不锈钢加热炉实现全部热装的工艺研究

不锈钢加热炉实现全部热装的工艺研究我国于上世纪80年代后期开始在轧钢厂进行板坯的热送热装试验。国内不锈钢生产热装率现已达到30%以上，板坯入炉温度一般为550℃-700℃左右。连铸坯热送热装的主要优点是：（1）降低加热炉燃料消耗。钢坯入炉温度每提高100℃，可降低燃料消耗5%-6%左右，相对于冷装工艺，采用热送热装一般可节能30%，采用直接热送热装工艺可节能40%。（2）减少烧损量，提高成材率。500℃热装时，可降低烧损量0.2～0.3%。（3）缩短生产周期，减少生产过程中的工艺环节，降低板坯库存，提高劳动生产率。（4）提高加热炉产量30%左右，相应的各种能源消耗指标都有一定程度的降低。由于不锈钢产品钢种繁多、加热和轧制要求差别巨大，不锈钢热送热装轧制技术未能十分有效的进行，不锈钢板坯热送热装比例较低。目前，国内不锈钢的热装工艺主要是从连铸下线的钢坯直接通过辊道送往加热炉进行热装，少部分不能直接热送的高温钢坯，通过保温的保温后，然后再送往加热炉进行热装，这种热装工艺由于受到钢坯表面质量检查、钢坯修磨、产品取样和生产组织衔接的限制，加热炉直接热装率达不到30%，从连铸机下线的大部分高温钢坯都是冷却到常温后，再冷装进入加热炉中进行加热，主要是因为在一般不锈钢生产企业，炼钢连铸生产能力低于轧钢的生产能力。由于连铸连浇炉数低、浇次之间铸机停顿时间长，且部分板坯需要进行冷态的质量检查和表面修磨，无法实现连续的板坯热送热装。为了彻底解决不锈钢的全部热装问题，本文在不锈钢生产线上设置了缓冷坑和预热炉，连铸机生产的板坯即可直接进入加热炉进行热装，也可进入缓冷坑进行保温缓冷后送往加热炉继续进行加热，对于冷装板坯还可先进入预热炉进行板坯预热，然后再送往加热炉进行加热，这样可实现加热炉不锈钢的全部热装。1、不锈钢实现全部热装的工艺某厂从不锈钢连铸机出来的板坯，根据生产需要，其去向分为三个部分：第一部分高温板坯直接进入加热炉进行热装，这部分板坯的比例一般占30%。第二部分板坯进入缓冷坑缓冷后，板坯一部分进入加热炉进行热装，其比例占30%，另一部分经缓冷后的板坯进行质量检查和修磨后，按冷装方式进入预热炉进行加热。第三部分板坯下线后直接在原料库中空冷后，按照冷装方式进入预热炉进行加热。不锈钢坯在一座加热炉内从常温加热到1250℃-1270℃的过程中，温度要求按照特定的加热曲线进行升温，但采用串联式炉型结构，即采用两座炉子共同完成原来由一座炉子完成的板坯的加热任务，钢坯在预热炉内加热到900-1000℃后，通过出炉辊道再转入到加热炉中进行加热，按工艺要求串联式炉型的钢坯升温曲线需要与原单一炉型加热的特定加热曲线相匹配。在此举例说明，如果板坯在单一的加热炉中加热时，当钢温到达900-1000℃时，此时板坯应进入加热炉的加热段进行加热，加热段炉温应控制在1320℃左右。但在采用串联式炉型结构后，板坯出预热炉钢温在900-950℃装入加热炉后，就需要在加热段的加热段进行加热，才能保证板坯正常的升温，也就是说加热炉的热回收段的炉温就必须达到1320℃。但一般情况下加热炉炉尾不设置烧咀，炉尾温度最高只能达到900-950℃，也就是热装板坯在进入加热炉后，其炉气温度比板坯自身温度还要低，但由于热板坯进入热回收段后，热回收段向板坯传热量的减少，相应的炉气温度能升高到950-1000℃，板坯在加热炉的热回收段加热时不会产生温降现象。由于板坯在炉内的传热主要是辐射传热，传热量的大小与绝对温度的四次方（即T4）成正式，炉温的小量下降，会引起传递热量的较大变化，板坯吸收热量的减少，使其温升速度缓慢，只有钢坯进入加热段后，炉温才能达到1320℃，钢坯才能按照正常升温速度快速加热。