设备管理_不锈钢冷带退火酸洗的工艺及设备的研究

不锈钢冷带退火酸洗的工艺及设备的研究 随着我国国民经济的高速增长 近年来我国不锈钢的市场需求呈快速增长趋势 从产品表面质量和生产成本上看 由于国内生产技术在一定程度上还落后于国外的一些生产厂 如新日铁 米塔尔 AK公司 蒂森克虏伯等 一些高 精 尖的产品仍旧需要进口 到目前为止 国内几家大型不锈钢生产厂所建设的近10条冷轧不锈钢退火酸洗机组均从国外引进 仅有少部分设备是国内合作制造 我国自主集成生产设备的能力是相当的薄弱 由此 掌握冷轧不锈钢带钢的退火和酸洗工艺 提高自主设计 集成不锈钢冷带退火酸洗生产设备的能力 优化生产设备配置 对提高我国生产高质量的冷轧不锈带钢产品 降低生产成本 节约能源 满足人民对不锈钢产品日益增长的需求 甚至降低冷轧不锈带钢的进口量 提高我国出口不锈钢产品的能力都有重要的意义 本文基于国内某一大型不锈钢冷轧厂的不锈钢冷带退火酸洗机组 针对其生产工艺和设备选型 并结合多条其它酸洗机组的分析 比较和研究 为今后我国自主集成不锈钢退火酸洗线提供条件 为了提高连续退火炉的生产效率和节能效果 采用较大的温度落差进行加热 以大大地缩短加热时间 减少带钢氧化 使带钢表面受热均匀一致 以保证带钢组织与性能的均匀一致 卧式退火炉将加热段炉膛上部全部连通 使烟气全部流入预热段对带钢进行预热 充分利用烟气余热 提高炉子的热效率 节约能源 为使奥氏体不锈钢产品的耐腐蚀性不受明显的影响 在850 500 之间必须快冷 其冷却速度和含碳量有着密切的关系 随着碳含量的增加 冷却速度越快 奥氏体不锈钢的酸洗工艺为Na2SO4 电解 酸洗 混酸 HNO3 HF 酸洗 铁素体和马氏体的酸洗工艺为Na2SO4 电解 酸洗 HNO3 电解 酸洗 V 型浅槽体的设计使酸液从槽体两侧顺着带钢直接喷射到带钢的上下表面 增加酸液与带钢直接接触的时间 缩短酸洗时间 减少酸耗 提高酸洗效果 为保护环境 在设计中对酸洗段的每段工艺槽配置了相应的废气处理等系统 使废气处理达标后排放 为节约能源 清洗段采用漂洗水溢流循环使用的工艺 缩短清洗时间 降低水耗量 废酸处理系统采用PYROMARS处理工艺将废混酸和废HNO3统一收集后进行再生处理 并重新利用 对于机组产生的有害的NOx废气 在设计时应用NOx氧化 还原法将废气进行收集 过滤净化处理后达标排放 保护了大气环境 虽然 我国的不锈钢生产能力已经大幅度提高 但据统计 到2010年 我国还存有70万t的冷轧不锈钢产品缺口量 而且从人均消费看 我国不锈钢人均消费量为4 8kg 世界平均水平为5 1kg 发达国家水平为10 6kg 刚达到世界平均水平 另外 从产品表面质量和生产成本上看 由于国内生产技术在一定程度上还落后于国外的一些生产厂 如日本新日铁 韩国浦项 美国AK公司 德国蒂森克虏伯等 一些高 精 尖的产品仍旧需要进口 1 1不锈钢产业概述 1 1 1前言随着我国国民经济的高速增长 近年来我国不锈钢的市场需求呈快速增长趋势 据统计从2001年到2003年我国不锈钢材的表观消费量平均增长率为34 4 2003年达到420万t 我国的不锈钢消费总量已经步入世界不锈钢消费大国行列 近年来我国的宁波宝新 太钢 青岛浦项 张家港浦项 酒钢 宝钢股份不锈钢分公司 上海SKS 广州LISCO相继建成投产或正在建设不锈钢热带连续退火 酸洗线 HAPL 和不锈钢冷带连续退火 酸洗线 CAPL 这表明我国不锈钢带钢生产技术日趋成熟 1 1 2不锈钢应用领域目前我国不锈钢一般应用集中于家居和城市设施建设 今后发展将趋向建筑业 汽车运输业 机械制造业和环保领域 近年来 不锈钢制品越来越多地进入中国家庭 如不锈钢餐具 厨具 各种不锈钢器皿和太阳能热水器 高位水箱 热水器以及防盗门窗等 从目前的发展状况看 中国不锈钢最大消费领域是家庭消费 这与GDP的增长和人们生活水平的提高息息相关 同时 随着我国城市化进程的加快 城市建设和城市美化过程中大量使用不锈钢 尤其是大城市和沿海城市 使用不锈钢的数量超过欧美国家 如不锈钢旗杆 街道护栏 过街天桥 指示牌 垃圾桶 广告牌 候车亭 交通指挥亭等基本实现不锈钢化 中国特钢企业协会不锈钢分会常务会长李成表示 中国城市化的过程就是扩大使用不锈钢的过程 当前我国不锈钢应用具有两方面特点 一是以板材为主 特别是冷轧板材 主要为用不锈钢板材再加工成焊管和制成不锈钢制品 以适合家庭和城市使用 二是从沿海地区向内地城市 从城市向农村扩展的发展路线 今后广大农村地区将是不锈钢很大的潜在应用市场 业内人士对未来我国不锈钢发展的应用领域有如下预测 建筑业 汽车运输业 机械加工制造业 环保领域 1 2我国不锈钢发展的回顾及展望 1 2 1我国不锈钢发展的回顾改革开放前的30年是低速发展阶段 这一时期国内只有几家骨干特钢厂生产不锈钢 产量低 每年产量约15万吨 不锈钢市场以工业和国防尖端部门需要为主 基本上靠国产 生产能力与需求基本平衡 钢种基本上仿前苏联标准 产品以长材为主 上世纪80年代初至90年代初期进入发展期 我国不锈钢消费开始进入家庭和城市建设 民用需求快速上升 但国内不锈钢产量每年俳徊在30万吨左右 国产不锈钢在数量 质量 品种上满足不了市场需求 特别是板材的需求缺口很大 每年不得不大量进口 近十年来中国不锈钢得到飞速发展 进入90年代中期 