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退火爐氣體對流熱交換設(shè)計案例

1. 預(yù)熱段噴氣加熱

在帶鋼連續(xù)退火爐的預(yù)熱段，采用加熱段的400℃~600℃的廢氣對帶鋼進(jìn)行預(yù)熱，可以使得帶鋼由環(huán)境溫度預(yù)熱到180℃~250℃，對提高熱效率很有意義。

理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)均表明，如果不對帶鋼采用噴射廢氣方式進(jìn)行對流熱交換，只是將帶鋼置于廢氣中運(yùn)行的話，換熱效果非常之差。當(dāng)然，帶鋼預(yù)熱的速度也不能太快，否則會影響板形，造成帶鋼跑偏。因此，預(yù)熱段一般采用最為簡易的方法，即采用管形噴梁上開圓形噴孔的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不但制造簡單方便，而且逸流通道暢通無阻，帶鋼振動較小，使用中也不易變形，壽命較長。一般采用圓筒形爐膛，上下兩節(jié)，中間設(shè)計兩對穩(wěn)定輥，這種爐膛結(jié)構(gòu)緊湊合理，剛度高，不易變形，便于做外保溫，爐膛內(nèi)沒有保溫材料，可以大幅度提高爐內(nèi)氣體的清潔度，防止氣流內(nèi)的雜質(zhì)吹到帶鋼表面。一般鍍鋅線設(shè)計一個圓筒形爐塔，兩個行程；連退線設(shè)計兩個圓筒形爐塔，四個行程。

某鍍鋅生產(chǎn)線退火爐預(yù)熱段總體布置如圖4.3-21所示。

氣體流向及與帶鋼的作用如圖4.3-22所示。

現(xiàn)場照片如圖4.3-23所示。

該退火爐預(yù)熱區(qū)噴箱設(shè)計參數(shù)如表4.3-2所示。

表4.3-2 噴箱設(shè)計案例

2.緩冷段噴氣冷卻

緩冷段根據(jù)工藝要求對帶鋼進(jìn)行緩慢冷卻，因此與帶鋼的熱交換不是很強(qiáng)烈，一般采用普通的立方形爐塔，噴箱采用在管形噴梁上開圓形噴孔的結(jié)構(gòu)。

某鍍鋅生產(chǎn)線退火爐緩冷段總體布置如圖4.3-24所示。帶鋼從上部爐喉進(jìn)入，從下部爐喉離開，一共有三個行程，但只有前后兩個有效冷卻行程，中間一個是空行程。設(shè)計有上下兩臺風(fēng)箱，上風(fēng)箱從爐塔的下部吸入熱氣，經(jīng)過冷卻水換熱器冷卻成冷風(fēng)后噴向上部的帶鋼；下風(fēng)箱從爐塔的上部吸入熱氣，經(jīng)過冷卻水換熱器冷卻成冷風(fēng)后噴向下部的帶鋼。每臺風(fēng)箱分別設(shè)計有四組冷卻模塊，每個冷卻模塊有16個噴梁，分別向兩個行程的帶鋼兩側(cè)噴射冷卻氣體。

噴箱結(jié)構(gòu)以及冷卻介質(zhì)流向如圖4.3-25所示。

快冷段分區(qū)冷卻箱

為了進(jìn)一步提高快冷段冷卻速率和帶鋼在橫向的溫度均勻性，SELAS公司采用了分區(qū)冷卻箱加高速“氣線”的方案，一方面將帶鋼在垂直方向分為5個區(qū)獨(dú)立進(jìn)行冷卻，另一方面將HN氣體以高速度、小直徑的“氣線”沖擊帶鋼，進(jìn)行熱交換后立即吸離帶鋼，取得了很好的效果。

某鍍鋅線快冷段在一個行程內(nèi)設(shè)計了兩個冷卻單元。每個單元在帶鋼兩側(cè)均并排布置了5個縱向冷卻風(fēng)箱，在風(fēng)箱上橫向安裝了若干排噴氣片，每個噴氣片末端設(shè)計有扁形高速噴氣管道，可以噴出高速度、小直徑的“氣線”沖擊帶鋼進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換，熱交換后的熱氣流立即通過噴氣片之間的逸流區(qū)被吸出爐膛外，匯集于一個集氣塔內(nèi)，經(jīng)過一次熱交換器冷卻后進(jìn)入高壓離心風(fēng)機(jī)，并經(jīng)過二次熱交換器冷卻后再次通過各管路進(jìn)入冷卻風(fēng)箱，如此循環(huán)往復(fù)流動。

