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1、1全氢罩式退火炉培训教材20111112第一章 全氢罩式退火炉的工艺与设备一、概述全氢型保护气体单垛式紧卷罩式炉，实际上不单纯只是采用全氢而与氢氮保护气体相区别，而同时这种全氢型罩式炉在设备和工艺上还采取了相应的技术措施，以适应于全氢保护气体新技术的发展，从而建成了以提高退火产量和质量为目的的新一代全氢型保护气体单垛式紧卷罩式炉。全氢作为保护气体，早在 70 年代初期，国外某工业炉公司就开发了这项新技术，当时应用于铜基金属工业，70 年代末推广到钢铁工业，80 年代中期进行普遍推广应用。据有关资料记载至 1993 年这家工业炉公司制造并投产的全氢罩式炉共有 500 多座，分布在世界 20个国家
2、和地区。随着冷轧带钢生产的迅速发展，世界各国面临着兴建和改造老式罩式炉的新形势。目前世界上具备全氢单垛式紧卷罩式炉新技术和提供全套设备的能力的厂家还不太多，据了解首先是欧洲一家工业炉公司，其次是欧洲另一家工业炉公司。前者生产的罩式炉称作“强对流全氢罩式炉”（奥地利 EBNER 工业炉公司），主要特点是采用全封闭退火炉台、全封闭炉台循环风机、横波形内罩以及气水组合式冷却罩。后者生产的罩式炉称作“高效能全氢罩式炉”（德国 LOI 工业炉公2司），主要特点是采用敞开炉台、将炉台循环风机与电动机分开的弹性连轴器、平面形内罩以及外部分流快速冷却设备和空气冷却罩等。上述两家公司采取的设备手段虽然有所不同，
3、但其技术实质均遵循着强对流和全氢技术这个基本出发点，适应全氢退火的严密性和安全性，从而达到提高退火产量和质量的目的。二、强对流全氢罩式炉技术1.强对流冷轧带钢卷罩式炉退火采用间歇式生产方式，以高炉和焦炉混合煤气作为燃料，通过内罩对带钢卷进行间接加热。罩式炉退火是以流体力学传导理论为基础。炉料得到热量多少取决于内罩壁的辐射传热和气体对流传热的能力。由于轧制后的带钢横向存在着中间厚、两个边部薄的横向偏差，所以即使在较大轧制张力下卷曲钢卷，仍会出现带钢中间部位层间压力大、两个边部层间压力小的情况，因此带钢层间存在间隙；其次，为了减少退火工序中由于带钢层间压力过大而产生的粘结缺陷，在保证卷齐钢卷的条件
4、下，应尽量降低轧制张力，这样更增大了间隙。而间隙中间充满着空气，由于空气导热系数远远低于钢板的导热系数，因此，带钢卷的径向导热能力很差，影响了钢卷径向辐射传热效果。提高辐射传热的效果，只有提高内罩壁的温度，形成较高的温度差，这势必导致钢卷外圈过热，这是不允许的。增强内罩壁与保护气体之间对流传热的主要途径是加大保护气体的流速。采用保护气体流速高、流量大的循环系统，增强对流传热3速度，把内罩壁上的热量尽快地传递给钢卷。对流传热计算公式为：Q=(t2-t1)F式中 Q钢卷吸收的热量，kJ/h；t2 气体温度，；t1 钢卷温度，一般为 20；F钢卷受热面积，m2；对流传热系数，kJ/ m2h。d438
5、 . 000标准状况下气体流速，m/s；d气体通道直径，m；若提高 Q 值，必须提高 值、t2值或 F 值。t1值为常数，一般为室温 20。若提高 t2值，必须增加燃料提高炉温。若单纯提高 t2，而相应的条件不具备，仍然是自然对流传热或一般强对流传热，将导致钢卷外圈过热，这是不允许的。在对流传热能力和所用保护气体种类一定的条件下，F 也是不变的。因此，欲提高 Q 值，只有提高 值。而提高 值，必须降低 d 或提高 0值。D 值取决于内罩内壁与钢卷外圈的环形空间。钢卷几何尺寸是一定的，尤其是钢卷外径作为炉型的主要标志，是固定不变的，同时，考虑到吊扣内罩操作等原因，内罩内壁是不能缩小的。一般正常情