我国国民经济的快速发展拉动不锈钢消费的增长 消费量连年提高 从1995年的75万吨发展到2005年的522万吨 十年增长六倍 2001年我国已成为世界第一大不锈钢消费国 国内生产跟不上消费增长 进口量逐年上升 2003年达300万吨 由于市场消费的拉动及政府的关注和支持 我国不锈钢产业进入快速发展阶段 国家重点不锈钢企业形成 南宝北太 的局面 中外合资不锈钢企业纷纷落户中国 民营不锈钢厂像雨后春笋遍地开花 国内不锈钢生产技术也不断提高 引进了国外90年代末先进的工艺技术和设备 近四年来国内消费增势开始减缓 加上国内产量逐年提高 因此进口量出现下降趋势 我国十年来不锈钢消费量 产量 进口量如图1 1所示 1 2 2我国不锈钢产业的现状 2005年国内不锈钢粗钢 钢材产量急剧增长 2005年不锈钢粗钢产量达到522万吨 比2004年增加214万吨 涨幅为68 其中Ni Cr系 300系列 330 4万吨 占62 36 Cr系 400系列 81 1万吨 占22 34 Cr Mn系 200系列 81 1万吨 占15 3 2005年不锈钢材产量450 8万吨 比2004年增加184万吨 其中板材347 6万吨 长材68 5万吨 无缝管31 6万吨 其它3 1万吨 板材中 宽板卷244万吨 增加124万吨 涨幅为103 33 窄带103 6万吨 增加43 5万吨 涨幅为72 38 1 5 冷轧板卷 宽度 600mm 203万吨 比2004年增加52万吨 涨幅为34 44 进口减少 出口增加 自给率进一步提高 2005年不锈钢进口量仍居高位 达250万吨 但同比降低20 13 出口90 4万吨 同比增加122 64 国产不锈钢材自给率达到60 比2004年提高10 冷轧宽板自给率达到85 比2004年提高14 14 15 我国近年冷轧不锈带钢主要消费结构如图1 2所示 1 2 3我国不锈钢发展的展望 根据不锈钢占钢铁总量的比例关系进行预测 中国上世纪90年代初至2003年的不锈钢消费量占全国粗钢产量的比例逐步上升 随着近几年国内粗钢产量的迅速增加 其比例有所回落 目前国内不锈钢消费量占全国粗钢产量比例在1 4 1 5 左右 预计到2010年国内粗钢产量在5 5 5 8亿吨左右 届时不锈钢的表观需求量为810 870万吨左右 目前发达国家的不锈钢消费量占粗钢消费总量的比例一般在2 以上 高于国内消费比例 如果参考发达国家的水平 以2 的消费比例计算 我国2010年的不锈钢消费量在1100 1200万吨左右 根据不锈钢人均表观消费量进行预测 目前世界不锈钢人均消费量的平均水平为5公斤左右 发达国家平均在10公斤左右 过去我国不锈钢人均消费水平远远低于国际平均水平 在经历了2001 2003年这一具有明显的 补课式追赶 阶段后 目前国内不锈钢人均消费量已达到世界平均水平 为4 8公斤左右 随着不锈钢消费领域的多样化和消费升级以及中国经济的迅速发展 国内不锈钢的人均消费将会持续增加 若按照年增幅10 的速度平稳发展 2010人均消费量达到7 0接近发达国家消费水平 以届时14亿左右人口计算 消费总量为980万吨 假定2010年后以7 的速度增加 则2012年人均消费量为8 01 费总量达1121 4万吨 通过上述三种方法的预测 预计2010年表观消费量在810 1200万吨左右 消费增幅基本保持与国民经济同比的增速 下表为世界及中国不锈钢产量 消费量及预测情况 1 3国内外不锈钢带的生产工艺流程 目前世界上冷轧不锈钢带的生产工艺主要有3种 传统冷轧不锈钢带生产工艺 直接轧制退火酸洗不锈钢带生产工艺 全连续式5机架冷连轧生产工艺 1 3 1传统冷轧不锈钢带生产工艺传统冷轧不锈钢带生产工艺具有较悠久的历史 目前世界上大多数冷轧不锈钢带生产厂家基本上都采用该生产工艺 国内生产厂家 如太钢 张家港浦项 宁波宝新 上海SKS也均采用该生产方式 其工艺特点是采用单机可逆的多辊轧机进行一个或多个轧程的冷轧轧制 然后进行退火 酸洗 平整等工序 该工艺成熟可靠 应用广泛 较适宜表面质量要求高及品种多而规模不大的生产 主要工艺机组有罩式退火炉 热带退火酸洗机组 多辊冷轧机组 冷带退火酸洗机组 平整机组等独立机组 1 3 2直接轧制退火酸洗不锈钢带生产工艺该工艺是20世纪90年代初国际上新开发的冷轧不锈钢生产方式 即热轧不锈钢原料卷直接经过轧制 退火 酸洗连续生产设备生产冷轧不锈钢带 为降低生产成本 顺应不锈钢市场激烈竞争 该生产工艺应运而生 即使在冷轧不锈钢产品价格处于低谷时 该工艺方式仍能在市场中占有一定的优势 但该工艺生产的产品规格偏厚 最薄规格为1mm 适应市场所需产品规格范围较窄 适宜于大规模生产较单一的产品 产品表面质量相对略低 1 3 3全连续式5机架冷连轧生产工艺全连续式5机架冷连轧生产工艺是目前世界上冷轧不锈钢带生产新兴发展方向 该生产工艺与传统生产工艺的区别在于其核心生产机组采用了与碳钢轧机相类似的最先进4辊 6辊组合或全6辊连轧机 替代了传统的多辊单机可逆式轧机 具有生产产量高 轧制成材率高等特点 同时该工艺还能用来生产碳钢 硅钢等多品种 适应市场变化能力强 可充分发挥规模经济效益 降低单位生产成本 且其占地面积较传统工艺也有所减少 该生产工艺与直接轧制退火酸洗不锈钢带生产工艺相比 生产的灵活性大 并且设备间相互牵制的因素大大减小 