不锈钢带钢连续退火炉前沿综述.doc

不锈钢带钢连续退火炉前沿综述陈 莉 奥地利安德里斯股份有限公司上海代表处金属部上海市 邮编：200021魏文华西马克梅尔工程（中国）有限公司销售部上海市 邮编：201100中文摘要：随着不锈钢市场的发展，世界上的一些先进技术也传入了中国。尤其是对于不锈钢带钢生产线的连续作业机组，更要求多工艺集成后的高效率、高品质生产。本文就不锈钢带钢连续生产作业线中的各种比较典型的先进的退火炉装备及其工艺进行了比较、阐述，尤其重点介绍了不锈钢带钢连续退火酸洗线以及不锈钢带钢光亮退火线的先进技术。中文关键词：不锈钢带钢、连续生产线、连续退火酸洗线、光亮退火炉。Advanced Stainless Steel Strip Continuous Annealing LineChen LiAndritz Shanghai Representative OfficeShanghai of China PC:200021Wei WenhuaSMS Meer Engineering (China) Ltd.Shanghai of China PC:201100Summary: Along with stainless steel development on market, some of advanced technique goes into China. Especially for the stainless steel strip production continuous line, the more complicate the more high efficiency and high quality required. This article is focus on comparing various typical continuous annealing furnaces by equipment and processing. Mostly it is on stainless steel strip continuous annealing and pickling line and stainless steel strip bright annealing line.Key words: Stainless steel strip, continuous line, continuous annealing and pickling line, bright annealing line.基金项目和项目编号：无第一作者简介：陈莉，1970年出生，女。本科学历毕业于东北大学，中级工程师资历，现任安德里斯公司上海办 项目经理。E-mail: 手机文不锈钢带钢可以采用热轧或冷轧进行加工。轧制操作将增大带钢的硬度值，再通过必要的退火操作去软化材料以便进入后续工艺。退火工艺的操作并不局限于材料相应的品质标准，同样也取决于特殊的用户要求。不锈钢带钢的性质特征在欧洲标准EN10 088-2中进行了规定，带钢表面的品质也有标准可寻，见德国标准DIN17740。对于不锈钢热轧板的铁素体钢，通常是在罩式退火路的全氢气氛保护下进行退火的，而其他不锈钢的退火则采用连续退火工艺。退火酸洗线（Annealing and Pickling line /APL）：加热过程采用直接火焰加热式炉用于软化在之前由于轧制工艺而变硬的材料。充满氧气的环境下进行退火工艺所产生的表面氧化层将在随后的在线酸洗工艺中被去除，产生出干净而无氧化层的表面。带钢既可以作为最终产品进行销售，也可以进一步作为冷轧的原料进行使用。光亮退火线（Bright Annealing line /BAL）：热处理将在一个H2/N2 气氛、露点控制在-40-60 C范围的情况下进行。目的是维持由特殊的冷轧工艺所获得的光洁、光亮的带钢表面。避免再度氧化和污染。退火工艺按材料大致可分为两类 奥氏体钢，带钢的目标温度为 1080 1150 C 铁素体钢，带钢的目标温度为 780 870 C总的来讲，要高效的获得带钢所期望的最终温度值，而不再需要进一步的均热过程，退火后带钢晶体颗粒的目标值为ASTM 8 9级（约颗粒度为 15 22 m ）。由于铁素体带钢的特性，可以通过在线检测剩磁的方法被鉴定出来，这种检测方法也被用于高效的动态工艺控制。加热后，带钢将在冷却段采用对流方式进行冷却，对于不同的产品，APL炉子段的冷却方式可以是空冷、水冷或空冷加水冷（雾冷）的混合方式。在光亮退火炉中，带钢必须在保护气氛下被冷却，以避免氧化或污染的再发生。为避免带钢的变形和表面变坏，冷却阶段是至关重要的。通常根据不同产品的实践经验会采用很多种冷却工艺，但最终的目的和结果却是一致的。APL的炉子段设计，APL的炉子几乎都采用的是水平式多燃烧室，由支撑辊在燃烧室之间对带钢进行支撑。然而，世界上也有极个别的立式炉。带钢的退火是在垂直方向由上向下完成的。立式炉则由于高度的限制和产品能力的限制而并不普遍。水平式炉的带钢在支撑辊之间自由悬垂，并通过带钢张力进行控制，一般的张力值在 3 7 N/mm2。炉膛的加热多采用在侧壁上直接布置热空气烧嘴的方式，也有布置于炉顶的情况。非燃烧式预热段被普遍采用，以减少能源的消耗。在预热段通过热辐射，以及带钢运行方向与气流的对流方式进行热传导，剩余的热量还可用于预热后续的助燃空气到 300 600 C的典型温度，检测结果表明所有炉子的效率范围均在 55 65 % 之间。