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