目前世界上已有多个生产厂家采用该生产工艺生产不锈钢 主要有美国的AK钢铁公司Rockport厂 韩国浦项钢铁公司第二冷轧厂 日本新日铁八幡厂 宝钢股份不锈钢分公司等 1 3 4不锈钢带退火酸洗工艺及设备研究现状不管是中间退火酸洗还是成品退火酸洗均需在冷带退火酸洗机组上进行处理 冷带退火酸洗工艺和设备在冷轧不锈钢产品生产中所占的比重是相当大的 但是 到目前为止 国内几家大型不锈钢生产厂所建设的10多条冷轧不锈钢退火酸洗机组均从国外引进 仅有少部分设备是国内合作制造的 我国自主集成生产设备的能力是相当的薄弱 下表为国内几家主要不锈钢生产厂的设备引进情况 从上表可以看出 到目前为止 这些生产设备中部分设备可以由国内制造厂进行合作制造外 国内在生产设备的设计 制造方面还是相当的薄弱 我国尚且没有一整套退火酸洗设备是自主设计 集成的 根据测算 从国外引进一套退火酸洗设备 需投资成本约3 5 4 5亿人民币 而国内自主集成一套退火酸洗设备仅需2 0 2 5亿人民币 如果 我国掌握了不锈钢冷带的退火和酸洗工艺及设备配置 就可以根据具体的产品工艺要求 对设备配置进行有所侧重的选择和配置 或在场地上预留空间 节约投资降低能耗 而不象引进机组 大部分外商为节约设计修改成本 在设备配置上进行标准配置 在很多情况下造成投资和能源的浪费 自主集成退火和酸洗设备在大大节省投资成本的同时还会带动国内的制造业 加工业 推动国内的经济发展 由此可见 掌握冷轧不锈钢带钢的退火和酸洗工艺 提高自主设计 集成不锈钢冷带退火酸洗生产设备的能力 优化生产设备配置 对提高我国生产高质量的冷轧不锈带钢产品 降低生产成本 节约能源 满足人民对不锈钢产品日益增长的需求 降低冷轧不锈带钢的进口量 提高我国出口不锈钢产品的能力都有重要的意义 不锈钢产品的生产确实相当的重要 但是 我们不能忽略其对环境带来的负面影响 现代化大型钢铁生产厂是我国的能源消耗大户 同时也是各种废气 废水的排放大户 所以 不断研究其生产工艺 降低能耗 降低排放量也是至关重要的 1 4本课题研究意义及内容 1 4 1研究意义掌握冷轧不锈钢带钢的退火和酸洗工艺 提高自主设计 集成不锈钢冷带退火酸洗生产设备的能力 优化生产设备配置 对提高我国生产高质量的冷轧不锈带钢产品 降低生产成本 节约能源 满足人民对不锈钢产品日益增长的需求 降低冷轧不锈带钢的进口量 提高我国出口不锈钢产品的能力都有重要的意义 1 4 2研究内容本课题的研究内容是根据某一冷轧不锈钢生产厂的冷带退火酸洗机组的生产工艺和生产设备 对其进行分析研究 并对该生产线的工艺和设备配置与其它现有的退火酸洗线的工艺和设备配置进行比较 主要内容如下 1 不锈钢冷带退火和酸洗工艺及设备的研究根据设计产量要求 产品的表面质量等级 现有场地的情况 进行如下研究 1 针对炉子的选型 TV值的确定 炉膛温度 退火炉的组成 炉段的长度计算以及冷却介质和冷却方式的选用进行分析研究 以掌握各种退火工艺的优缺点以及所选用的退火工艺的适用性和合理性 以及在保证产品质量的同时研究如何提高产量和缩短炉子长度等 为今后自主设计奠定基础 2 针对酸洗工艺的选型 酸槽型式的选择 酸洗段的组成 酸洗段的长度计算以及酸洗介质 酸洗温度和最终清洗方式进行分析研究 以掌握各种酸洗工艺优缺点和设备配置的合理性 以及在保证酸洗质量的同时分析研究如何节约各种化学物质的消耗和场地的占用 为今后自主设计集成创造条件 2 环保及节能措施不锈钢冷带在退火和酸洗过程中不仅消耗大量的燃料和化学介质 还会有大量各种废气和废液的产生 为节约能源 保护环境 对机组产生的废气 废酸 废中性盐的回收处理工艺进行研究 选用最适合机组生产需要的回收处理方式 以最大程度降低排放浓度和排放量 同时根据实际生产工艺的需要 对各段产生的废热气或漂洗水采用不同的循环利用 比如 炉子预热段采用后续加热段的废热气进行预热 漂洗段的预冲洗段采用逐级逆流方式循环利用漂洗水的工艺进行分析 以降低能耗 减少排放 保护环境 第二章不锈钢冷带退火工艺和设备 2 1引言不锈钢的退火 酸洗工艺可以分为热带退火 酸洗工艺和冷带退火 酸洗工艺两种 热带退火 酸洗工艺 又称原料退火 酸洗工艺 是冷轧不锈钢产品生产的首道工序 热轧不锈钢卷 俗称黑卷 在进入冷轧机进行轧制之前一般都要进行退火 酸洗 其目的主要是通过退火使热轧卷软化 调整晶粒度或提高塑性 再经酸洗后除去在热轧或退火过程中生成的氧化铁皮等杂质 冷带退火 酸洗工艺又可分中间退火 酸洗和成品退火 酸洗 主要是使经冷轧后的不锈钢通过退火软化 得到要求的性能 并通过酸洗消除退火过程中生成的氧化铁皮等杂质 进一步提高带钢的表面质量 冷轧不锈钢退火工艺的主要目的是通过带钢的加热再结晶来消除加工硬化 从而达到软化 改善带钢机械性能的目的 不锈钢冷带退火酸洗机组的退火炉一般采用卧式连续炉 其特点是退火时间短 表面氧化铁皮少 带钢受热均匀 带钢冷却均匀 2 2不锈钢冷带退火工艺 不锈钢冷带退火不管是其工艺的选择还是机组设备的配置 都直接影响着不锈钢产品的质量 同时还很大程度上影响着机组的产量 为此 先进成熟 经济可靠的生产工艺和合理的设备配置是保证产品质量 满足产量要求关键所在 目前世界上不锈钢带连续退火炉的一些发展趋势及所采用的新技术如下 1 采用交流调速变频电机传动 冷带退火酸洗机组工艺段最高速度80 130m min TV值130m