6、况下，4内罩与钢卷最大外径之间一侧间隙为 100mm 左右，因此，d 也是定值。这样以来，只有提高 0值才能提高 Q 值。因此，采用大功率、大风量的炉台循环风机即可加速气体流速，提高 0值，从而相应提高t2和 F，达到提高 Q 值的最终目的。这就是采用强对流技术的理论基础。2.全氢所谓全氢是指用 100氢作为保护气体，取代过去常规的氮氢型保护气体（氮氢型保护气体，一般指 24H2、9698N2）。选择全氢作为保护气体，主要是从氢的理化性质考虑的。标准状况下几种气体和低碳钢的密度和导热系数如表 21 所示。表 21 标准状况下几种气体和低碳钢的密度和导热系数项目密度，kg/m3导热系数，W/（m
7、K）氢气0.08990.172氮气1.2510.024空气1.2930.024低碳钢785069.8从表 21 中看出，氢气的密度仅是氮气的 1/14，而氢气的导热系数是氮气的 7 倍。氢气重量轻，渗透能力强，可以渗入钢卷层间，充分发挥导热系数大的特点，显著提高传热效率。氢气是还原性气体，在高温下能使 FeO 还原为铁，而氢气又能引5起钢脱碳，反应式如下：FeO + H 2 = Fe + H2OC+2 H2=CH4生成的 H2O ，可在退火过程中采取热清洗手段将其除去。氢气在钢卷中夺走碳，引起钢脱碳，应该设法避免。氢气在退火过程中脱碳是有一定条件的，干燥的氢气脱碳的作用很小，因为这时反应速度很
8、慢，但是氢气中只要含有 0.20.3的水蒸气，它就会成为强的脱碳性气体。同时，在低于 700 时，氢气的脱碳作用并不显著，可以忽略它的影响。因此，针对氢气脱碳的条件，制定了避免脱碳的操作工艺。首先炉内供应的氢气保护气体露点在-40-70，属于高干燥性气体，对钢卷不会产生脱碳，同时在加热阶段进行长时间的热清洗，以减少炉内水分。全氢作为保护气体，不仅显著地提高了传热效率，从而提高了退火能力，同时提高了炉温均匀性，保证了钢卷的力学性能，提高了冷轧板的内在质量及表面质量。3.规格单垛式紧卷罩式炉的规格是用炉型来表示的，炉型大小取决于装料的几何尺寸。例如我厂炉型为 200/650 型的罩式炉，200 代
9、表退火钢卷最大外径为 200；650 代表退火钢卷垛最大高度为 650，采用作为单位，是一种通常的表示方法。4.技术性能6现以我厂 HICON/H2 型强对流全氢罩式炉为例进行叙述。4.1 技术性能技术性能主要包括：型号：HICON/H2型强对流全氢罩式炉；用途：在氢保护气体下进行再结晶光亮退火；退火钢卷最大外径：1950；钢卷垛最大高度：6500；最大装炉量： 112.5 t ；平均装炉量： 100 t ；最高退火温度：710；炉台小时能力： 2.13 2.92t/h；加热罩小时能力： 3.856.62t/h ；燃料种类：焦炉煤气 焦炉煤气发热值：4050kal/ m3烧嘴类型：高速烧嘴烧嘴
10、分布：炉墙分 2 环，每环烧嘴错开，呈切向布置；煤气压力：80100mbar煤气最大消耗量：1400kW （ 297 m3/h）空气压力：95 mbar空气最大耗量：1 600 m3/h空气预热温度：380420保护气体成分：100% H27保护气体质量：氧含量5ppm，纯度：99.999，露点：40保护气体最大消耗量：40 m3/h炉内保护气体压力：炉台循环风机风量：100000m3/h冷却用水供水温度：最高 33冷却用水供水压力：35bar冷却用水排水温度：最大 60。冷却用水量：1.8 m3/h工艺用水供水温度：最高 33工艺用水供水压力：35bar工艺用水量：28 m3/h清洗用氮气质
11、量：氧含量5ppm，纯度：99.999，露点：50清洗用氮气压力：35 bar清洗用氮气用量：120 m3/h5.设备构成强对流全氢罩式炉技术是在氮氢型单垛型紧卷罩式炉的基础上发展起来的，它的主要特点是以强对流和全氢为出发点，相应的对设备进行改造，以适应强对流循环和全氢保护气体严密性的要求。主要设备包括：全封闭炉台、炉台循环风机、加热罩、冷却罩、内罩、对流板。5.1 全封闭炉台85.1.1 炉台的作用全封闭炉台是罩式炉的主体设备，从某种意义上讲，也可以说是罩式炉的永久性设备。炉台要承受钢卷垛和内罩的全部重量。炉台应该具备承载能力、抵抗反复加热和冷却变形能力，并应具有不漏气、绝热性能好、蓄热量小