圖4.3-36（b）是爐膛水平剖視圖，從中可以看出在帶鋼的左右兩側(cè)均安裝有5只風(fēng)箱，從圖4.3-36（f）C-C向旋轉(zhuǎn)視圖可以看出5個風(fēng)箱分別對應(yīng)帶鋼的中心區(qū)域、兩個次邊緣區(qū)域、兩個邊緣區(qū)域，風(fēng)箱的寬度依次減小。圖4.3-36（a）是爐膛的縱向剖視圖，可見風(fēng)箱都是長方形的，進(jìn)氣管道在空間上是錯開的，對應(yīng)帶鋼的中心區(qū)域和兩個邊緣區(qū)域的3只風(fēng)箱從下方進(jìn)氣；對應(yīng)帶鋼兩個次邊緣區(qū)域的2只風(fēng)箱從上方進(jìn)氣。圖4.3-36（c）是圖4.3-36（a）中A區(qū)的放大，可見噴氣片內(nèi)的噴氣管道截面在垂直方向上是逐漸減小的。圖4.3-36（e）是圖4.3-36（b）中D區(qū)的放大，可見噴氣片的末端有三角形凹槽，使得噴氣管道截面在水平方向上也是逐漸減小的。圖4.3-36（d）也可以說是圖4.3-36（e）的剖視圖，從圖4.3-36（c）的E-E向視圖4.3-36（d）可以看出噴氣片內(nèi)的噴氣管道截面末端是圓形的，所以能夠高速度、小直徑的“氣線”。

噴氣片的實(shí)物照片如圖4.3-37所示，為了防止噴氣片變形和發(fā)生斷帶時帶鋼斷頭進(jìn)入噴氣片之間的逸流區(qū)，在噴氣片之間增加了連接的加強(qiáng)筋。

圖4.3-37 噴氣片的實(shí)物圖

冷卻介質(zhì)氣體控制圖如4.3-38所示，可以看出，上下兩個冷卻單元共用一套控制系統(tǒng)，但帶鋼的中心區(qū)域、兩個次邊緣區(qū)域、兩個邊緣區(qū)域所對應(yīng)的冷卻風(fēng)箱采用單獨(dú)控制的3臺高壓變頻離心風(fēng)機(jī)，可見該方案是以帶鋼橫向溫度均勻性為重點(diǎn)設(shè)計的，可以非常精確地進(jìn)行帶鋼溫度的分區(qū)控制。

這種分區(qū)冷卻箱最大的特點(diǎn)是對帶鋼在橫向的溫度進(jìn)行分區(qū)檢測和閉環(huán)分區(qū)控制冷卻，可以保證帶鋼在橫向的溫度差控制在3℃以內(nèi)，不但能夠提高產(chǎn)品性能的均勻性，更重要的是可以完全避免帶鋼因?yàn)闄M向溫度差造成的瓢曲現(xiàn)象，確保穩(wěn)定運(yùn)行；同時，冷卻介質(zhì)氣體在很密集的葉片中經(jīng)過截面逐漸減小的通道，能夠形成高速度、小直徑的“氣線”沖擊帶鋼，確保每一份氣體都能與帶鋼進(jìn)行充分的熱交換，因此換熱效率很高；另外，冷卻帶鋼后的熱氣能夠快速、順利地從噴氣片之間的逸流區(qū)被吸出爐膛外，不會對后續(xù)氣流帶來影響，因此帶鋼與刀片的距離可以小至40mm，這也非常有利于提高冷卻速率，對于0.8mm的帶鋼采用3~5%H₂濃度的保護(hù)氣體，可以以170℃/s的冷卻速度使帶鋼由750℃下降到460℃。不需要采用高氫就可以達(dá)到如此高的冷卻速率，不但可以滿足超高強(qiáng)度材質(zhì)的需要，爐膛也不需要高氫冷卻那樣的高密封性能，是很有積極意義的。