min左右 2 采用carousels型圆盘支撑辊技术 实现在线换辊 缩短换辊时间 3 采用换热器对助燃空气进行预热至400 以上 供低NOx烧嘴使用 4 采用PLC控制 实现炉温 带温 炉压及空燃比 钢带空气冷却等自动控制 5 采用先进的炉内钢带张力控制技术 纠偏技术等 6 在加热段炉顶安装悬垂度测量仪 进行实时检测 7 采用数学模型对生产进行控制 对不同厚度 宽度的钢卷跟踪控制 不同厚度 宽度的钢卷采用不同的机组速度 2 2 1不锈钢冷带退火的目的和退火炉型的选择不锈钢的退火工艺根据钢种和来料的不同而不同 其所采用的退火设备也不相同 退火设备主要有周期式退火炉 室状炉和罩氏炉 和连续式退火炉 卧式炉和立式炉 周期式退火炉的特点 1 退火时间长 2 温度高 3 生成的表面氧化铁皮多 连续退火炉特点 1 退火时间短 2 表面氧化铁皮少 3 带钢受热均匀 4 带钢冷却均匀 对奥氏体不锈钢来说 不管是热带退火还是冷带退火 一般都使用连续退火炉进行退火 这主要是因为热轧后的奥氏体钢需通过退火使碳化物溶解并快速冷却防止碳化物再析出 而冷轧后的奥氏体钢通过加热再结晶消除加工硬化 从而达到软化目的 对铁素体不锈钢来说 一般热带退火采用周期式退火炉 冷带退火采用连续退火炉 当然 对单相铁素体来说 因热轧后不存在马氏体 所以采用连续退火炉更合理 对马氏体不锈钢来说 热带退火采用周期式退火炉 冷带退火采用连续退火炉 这主要是因为热轧后的马氏体钢通过退火使马氏体分解为铁素体和球状碳化物 而球状碳化物的析出 聚集 球化需要很长的时间 所以采用周期式退火炉比较合适 2 2 2不锈钢连续退火和冷却工艺特点连续退火炉内带钢加热工艺的基本特征是 在连续炉内各段炉温保持恒定的环境下 带钢在匀速运行中加热 这种炉子在以往的温度设定时 一般不取太大的温度落差 即炉温与板材之温差 如带钢加热温度在1010 1150 炉膛温度控制在1100 1200 但是 根据近几年来的生产 分析和比较表明 为了提高生产效率和节能 对奥氏体钢采用较大的温度落差进行加热 如果加热段炉膛温度从1200 提高到1250 可减少24 的加热时间 从而较大程度地缩短加热时间 减少带钢氧化 并使整个带钢受热均匀一致 使带钢组织与性能均匀一致 带钢的冷却工艺对不锈钢性能和板形有很大的影响 而且不同的钢种和板厚冷却要求各不相同 因此在制定冷却工艺时必须慎重 关键的是要控制冷却速度和冷却均匀性 对于奥氏体不锈钢当其在850 500 之间冷却速度过慢时 材料将因碳化物在晶界析出而产生敏化 对其产品的耐腐蚀性有明显的影响 所以在该温度范围必须快冷 奥氏体不锈钢的冷却速度和含碳量有着密切的关系 随着碳含量的增加冷却速度越快 而铁素体不锈钢不宜急冷 在设备允许的情况下尽量以较小的温度梯度进行冷却 下图是不锈钢的冷却速率与碳含量关系曲线 从图中可以看出随着钢中的碳含量的增加必须提高冷却速度 以防止碳化物析出 2 3连续退火炉的退火冷却工艺研究 本文所基于的A厂不锈钢生产厂的退火炉 其采用的退火和冷却工艺和设备就是基于上述的原理进行的 该退火炉所生产的不锈钢冷带产品品种为奥氏体和铁素体不锈钢 表面等级为2D 2B等的普通表面板 其厚度为0 3 5 0mm 宽度为900 1600mm 年处理量为35万t 本文根据其所生产的冷轧不锈钢的产量 规格 表面等级要求对其退火和冷却工艺选择以及炉子设备的配置进行研究分析 2 3 1炉型的选择根据所需生产的产品的产量和表面等级可以确定所选用的炉型 根据退火工艺要求 目前世界上成熟的炉型有周期式退火炉和连续式退火炉 因周期式退火炉具有退火时间比较长 温度高的特点 所以主要用于热轧后的马氏体不锈钢的退火 使马氏体分解为铁素体和球状碳化物 其产量相对较低 而连续退火炉具有退火时间短 带钢受热均匀而且带钢表面产生的氧化铁皮少 产量高的特点 主要适用于冷轧后的不锈钢的退火 通过加热再结晶消除加工硬化以达到软化目的 所以根据该机组的所生产的产品要求 其退火炉选用连续式退火炉更合适 同时 目前连续炉主要有卧式炉和立式炉两种 立式炉 俗称光亮炉 主要用于生产厚度为0 2 2mm的表面等级为BA的镜面板 且受现有马弗炉长度的限制 且其产量很低 而该机组所生产的产量高达35万t 且其产品为0 3 5mm厚的表面等级为的2B或2D普通冷轧产品 故选择卧式连续炉比较合适 2 3 2TV值的确定TV值中T代表带钢的厚度 单位为mm V代表带钢的运行速度 单位为m min 即TV值的含义是带钢厚度与速度的乘积 其单位是mm m min 该数值是进行退火炉设计的首要参数 TV值的选取十分关键 其主要根据产量 钢种 产品的规格 产品所占的比例 年可作业的时间来确定的 本文所基于的A生产厂 其年产量为35万t 产品的平均厚度为1 0mm 产品的平均宽度为1250mm 年可作业时间为7000h 机组负荷率为90 其TV值的选取如下 年作业时间 日历时间 检修时间 非计划停机时间 有效率 8760 h 700 h 700 h 95 7000h小时产量 年产量 年作业时间 350000 t 7000 h 90 55 6 t h 带钢运行速度 小时产量 带钢断面积 带钢密度 55 6 t h 1 250 m 0 0010 m 7 8 t m3 60 min h 94m minTV 厚度 速度 1 0 mm 94 m