·K);TR為爐輥表面溫度,K;σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù),5.67×10-8W/(m2·K4)。

無(wú)氧化爐對(duì)帶鋼的傳熱來(lái)自火焰及耐火材料的反射,類似于均勻的表面輻射,這一設(shè)計(jì)輻射溫度越高,傳熱速度越快,根據(jù)式(5)的測(cè)算,傳爐溫達(dá)到1 300 ℃以上,同傳統(tǒng)的1 200 ℃相比,熱速度提高36%以上;但較大的TV值意味著無(wú)氧化爐有效加熱長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),這一問(wèn)題針對(duì)臥式爐不難解決,僅僅是爐區(qū)分段的問(wèn)題。

采用L型爐子或者立式爐設(shè)計(jì)時(shí),采用亞高速火焰燒嘴都存在爐子較高導(dǎo)致火焰快速上浮的缺陷,因此最合適的爐子高度僅限于4段,最大有效加熱高度為18 m,上下輥間距為22.5 m,繼續(xù)加大加熱段有效長(zhǎng)度,就得將傳統(tǒng)的加熱段一分為二,這一設(shè)計(jì)無(wú)論在爐長(zhǎng)的有效性和控制的難度出發(fā)都是有欠缺的,這也是當(dāng)TV值較大時(shí),不建議采用L型或者立式無(wú)氧化爐的原因。而采用傳統(tǒng)的臥式爐設(shè)計(jì),參見(jiàn)圖2。

圖2 傳統(tǒng)的臥式無(wú)氧化爐

但有一種高溫預(yù)混燒嘴的設(shè)計(jì)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)側(cè)燒嘴無(wú)氧化爐的缺陷,首先是燒嘴采用預(yù)混的輻射杯設(shè)計(jì),密布的輻射杯布置使得帶鋼兩面杯高溫輻射包圍,傳熱徹底、快速,有效減少了熱氣上浮現(xiàn)象,傳熱和溫控相對(duì)容易,類似于高溫多孔介質(zhì)加熱。

根據(jù)圖3所示的L型無(wú)氧化爐或立式無(wú)氧化爐的設(shè)計(jì)缺陷,如上圖所示的側(cè)燒嘴燃燒尾氣速度過(guò)快造成熱氣上浮,傳熱速度不夠快,傳統(tǒng)無(wú)氧化立式爐的這一缺陷導(dǎo)致的爐區(qū)加熱段長(zhǎng)度有限,最大僅為5段,這一設(shè)計(jì)僅僅能夠適應(yīng)TV值小于140的爐子設(shè)計(jì)。

圖3 傳統(tǒng)的分段式立式無(wú)氧化爐

因此改善立式無(wú)氧化爐的一種有效手段是采用端向輻射杯燒嘴布置,如圖4所示。

圖4 端向輻射杯燒嘴的立式無(wú)氧化爐

根據(jù)圖4所示的立式無(wú)氧化爐,營(yíng)造了一個(gè)高溫的均勻輻射面,但這一設(shè)計(jì)對(duì)燃料要求極高,必須防止燃料中的夾雜黏附在板面上。

綜上所述,厚板涂鍍當(dāng)TV值超過(guò)150時(shí),受板厚、加熱能力、加熱速度等方面的影響,最佳選擇還是傳統(tǒng)的臥式爐設(shè)計(jì),圖 中所示的案例TV值達(dá)到180,分為8個(gè)燃燒控制段,有效加熱長(zhǎng)度為28.8 m。

3.3 兩種加熱方式的對(duì)比

針對(duì)這兩種方式,是將帶鋼加熱到550～570 ℃的過(guò)程是有重大區(qū)別的,都需要入口密封、一定長(zhǎng)度的均熱段、冷卻段、均衡段和鋅鼻子,上述要求是共性的。

區(qū)別TV值210,采用3段感應(yīng)加熱長(zhǎng)度為:3×3=9 m;而采用燃?xì)饧訜峥傞L(zhǎng)度為44 m;這兩種方式幾乎沒(méi)有可比性,是根據(jù)燃料條件決定的。

3.4 冷卻段和均衡段的必要性

酸洗-平整-涂鍍聯(lián)合機(jī)組,TV值達(dá)到210以上時(shí),針對(duì)11%Ai、3%Mg、1.6%Si、其余為鋅的涂層要求,表3所示為上述邊界條件冷卻段數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果。

表3中,N為冷卻段數(shù)量排序;TS1為帶鋼入冷卻器溫度,℃;TS2為帶鋼出冷卻器溫度,℃;QS為帶鋼熱量變化,kJ;TG1為保護(hù)氣體進(jìn)冷卻器溫度,℃;TG2為保護(hù)氣體出冷卻器溫度,℃;QC為保護(hù)氣體側(cè)熱量變化,kW;AF為對(duì)流換熱系數(shù),kJ/(m2·h·℃);WK為水側(cè)換熱系數(shù),kJ/(m2·h·℃);QW為水側(cè)熱量變化,kJ。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果,理論長(zhǎng)度為20.7 m,因此設(shè)計(jì)選擇為上行冷卻同時(shí)增加一個(gè)下行均衡段,這一設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是溫度穩(wěn)定,同時(shí)徹底消除了,鋅鋁鎂鋅蒸汽對(duì)冷卻段的影響。

針對(duì)鋅鋁鎂的設(shè)計(jì),冷卻段推薦采用高氫高速冷卻器,參照?qǐng)D5[1]。

表3 冷卻段數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果

圖5 立式爐鋅鋁鎂高氫高速冷卻器

4 結(jié) 論

(1)平整機(jī)工藝段適當(dāng)增加帶鋼延展率控制,配備必要的表面刷功能,同時(shí)在涂鍍工藝段增加弱酸洗。

(2)加熱段的供熱方式根據(jù)燃料成本進(jìn)行選擇,燃料采用電感應(yīng)方式,電費(fèi)不宜超過(guò)0.67元/度;采用燃?xì)饧訜?天然氣費(fèi)用不應(yīng)該超過(guò)4.1元/m3(標(biāo)準(zhǔn))。

(3)TV值超過(guò)150后,采用燃?xì)饧訜岬臒o(wú)氧化爐推薦采用傳統(tǒng)的臥式爐方式。

(4)鋅鋁鎂的爐子無(wú)論采用哪種加熱方式,冷卻段設(shè)計(jì)都需要不要的均衡段隔絕鋅鼻子。

(5)多孔介質(zhì)加熱在使用天然氣為燃料的條件下,為立式無(wú)氧化爐提供了一種高溫快速的加熱方式。

(6)酸洗-平整-鋅鋁鎂涂鍍的聯(lián)合機(jī)組為熱軋板下游的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。