因此，在加热炉回收段、预热段的板坯，其加热能力没有得到较好的发挥，板坯升温速度缓慢，这是造成串联式炉型结构的产量比并联式炉型结构产量低的原因之一。如果要使板坯在加热炉内正常加热，就必须使加热炉热回收段的炉温提高到1280-1320℃，预热段的炉温提高到1300-1320℃，但提高热回收段的温度，同时也提高了排烟温度、烟道温度和换热器的工作温度。为了提高两座炉子串联后的生产能力，就需要提高加热炉的低温段温度，需要在加热炉的热回收段增设烧咀，并适当改变炉子的轮廓形状，以提高炉气的辐射能力。炉子排烟温度提高后，需要通过掺入冷风和增加排烟装置，来满足炉子生产的需要。2、全部热送热装需要解决的问题本文通过在不锈钢生产线上设置预热炉和板坯缓冷坑，用来实现加热炉的全部热装。我们知道，要实现加热炉的全部热装，首要条件是要知道板坯在进入加热炉前的原始条件，即入炉板坯的温度和断面温度分布，需要建立板坯从连铸机开始的板坯空冷、缓冷、板坯输送、预热炉中加热及辊道输送等各环节的温度数学模型，这是板坯在加热炉中正确加热的前提和基础保证。加热炉在加热板坯时，其入炉条件变化是极其复杂的，不仅存在不同钢种、不同长度、不同厚度的钢在炉中的同时加热，而且还存在着不同温度的板坯在炉中同时加热。因此，需要对不同钢种、不同规格板坯、不同的入炉温度在加热炉中合理加热制度和温度状况进行模拟仿真计算，为正确控制板坯的升温过程提供依据。需要建立从连铸开始的板坯在辊道上运送、板坯缓冷、板坯在预热炉中预热和加热炉中加热等全过程数学模型，准确控制板坯在加热过程中的温度变化过程，从而为板坯在加热炉中正确加热提供良好的条件。实现板坯直接热装的条件是从连铸机出来的高温板坯没有任何缺陷，这就要求连铸机采用以下技术提高板坯质量：结晶器液面控制；结晶器高频、低振幅振动；减少结晶器摩擦力；优化二冷制度；控制支撑辊的对中；制定钢水运送过程传搁时间表。通过这些技术措施使板坯无缺陷率达95％以上。3、热送热装应具备的条件3.1工序间生产能力的匹配连铸坯的热送热装将炼钢和轧钢连接成一个连续的作业线，作业线上每一个工序生产能力的匹配是热送热装能否正常进行的重要条件，特别是轧钢方面，随着轧制钢种和规格的变化，生产能力波动很大。一般情况下应将轧制小规格时的生产能力，作为生产线能力平衡的依据，当轧制大规格时，只要合理控制每一块钢坯的轧制节奏，工序之间生产能力就能较好地匹配。3.2炼钢工序要生产“无缺陷铸坯”按照传统轧钢工艺，从连铸机生产出来的钢坯需要冷却至常温进行理化性能检验后再送往下一道工序进行轧制，而采用热送热装工艺后，理化性能检验的工序都被取消。因此，连铸机只有生产出无缺陷的铸坯，才能不影响热送热装的正常进行。3.3建立快速质量判定制度制定快速质量判定制度，就是要在保证铸坯运送到炉前时，铸坯的质量就已判定完毕，避免将不合格的铸坯进行加热。3.4生产设备方面的要求连铸机设备状况是影响铸坯质量的主要因素，对于新建连铸机要求选择合适的工艺参数及机型，尽可能采用先进技术（如：无氧化浇注技术、中问包等离子加热技术、加热技术、结晶器液面自动控制技术、结晶器电磁搅拌、二冷电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌等），尽可能提高连铸坯质量。结晶器电磁搅拌能较好的改善铸坯的表面质量和皮下质量，这与电磁搅拌在结晶器内形成的流场形态有密切的关系。电磁搅拌的旋转磁场使结晶器内未凝固的钢液产生旋转运动，并在离心力的作用下，旋转钢液形成一个向上的环流和一个向下的环流。向上的环流改善了表面质量和皮下质量，向下的环流起到均匀液相温度、消除过热度的作用，扩大了铸坯的等轴晶区，对铸坯质量起到了良好的作用。