min 94 mm m min 上述计算中的检修时间和非计划停工时间以及作业时间的有效率是经验值 主要是根据目前国内各条机组的实际生产运行情况进行分析统计后所选取的 在设计过程中 年作业时间可依据实际情况进行适当调整 计算中所选取的带钢规格是产品的平均规格 其速度也是平均速度 但在实际生产过程中 根据产品的厚度不同 其生产速度会不同 而且产品的规格和产量可能会根据市场的情况进行调整 为此 在设计过程中不能完全按照上述计算得出的TV值进行设计 需将TV值和机组速度适当提高10 25 根据统计分析 目前国内所建设的不锈钢冷带退火炉的TV值基本在80 130mm m min之间 带钢运行速度控制在80 160m min之间 根据上述计算结果和目前实际产线的应用情况 将退火炉的最大TV值定为110mm m min 最大运行速度为120m min是比较合适的 从TV值的含义可知 一旦确定退火炉的TV值 带钢的运行速度就会随带钢厚度的减小而提高 但当带钢厚度很薄时 其带钢运行速度会很大 可能会超过机组机械设备所设计的速度范围 此时 带钢的运行速度就不能纯粹按照TV值的计算公式进行选取 只能选取机组所设定的最高的运行速度 2 3 3炉内氧含量的选取退火炉在正常燃烧的情况下 要以理论空气量使燃料完全燃烧是很困难的 在实际生产中 需要用比理论值高的空气量 空燃比 实际用空气量 理论所需空气量 是燃烧管理的重要指标 空燃比越高 燃料越容易完全燃烧 但是排气和热损失也相应增加 在带钢加热过程中 控制好空燃比将是既保证燃料充分燃烧 又尽可能减少热损失的关键 退火炉各炉段的空燃比设定是不同的 在接近炉子入口的区段设定为1 0 朝向炉出口的区段提高到1 2或1 3 空燃比的控制是通过炉内氧含量的控制来实现的 两者关系见下图 根据空燃比的设定原则和上图所显示的氧含量与空燃比的关系 连续退火炉的加热段氧含量应控制在2 6 之间 2 3 4退火炉温度的设定不锈钢的热处理的目的是改变其物理性能 机械性能 消除残余应力及恢复由于加工和加热而受到严重影响的最大抗腐蚀能力 通常情况下 同一热处理工艺既要得到满意的抗腐蚀能力又要得到最佳的机械性能 冷轧后的不锈钢退火主要目的是加热再结晶退火 退火炉的退火温度设定必需能使钢充分软化 再结晶完全 奥氏体钢的再结晶一般从900 开始 在1050 1200 之间完成 铁素体不锈钢的再结晶一般从600 开始 在900 950 之间完成 随着温度的升高 晶粒粗化 硬度降低 如果晶粒过于粗大 不仅使带钢表面粗糙 而且会影响加工性能 对耐晶间腐蚀也有影响 所以 根据钢种的退火特性 奥氏体的退火温度控制在1050 1150 之间 铁素体的退火温度控制在850 900 之间 本文根据A厂实际生产的厚度为1 0mm 宽度为1250mm的奥氏体304不锈钢 TV值为110mm m min以及厚度为1 0mm 宽度为1250mm的铁素体430不锈钢 TV值为90mm m min时的退火和冷却工艺的要求 进行分析研究其退火炉段的组成和长度的设定 奥氏体304不锈钢的退火冷却曲线见下图 图中上面一条曲线为炉膛的温度曲线 下面一条曲线为带钢的退火和冷却温度曲线 铁素体430不锈钢的退火冷却曲线见下图 从上述退火冷却曲线可以看出 带钢在退火炉内的温度随加热时间而逐渐升高 加热到所需的热处理温度后进行快速冷却 炉膛的温度是根据所退火的带钢的温度要求设定的 同时 为采用较大的温度落差进行加热 缩短加热时间的要求以及保护炉体设备 炉膛温度的设定比带钢退火温度要略高100 150 由此选定该退火炉的炉膛最高温度为1250 是比较合适的 2 3 5冷却工艺和冷却介质的选取不锈钢退火后的冷却工艺有各种不同的型式 目前 世界上实际应用比较成功的冷却方式有两种 一种是常规支撑辊冷却方式 其冷却段内有带钢支撑辊 适合厚度 0 25mm带钢 由于有支撑辊托住带钢 不会因带钢的重力影响而出现垂带现象 但因带钢表面和辊子表面直接接触 一旦辊子表面有杂质或发生变形 就容易在带钢表面产生辊印 另外一种是气垫式冷却方式 其冷却段内没有带钢支撑辊 采用气流来托住带钢 以减少带钢和辊子的接触 提高带钢表面质量 但是 气垫式冷却一般只适用于薄规格的带钢 厚度 0 25mm 而且控制比较困难 如果带钢过厚 采用气垫式冷却时容易形成垂带现象 影响带钢表面质量 除冷却方式外 冷却介质的选用也很重要 从不锈钢冷却速率与碳含量的关系可以看出 含碳量越高要求其冷却速率越大 而冷却速率的高低与所选取的冷却介质密切相关 各种冷却介质的比较见下表 本文根据A厂实际生产的厚度为1 0mm 宽度为1250mm的奥氏体304不锈钢的要求 进行分析研究其冷却工艺和冷却介质的选择 冷却方式的选择 带钢的厚度为1 0mm 远大于气垫式冷却工艺的适用范围 而且其产品表面等级为普通的2B或2D产品 表面质量要求相对较低 所以选用常规支撑辊冷却工艺比较合适 冷却介质的选择 奥氏体不锈钢 为避免其碳化物在晶界析出而产生敏化 对其产品的耐腐蚀性有明显的影响 带钢温度在850 500 之间必须快冷 从退火曲线可以看出 退火后的温度高达900 1150 远远超出快速冷却的温度范围 但如果在该范围内对带钢进行强制冷却 带钢容易产生变形 为控制板形 在设计时一般先采用冷却效果差的空气作为冷却介质 将带钢以14 s左右的冷却速率从1150 