煤氣波動產(chǎn)生的爐輥結(jié)瘤案例

1 壓印缺陷發(fā)生情況

某連退機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行了三年多的時間，在一次中班正常生產(chǎn)時出現(xiàn)了圓珠狀輥印缺陷，周期為2512mm，正好與爐輥的直徑相吻合，分析生產(chǎn)線運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，缺陷是在產(chǎn)品的品種發(fā)生了變化，由高溫曲線轉(zhuǎn)向低溫曲線，生產(chǎn)線速度上升以后發(fā)生的。于是停機(jī)打磨爐輥，但開機(jī)后輥印仍在，通過調(diào)整爐內(nèi)張力，對重點(diǎn)爐輥進(jìn)行在線磨輥，使缺陷消除，并臨時調(diào)整計劃，轉(zhuǎn)產(chǎn)批量大的品種，生產(chǎn)線速度和爐內(nèi)溫度保持不變，也就沒有發(fā)生壓印。到了白班，為了完成生產(chǎn)任務(wù)，于是重新轉(zhuǎn)到正常計劃生產(chǎn)，生產(chǎn)線速度和爐溫相應(yīng)地發(fā)生了變化，壓印缺陷再次發(fā)生。

2 壓印產(chǎn)生時的異常分析

通過中班和白班兩次輥印產(chǎn)生的經(jīng)過來看，爐內(nèi)輥印主要是機(jī)組在規(guī)格過渡過程中產(chǎn)生，主要涉及到速度的變化和溫度的變化，在這個過程中發(fā)生變化的參數(shù)很多，到底根本性原因在哪里呢？

在進(jìn)行綜合分析時，發(fā)現(xiàn)了一個異常現(xiàn)象，就是隨著爐溫的上升，加熱段爐內(nèi)的氧氣含量和露點(diǎn)發(fā)生了上升。本來這兩者沒有直接聯(lián)系的，為什么關(guān)聯(lián)起來了呢？

經(jīng)過進(jìn)一步分析，在爐溫調(diào)整的時候，混合煤氣流量存在較大幅度的波動，中班的波動范圍在2200~11900 m3/h，白班的波動范圍在3100~14500 m3/h。

3 爐內(nèi)氣氛變化原因分析

混合煤氣的波動在輻射管內(nèi)部，理論上是不會影響爐內(nèi)氣體氧含量和露點(diǎn)的。如果發(fā)生了影響，只有一個原因，有輻射管開裂。

原來，由于連退線爐子對輻射管的密封性沒有鍍鋅線高，該公司對輻射管封閉的標(biāo)準(zhǔn)是檢漏時氧含量在18%以下，而不是21%以下。于是查找輻射管檔案，發(fā)現(xiàn)在前次大修以后，進(jìn)行過一次輻射管檢漏，對氧含量在18%以下的輻射管進(jìn)行了封閉處理，但還有13套輻射管的氧含量在18%~19%沒有做處理。

4 爐輥結(jié)瘤原因分析

正是由于部分輻射管存在細(xì)微開裂，導(dǎo)致輻射管與爐內(nèi)竄氣。理論上講，爐內(nèi)是正壓，輻射管是負(fù)壓，輻射管內(nèi)的氣體不可能泄漏到爐內(nèi)，但是在爐溫調(diào)整時，如果煤氣調(diào)整產(chǎn)生的波動很大的話，有可能短時間壓力升高，超過爐內(nèi)的正壓，輻射管內(nèi)的煤氣和助燃空氣泄漏到爐內(nèi)，造成爐內(nèi)氧氣含量和露點(diǎn)的升高。這是，隨著煤氣和助燃空氣泄漏到爐內(nèi)的還有煤氣內(nèi)的雜質(zhì)以及輻射管內(nèi)的細(xì)小異物顆粒，這些雜質(zhì)顆粒就會落在帶鋼表面，粘附到爐輥上，產(chǎn)生結(jié)瘤。

5 壓印問題的解決

根據(jù)以上分析，決定停機(jī)再次進(jìn)行輻射管撿漏，發(fā)現(xiàn)部分輻射管氧氣含量有所增加，說明裂紋變得更加嚴(yán)重。為了對輻射管細(xì)微裂紋問題進(jìn)行加嚴(yán)控制，決定對對氧含量在18.5%以下的輻射管進(jìn)行了封閉處理。同時，對燃燒PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整，避免產(chǎn)生煤氣的大幅度波動。

 恢復(fù)生產(chǎn)以后，在產(chǎn)品規(guī)格調(diào)整，爐溫和生產(chǎn)線速度發(fā)生變化時，爐內(nèi)含氧量和露點(diǎn)不再發(fā)生升高現(xiàn)象，壓印問題也沒有發(fā)生。

引自: 知鋼

作者: 許秀飛、張雨泉

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