另外，凝固末端电磁搅拌和轻压下技术能改善铸坯芯部的正偏析现象。连续矫直技术对避免铸坯产生内裂纹十分有效，它不同于一点矫直和多点矫直(或渐进矫直)所存在的矫直应力集中，使带有液芯的铸坯在矫直时能承受较大的剪切应力，容易产生裂纹。连续矫直将矫直应力分散到整个矫直区，在矫直区整个长度内逐渐变形，变形速率非常低，使裂纹产生的几率大幅度下降。3.5采用优质钢水生产高质量的铸坯铸坯生产的原料要采用精料，这是保证炼钢稳定生产优质钢的前提。稳定冶炼节奏就是要按时向连铸提供钢水，保证连铸机生产的稳拉速和恒拉速，同时要控制钢水的温度，以保证钢水具有良好的可浇注性。4、热送热装需要建立的模型4.1板坯库动态在线管理数学模型建立板坯库动态在线管理数学模型，实时按炼钢连铸开始时间、切割时间、入库时间、入缓冷坑时间和入预热炉时间，进行炼钢和轧钢之间的生产控制，并建立板坯控制数学模型，研究的板坯在线和下线输送过程的温度变化规律，最终获得板坯热送在线控制模型，同时制定了板坯热送热装传搁时间表。在线控制模型中，将板坯传搁时间作为主要控制因素，根据生产操作的传递情况，将传搁时间分为不同区段，即：在线热装从切割点到加热炉前；下线热装从切割点到缓冷坑中堆垛保温；下线入库板坯装入预热炉加热；最后重新送入加热炉进行加热。现场作业各个时间区段的长短是随机的，其值根据实际情况输入到计算计内，使生产计划能够根据轧制要求，在满足不同温度要求的情况下，进行板坯热送热装。4.2板坯输送过程的温降模型板坯热送热装时在送坯辊道上的换热系数大于下线堆垛的换热系数。热装时一旦轧线出故障或生产节奏变慢，轧钢不能与连铸生产相匹配时，此时，输送辊道上的板坯往往因不能及时装炉而出现大量滞留现象。板坯在输送辊道上温降损失很大，为减少热装板坯的温度损失，可在当轧线物流减缓时，根据轧钢节奏的变化情况，迅速将后续的在线热装板坯进行下线堆垛和保温处理，待热轧生产恢复正常后，再重新进行高温坯的热装，以匹配轧钢的生产节奏，直到在线热装板坯装完后，再进行装入刚下线堆垛的热坯，以达到提高板坯整体热装温度的目的。4.3加热炉温度控制数学模型为保证热装过程的稳定性，需要根据不同的板坯人炉温度制定相应的加热制度，而加热制度的实现需要建立加热炉优化模型，由供入加热炉的燃料控制来控制目标温度。板坯加热过程温度控制数学模型一般包括炉温与燃料流量串级控制，燃料与助燃空气比值控制，板坯加热跟踪控制模型。(1)用离线钢坯加热过程数学模型，对板坯的加热过程进行计算，同时对照试验结果进行分析比较，给在线模型过程控制提供参考值。(2)根据不同钢种规格、不同温度分布的板坯，建立加热炉热平衡方程，在保证出炉板坯满足所要求的温度及断面温差的情况下，最大限度地节约燃料消耗。通过离线模拟的计算，可求出加热炉各段煤气量及板坯在炉内的温度分布，为板坯在线加热的温度控制提供依据。(3)通过轧件在粗轧机出口的实测温度，通过建立温降模型，反算出板坯出炉温度，对加热炉的温度控制方案进行修正，使加热炉控制系统能够正确地对板坯加热过程进行控制。(4)建立加热炉停轧待热数学模型，根据加热炉实际生产的炉温板温状况及降温和升温速度的要求，根据不同的待轧时间，制定相应的待轧策略，以达到提高板坯加热质量和出炉温度的目的。5、结论(1)通过在轧钢生产线上增设缓冷坑和预热炉，并建立按钢种、温度、规格分类的不同热装制度，使不同温度的板坯在加热炉热装时基本保证了恒温装钢，稳定了加热炉热装时生产工况，实现了加热炉的全部热送热装。(2)研究了板坯全部热送热装的生产工艺，提出了加热炉热装需要建立的模型，完善了热送热装工艺技术，为全部实现板坯热装和温度控制提供了技术支持。