冷却到900 左右 当带钢冷却到900 以下时 选用冷却效果最好的水作为冷却介质 以大于50 s速率从将带钢从850 快速冷却到500 此后带钢的性能和组织已经比较稳定 可以采用水喷淋冷却方式将带钢从500 冷却到80 以下 以避免带钢温度过高而损坏后续的设备 但在实际生产时 因冷带退火酸洗后的带钢是最终成品 选用水冷对带钢表面质量会有一定的影响 所以 通常不采用水冷而采用雾冷的冷却方式 铁素体不锈钢根据其材料特性 不宜急冷 在设备允许的条件下尽量以较小的温度梯度进行冷却 根据实验结果 奥氏体304不锈钢的冷却速率与带钢的厚度关系见下图 据冷却速率与带钢厚度的关系可以看出 带钢越厚 其所需的冷却时间越长 所适应的冷却速率越低 对于厚度为1 0mm的奥氏体不锈钢其带钢运行速度为110m min 带钢温度在850 500 之间时的冷却速率选择为65 70 s是比较合适的 但实际所生产的钢种和规格不可能是单一的 其厚度范围大都在0 3 3 0mm之内 带钢运行速度范围在50 120m min之间 针对该不同的钢种和不同规格带钢的冷却要求 冷却段内采用空冷 水冷 高压雾冷的冷却方式是比较经济可行的 从实际应用情况看 目前国内的几家大型生产厂 如宁波宝新 宝钢不锈钢分公司 上海克虏伯 太钢等均采用该冷却工艺 而且应用情况良好 本文所针对的A厂的退火炉冷却段采用了空冷 高压雾冷的冷却方式 其空冷段出口处带钢的实测温度为150 180 雾冷段出口处带钢的实测温度为75 80 实践表明该冷却方式的冷却效果是比较好的 2 4连续退火炉的炉段尺寸的设定 本文所研究的不锈钢带卧式连续退火炉是目前广为使用的退火设备 其特点是钢带在炉内呈水平状态 边加热边前进 退火炉主要由断带处理水冷却段 辐射预热段 加热段 冷却段 干燥段等组成 退火炉的炉段尺寸和炉子的总长度主要根据产量和带钢运行速度以及带钢的悬垂曲线而定 炉堂的宽度视所生产的带钢宽度而定 炉膛的高度和烧嘴的布置是由带钢的悬垂曲线进行设定的 2 4 1带钢悬垂曲线不锈钢在连续退火炉内进行退火时应考虑高温下带材的特性 炉体构造 前后设备等因素来设定适当的炉内张力 根据以往的试验和实际的经验 卧式炉的炉内带钢单位张力最小按照3 5 4N mm2进行设计 但为了改善薄规格产品的对中 防止带钢在炉内跑偏 在设计过程将带钢张力提高到5 8N mm2 悬垂曲线是指一定长度的带在特定的张力控制下的悬垂度 悬垂曲线是根据试验测试得出的 以厚度为1 0mm 宽度为1250mm的奥氏体304不锈钢为例 经测试得出其在不同张力下的悬垂曲线见下图 上图曲线只表明某种规格产品的悬垂度 在实际生产中不可能对每种产品都进行试验 而且炉子设计也不可能根据每种带钢的悬垂曲线进行设定长度 在实际的生产过程种 退火炉的炉段长度是根据所生产的产品的平均规格和预设定的最小炉内张力进行计算的 不同规格的带钢在炉内的张力和悬垂度控制要借助计算机的数学模型 根据所输入的带钢的厚度 宽度 预设定长度和张力进行在线实时自我学习和修正 使带钢以最佳的状态进行退火处理 2 4 2炉膛宽度的设定炉膛宽度主要根据所生产的最宽带钢的宽度进行设定 在炉膛宽度设计时 考虑到带钢在卧式炉内运行时会出现跑偏现象 炉膛的宽度设计要比实际最宽带钢大 其设计余量还需根据机组的带钢跑偏检测和纠偏装置的能力 以最宽带钢宽度为1600mm 单侧最大纠偏范围为200mm为例 其炉膛宽度选取如下 炉膛宽度 最大带钢宽度 纠偏范围 2侧 安全系数 1600 mm 200 mm 2 1 2 2400mm 在实际炉膛宽度设定时 单侧最大带钢纠偏范围根据实际所选用的跑偏检测和纠偏装置进行选取 其值在150 200mm之间 安全系数的选择可以根据实际操作人员的水平和今后生产过程中来料的板型的好坏程度进行选取 本文所针对的A厂的最大产品宽度为1600mm 其退火炉炉膛的宽度即设定为2300mm 根据长时间的运行情况看 该宽度能够满足生产的需求 2 4 3炉膛高度和炉段长度的设定炉膛高度和炉段长度是根据生产带钢的规格和悬垂曲线进行设定的 其设定原则是根据带钢加热的特性 带钢的最低悬垂点距烧嘴的距离必需大于650mm 炉膛的高度通常按照生产时带钢悬垂度的1 5 2 0倍进行选取 炉段长度的设定 以上图的曲线为设定依据 根据图中的曲线 生产规格1 0mm 宽度为1250mm的不锈钢产品 炉内最小张力为5N mm2 炉膛高度为带钢垂度的2 0倍时 其各炉段的长度和炉膛高度的设定见下表 根据上表 退火炉的热预段高度为2190mm 加热段高度为1700mm 同时为了便于今后炉内设备的检修 根据人员通行的净空要求 炉膛高度净空需大于2 0m 所以退火炉的炉膛高度在满足最大带钢悬垂高度的前提下需结合检修的净空要求进行选取 即选取炉膛高度为2200mm是比较合适的 2 4 4加热段数量的选择根据目前的市场情况 不锈钢的消耗量逐年递增 不锈钢的产量也在不断的扩大 一条不锈钢退火酸洗线的产量主要取决于退火炉的TV值 在生产产品规格既定的情况下 TV值的大小决定了加热段的总长度 而加热段的长度与不锈钢产品的退火曲线密切相关 以退火曲线和炉段长度设定表为基础 该退火炉加热段的数量的计算如下 1 带钢从0 加热到1150 带钢在炉内运行的长度为120m 即加热段的总长度为120m 2 带钢进入加热段时经预热段预热到300 