12、以及结构简单等特点。5.1.2 炉台的结构全封闭炉台由炉台钢结构本体、扩散器以及底部对流板组成。全封闭炉台外形及钢结构如图 51 所示。井字型钢结构梁采用图 51 全封闭炉台钢结构工字钢焊接而成，并与炉台底板焊接在一起，构成一个坚固的圆形承重底座。9在炉台底板内部对应工字钢位置上布置有支承柱，内部填实绝热纤维毯。支承柱底面焊在炉台底板上，支承柱顶部与凹型球面金属壳下面支承座平稳接触。支承柱只承受支承力，而不承受径向位移力和向上离开约束力。这样，金属壳体因温度变化和外力作用不受限制，所以活动自由，可延长使用寿命。金属壳体制作成凹形球面的目的，其一是可以控制径向力；其二是与炉台循环气流方向相适应。
13、在炉台底部内部连接氮气进气管和出气管，通入绝热纤维层内部，使炉台金属壳体受炉内压力和温度影响相适应，也可以说和炉内压力相平衡，以保证金属壳体不变形或开裂，延长使用寿命。金属壳体成型后，与炉台底板气密性焊接。金属壳体内部填充绝热纤维毯，各个死角都要填实，以达到绝热效果。这种全封闭炉台的特点是：结构简单、坚固耐用。首先，全封闭炉台可防止炉台绝热层内空气、水分以及杂物污染钢卷，保证炉内氢保护气体露点和含氧量，提高钢板表面质量。其次，全封闭炉台还可以防止高导热率的氢进入炉内绝热层而破坏隔热效果，保证炉台底板不过热和炉台密封橡胶圈不过热。扩散器及底部对流板是采用耐热钢板焊接而成的，可在高温下承受重载荷而
14、不变形，适应于大功率炉台循环风机的气流方向，通道合理，气流分布均匀，且阻力小。5.2 炉台循环风机炉台循环风机是强对流全氢罩式炉的重要设备，也是核心设备，又是强对流技术的出发点。10全氢型炉台循环风机结构如图 5-2 所示。该风机叶轮固定在电动机出轴端，轴与叶轮采用锥形体用普遍扁图 5-2 全氢炉台循环风机形螺母并加防松片固定。电动机上部专用法兰与炉台中心的下法兰用螺栓联接。电动机用一个专用的封闭水套包起来，该水套与炉台另外一个较大中心法兰密封联接。氢气通过电动机上部端盖沿着风机轴周围缝隙进入炉内，电动机周围充满和炉内相同的氢保护气体。电动机上部安装一个导叶片，形成一个小风扇，具有离心作用，可
15、将氢气通过专用的封闭水套内侧，从下端抽入电动机定子和转子之11间，这样形成一个电动机内外冷却循环系统，可以充分冷却电动机和清洗其空间气体，对于钢板表面质量和安全生产有着重要保证。冷却水套内侧焊有翅片，可增大冷却面积。翅片包围着电动机，可对电动机及其轴承进行充分冷却。由于炉内温度越高，氢保护气体密度越低，风机消耗功率越低，因此风机功率消耗较少。这种炉台循环风机是目前比较先进的结构形式，主要有以下突出优点：（1）风机与炉台联接轴承不需要进行密封处理，用封闭水套包围着电动机，与炉台用螺栓密封联接，将容易造成炉内氢气漏出或外界空气吸入的动密封改为静密封结构。这项新技术从根本上解决了炉台循环风机轴泄漏的
16、关键难题，对于采用全氢作为保护气体更有其重要意义。（2）整体风机处在高温环境下工作，封闭冷却水套结构合理，效果好。（3）风机采用两级变速电动机，可以变速。（4）风机结构简单，减少维修工作量，使用寿命长。5.3 加热罩加热罩外形如图 53 所示。加热罩由钢结构的金属壳体、炉顶横梁、燃烧系统、排烟系统、空气预热器以及绝热炉衬等组成。加热罩是由型钢加固并进行气密性焊接的圆筒形钢板壳体。顶部设计成可用吊钩提升的结构形式。底部的支承腿可使加热罩立放在专12为它安装的工字钢梁上。下部边缘由环形板组成，其下部安装密封件。当加热罩放在炉台上时，密封件压在内罩法兰槽内，使加热罩与外界隔绝。加热罩配置两个导向环，入口为圆锥形，当扣加热罩时，套在两个导向杆上。加热罩上分 2 层环形布置 8 个切向高速烧嘴，并通过一个控制系13图 53统调节。大负荷高速烧嘴配置点火电极和火焰监测器。大负荷是指一个加热罩最大煤气量，比氮氢型加热罩最大