350 左右 则实际所需加热段长度为加热段总长 预热段的长度 即120 m 30 m 90m 3 加热段数量 加热段总长度 每段长度 90 m 20 5 m 4 39段因炉段的选取只能是整数 故该退火炉的加热段数选取5段是比较合适的 A厂的退火炉加热段即分为5段 每段长20m 与上述设定原则是比较符合的 2 4 5冷却段数量的选取退火后的冷却对材料的性能和板形都有很大的影响 而且不同的钢种和产品厚度的冷却条件不同 在设定冷却条件时必需十分慎重 特别是冷却速率和冷却均匀性的控制 冷却方式和冷却段的设置取决于产品的冷却曲线 以奥氏体304不锈钢冷却速率与带钢厚度 冷却时间的关系和炉段长设定为基础 该退火炉冷却段的数量计算如下 1 带钢从1150 冷却到100 左右 所需的冷却时间为28 130s 2 根据2 3 2节所设定的退火炉的TV值和机组速度 可知 1mm厚的奥氏体304不锈钢的速度 110 mm m min 1 0mm 110m min5mm厚的奥氏体304不锈钢的速度 110 mm m min 5 mm 22m min 3 冷却段的总长 带钢运行速度 冷却时间 22m min 130s 110m min 28s 47 6 51 3m4 冷却段数量 冷却段总长度 每段长度 47 6 51 3 m 10 m 4 76 5 13段因冷却段的选取只能是整数 故该退火炉的冷却段数选取6段是比较合适的 根据带钢冷却到100 以下时 带钢的材料性能基本不会变化 为节约冷却时间 最后一段可以选取冷却效果好的水或高压水雾作为冷却介质 进行快速冷却 即冷却段的最终选取为5段空冷段 1段水冷却段或高压水雾冷却段 本文所针对的A厂连续退火炉的冷却段就是按照上述原则选定的 其冷却段组成为5段空冷段 1段高压水雾冷却段 在实际生产过程中 这种冷却段组合方式的冷却效果很好 设备运行情况也很好 2 5连续退火炉各炉段的组成及特点 2 5 1断带处理水冷却段生产过程中如发生断带情况 机组停机后 钢带将反向回转 并经过处于炉头的水冷却室冷却 该冷却段设置的目的主要是避免将带钢从退火炉中托出来时因带钢的温度过高而损坏机组的其它设备 该冷却室内设有一钢辊 用于支撑回拽的钢带 正常生产过程中 钢辊不起支撑作用 在生产初期 因生产设备和操作工均处于磨合期 断带事故时有发生的情况下 与以往的无断带处理水冷段相比 该种设备配置可以大大缩短事故处理时间 提高断带事故处理的安全性和可操作性 该段长度的设定主要以实际场地和操作角度出发来设定 并没有特殊的要求 在设计中其长度通常设定为3 5m 2 5 2热辐射预热段热辐射预热段位于加热段入口 其热源主要来自后续加热段的热废气 本身并不设有烧嘴 经过预热段带钢一般可以升到400 左右 当然 随着带钢厚度的增加 带钢达到的温度会相应降低 该方式可使加热段的高温烟气全部流入预热段 对带钢进行辐射预热 这种配置不但缩短了带钢的加热时间 提高炉子的热效率 还减少了近8 10 的热源消耗和废气排放 本文所针对研究的A不锈钢生产厂的连续退火炉的热辐射预热段见下图 该预热段的结构特点是如下 1 预热段总长为30m 2 炉体操作侧设有一扇检修门和二个窥视孔 用于操作人员在检修期间进入炉内进行设备维修和在生产过程中观察炉内带钢的运行情况 3 炉顶设有一个热电偶探头 一个带钢悬垂度传感器和一个锆材氧分析仪 分别用以检测炉内的温度 带钢的悬垂度和炉内的氧含量 4 在预热段入口处设有一密封装置 采用气刀进行密封 气刀的开闭由人工进行操作 为避免气刀的损坏 还设有一保护辊用以保护气刀 见左图 5 热废气通过设置在预热段入口端部的风管收集起来后排入废气处理装置进行统一处理达标后排放 2 5 3加热段加热段采用燃气燃烧直接加热 使带钢达到所需的最终退火温度 根据钢种和带钢的规格来设定炉膛内的加热温度和烧嘴的燃气流速 经过加热后 带钢温度可以达到950 1150 炉温可以达到1250 左右 该加热段的结构特点是如下 1 根据图2 4和图2 5奥氏体和铁素体不锈钢的退火冷却曲线 该退火炉的加热段的最高炉膛温度设定为1250 2 炉膛上下和左右两侧膛壁上衬有耐火材料或耐火砖 其耐热温度高达1425 3 根据2 4 4节和表2 2可知 该加热段共分为5段 每段长度为20m 五段加热段连续相连形成一个连续均匀的加热环境 4 每段加热段炉顶布置有2个热电偶 一个用于炉内温度的控制 一个用于温度过高时的检测报警 5 烧嘴布置在两侧墙上 每侧墙上又分上 下两排交叉布置 带钢在上 下两排烧嘴火焰中间均匀加热 A厂加热段烧嘴的实例见图2 12 根据实测 烧嘴的交叉布置方式 可以使燃烧废气中的NOx的含量降低30 50 6 在两段加热段之间设有圆盘支撑辊 用于支撑带钢 圆盘辊换辊装置示意图见下图 A厂圆盘辊装置实例见图2 14 A厂圆盘辊换辊装置的实例见2 15 根据实测 人工换辊时间约为25 30min 该种装置所需时间为10 15min 大大缩短了换辊时间 降低了工作强度 说明 圆盘辊的工作原理是 生产过程中 上支撑辊与带钢表面接触 支撑带钢 下工作辊处于离线状态 当上面的工作辊需要更换时 带钢的速度下降到50m min 与圆盘辊的线速度一致 放开锁紧装置 旋转圆盘辊将下辊变为上辊 再锁紧圆盘辊 带钢升速到正常速度 7 炉体两侧设有一扇检修门和二排窥视孔 检修门用于操作人员在检修时进入炉内进行设备维修和 窥视孔用于操作人员实时观察炉内烧嘴的火焰形状和带钢的运行情况 以判别烧嘴燃烧情况和带钢的垂直度 8 每段加热段都设有一套压力开关和压力计 用以检测炉内的压力 当炉内压力超过设定值时 燃气主管道上的安全阀将自动切断燃气的供应 9 每段加热段都设有一套锆材氧含量分析仪 用于检测炉内的氧含量 以控制空燃比 10 带钢在退火炉加热段内运行了近100m后 由于张力控制等原因会产生一定跑偏 为确保带钢在后续冷却段内的正常运行 此时在退火炉出口设置跑偏装置 其纠偏能力为 1 3 200mm 精度为 5mm 11 加热段内设有两套排气系统 分别收集加热段I III和加热段III V的废燃烧气体 统一收集后排入废气处理系统集中处理达标后排放 A厂加热段排气系统设置见下图 12 加热段设有N2自动吹扫装置 在退火炉检修或非计划停机时 N2自动吹扫装置随即启动 将炉内和管道内的燃烧气体吹扫干净 确保操作人员进入炉内检修时的安全性 2 5 4冷却和干燥段退火炉冷却段的冷却方式和冷却介质有多种 本文以A厂退火炉的冷却段为分析对象 对其冷却方式和冷却段的组成结构进行分析研究 本文所针对研究A厂的冷却干燥段的布置原理的见下图 该冷却段的冷却方式和冷却段的组成在2 4 5节已经论述 其设备结构特点是如下 1 冷却段采用空冷 5段 高压雾冷段 1段 的组合冷却方式 2 每段空冷段内设有20组不锈钢空气喷头 均匀布置在冷却段槽体内 确保空气均匀的喷射到带钢的上下表面 每个喷头都带有一套手动调节阀和锁紧装置 以确保恒定的空气流量和压力 3 冷却段内设有压力测量仪 一旦出现空气断流或压力过低 将自动将信号传入控制系统 使机组停止运行 4 冷却段的底部成 V 型 以方便收集从带钢表面落下的杂质 5 高压雾冷段用压缩空气将水雾化 与高速空气一起喷射到带钢表面 雾冷段共设有10个喷嘴 交叉均匀的布置在冷却段槽体内 确保带钢上下表面的均匀冷却 6 干燥段出口侧设有高温计 以检测带钢的温度 并将其反馈至冷却段的控制系统 以调节高压雾冷段喷嘴的开启数量和流速 确保干燥段出口处的带钢温度控制在80 左右 7 干燥段采用热空气吹扫的干燥方式 去除带钢表面的水滴和杂质 该段共一段 约5m A厂的干燥段布置见下图 8 为确保干燥效果 降低热空气的消耗 在干燥段入口处设有一对挤干辊 用以去除带钢表面过多的水分 A厂的干燥段入口挤干辊见图 9 入口挤干辊上设有带钢对中检测装置 根据测量结果左右移动辊架底座 以调整带钢在冷却段内的对中 其纠偏能力为 1 3 95mm 精度为 2mm 这种组合型式可节约一套纠偏装置约 8 10万元 10 从冷却段排出的废热空气或热气雾通过一套与各冷却段相连的管道统一经废气收集装置收集 过滤后排放 2 6本章小结 不锈钢冷带退火不管是其工艺的选择还是机组设备的配置 都直接影响着不锈钢产品的质量 同时还很大程度上影响着机组的产量 1 根据产品大纲和产品规格确定退火炉的TV值 炉段长度 并根据不锈钢产品钢种的退火和冷却曲线 确定炉温的选取 冷却方式和冷却介质的选用 2 退火炉主要由断带处理水冷却段 辐射预热段 加热段 冷却段 干燥段等组成 加热段炉膛上部全部连通 使烟气全部流入预热段对带钢进行预热 充分利用烟气余热 提高炉子的热效率 降低废气排放 3 退火炉内的炉温和炉压通过炉内的温度和压力检测仪 将信息反馈给加热控制系统 实现实时调节炉内压力和温度 4 为了提高连续退火炉的生产效率和节能 采用较大的温度落差进行加热 可大大地缩短加热时间 减少带钢氧化 并使整个带钢受热均匀一致 使带钢组织与性能均匀一致 5 对于奥氏体不锈钢在850 500 之间冷却速度慢时 将因碳化物在晶界析出而产生敏化 对其产品的耐腐蚀性有明显的影响 所以在该温度范围必须快冷 而奥氏体钢的冷却速度和含碳量有着密切的关系 随着碳含量的增加冷却速度越快 6 为解决带钢在高产的连续退火炉内的跑偏问题 在炉子加热段和冷却段出口处须对带钢进行纠偏 保证带钢在炉内运行的居中 7 为解决带钢在退火炉内因加热段过长而产生垂带现象 采用了圆盘支撑辊装置和圆盘辊架换辊装置 实现在线换辊 较少换辊时间 提高退火炉作业率 第三章不锈钢冷带酸洗工艺和设备 3 1引言冷轧钢带的原料是热轧钢带 经过热轧的钢带表面会有一层硬而脆的氧化铁皮 这一层二次氧化铁皮是在高温轧制时生成的 由于不同型号的普通钢带与不同型号的特殊钢带在化学成分 力学性能上的要求都不一样 因此 在轧制温度 冷却速度及卷取温度等方面也都不一样 造成热轧钢带表面的二次氧化铁皮的组织和机构也有区别 低碳钢热轧钢带表面的氧化铁皮 主要是铁的氧化物 最里面的一层是FeO和Fe3O4的固溶体 再外面的一层是Fe3O4 最外面的一层是Fe2O3 呈柱状结晶构造 在氧化铁皮中除了铁的氧化物外 还有P Mn Si S C等有害元素的氧化物 为保证冷轧带钢板的产品质量 如钢板表面的光滑程度 均匀的厚度 平整的板形等 必须去除这些氧化物和杂质 3 2不锈钢酸洗工艺的种类及其发展史 不锈钢在冷轧和退火过程中 带钢表面上会形成一层金属氧化物层 如 氧化铬 氧化铁和其它合金氧化物等 这些氧化物的混合比例要根据不锈钢的成分 退火条件和其它因素而定 氧化物层中的大部分以金属氧化物颗粒的状态黏附在带钢表面 这些颗粒很难在酸液中溶解 而且 在这