而再生式烧嘴却能获得相同甚至更高的效率。这一设计的优点在于缩短了预热段管线的长度，甚至取消了用于预热助燃空气的热交换器。空气将直接在烧嘴的再生器上被预热到 900 1000 C。然而，这一系统也需要高成本的维护费用。图表1-1，对APL各种炉子设计形式进行了对比，当然了选择不同的操作温度和热回收系统也会对加热段的长度有一定影响。表1-1 各种退火酸洗线不同设计的比较光亮退火炉BAL的设计：光亮退火线的设计通常采用立式的，以避免退火期间破坏光亮的表面。目前仍然只有窄带可以运行在水平式退火炉上，并且需要有石墨辊作为支撑辊。立式光亮退火炉可以按照加热方式的不同被分为两类：采用电加热所产生的热辐射直接进行加热的方式和采用燃气火焰加热马弗（muffle）的非直接加热方式。电热炉加热带钢为鉬型电阻元件的高强度热辐射加热。这种方式的加热需要一层特殊的高纯度并且厚重的Al2O3砖作为耐火层铺设，以获得对于光亮退火所需要的低的露点。炉子的燃烧室为矩形设计并在带钢对面的侧壁上布置鉬型热元件。在燃气加热式马弗炉中，带钢是通过一个圆形的马弗间接传导热量的。马弗由高耐热的金属板制成，通过外部的烧嘴加热，经由马弗辐射给带钢。立式马弗炉加热室通常为轻的陶瓷纤维以减轻重量，炉子腔室的几何形状各不相同，见图1-2。马弗炉的好处在于它的低能耗、较好的气体环境和炉体自身较短的加热和冷却时间。由于电加热炉可以达到更高的炉温，因此电加热炉的主要优点是具有比较高的产品生产率（约+30%）。而马弗炉由于（金属马弗）马弗自身的材料原因使加热温度受限，而且加热采用直接加热辐射方式，在热的电阻元件（典型的表面温度为 1400 1500 C）。大多数的立式马弗光亮退火炉采用常规设计，即加热+冷却的方式且冷却段布置在顶部。马弗炉支撑于顶部并悬挂于加热室内通过烧嘴加热。马弗的壁厚是从底部到顶部逐渐增厚的，以保证马弗受力不大于马弗材料的许用应力值（0.8 1.2 N/mm2）。马弗炉的缺点在于炉子的极限温度（约 1150 C）和实施过程中马弗有效长度的局限。一般这个有效长度为约 22 24米。这也就限制了产品的能力。由于马弗的应力因素，最大的应力会发生在马弗顶部区域，而且在那也是达到温度最大值的区域。图1-2 立式马弗炉的不同设计比较各种生产经营者都在追求更高的生产效率，目前世界上就有2家炉子供应商研发了新型马弗炉（专利）确能达到更高的生产率。日本中外炉Chugai-Ro公司研发了一种混合型立式马弗炉，预热段为燃气火焰加热和终热段的电加热方式。但是，无疑马弗炉所具有的最大优势也随之丢失了。因为高效节能的马弗炉仅仅被用在了预热段上。作为Andritz（安德里斯）公司子公司的荷兰Thermtec（森姆泰克）公司，研发了一种100%全马弗逆式炉的设计。加热和冷却为由上至下的下行方向，这一布置的优点是使得马弗能更长，因为马弗的大应力端位于低温段，而所需要的最大带钢温度则位于底部的低应力点。可以认为逆式马弗的应力情况要比常规的上行布置更好。另一个优点是逆式马弗炉带钢的“热点”位于底部中中央，也就是说危险应力也是位于底部临界点。执行：带钢生产线上炉子的能力通常可以由被称为TV值的概念来定义。TV= Thickness 厚度（T=mm） Speed速度（V= m/min）给定的炉子TV值的操作条件为连续的，用于通过带钢的大断面尺寸带钢的工艺速度也能够很容易的计算得来 V=TV/T。然而，不同带钢工艺线的生产率也不尽相同。连续退火酸洗线的产能会比光亮退火线的高，这也是由于光亮炉的结构形式和结构自身的限制所决定的。见表1-3 是一些典型的生产率。处理工艺带钢材质炉子的TV值典型长度（加热+冷却）退火&酸洗线热轧板100-250100m 250m退火&酸洗线冷轧板50-150100m 200m光亮退火线BA冷轧板15-3040m 65m（高）表1-3实际上的退火时间也各不相同。热轧：约 0.4 0.6 min/mm (APL)冷轧：约 0.8 1.1 min/mm (APL)BA板：约1.1 1.7 min/mm (BAL 马弗炉)BA板：约0.8 1.0 min/mm (BAL 电炉)冷却时间会因客户的不同需求或炉子供应商的不同而不同。热轧：约 0.1 0.3 （APL）冷轧：约 0.4 0.6 （APL）BA板：约 0.5 0.8 （BAL）APL的炉子：特殊的要求和指标对于APL的炉子通常会与酸洗段联合使用。因此，一个稳定的燃烧过程是很重要的。炉内氧气的含量会直接作用于带钢表面并决定表面氧化层的形式，甚至会使得后续的酸洗工艺变得异常困难。 另外，烧嘴的火焰形状也非常重要。为了节省烧嘴的功率可能会将其调大而致使带钢边缘烧损。奥氏体规格的退火在燃烧室内一般O2 含量为3 4%，铁素体钢为5 7% 的O2。严密保持炉子设备的排废控制在法定值的范围之内，也是现今对炉子设计的一个很重要因素。这一趋势使得一些设计和设备供应商对热空气烧嘴的最大NOx的排放值持续下调，甚至低于德国TA-Luft标准。这种趋势仍然在进一步扩大。也不是说只有人们或业主对NOx的排放有更苛刻的要求。显然，随着烧嘴技术和炉子设计的进一步发展，也一定将更适应这些需求。带钢在水平式炉中的支撑也很重要，像热带钢的表面就很敏感，划伤和滞留很容易损伤到带钢表面。冷轧带钢通常由含有陶瓷纤维盘的辊子支撑，对于厚的冷轧带钢和热轧带钢可以用金属辊支撑，金属辊辊身表面通常为特殊涂层，以减小辊子上滞留的发生。为了避免这些现象的发生，一些现代APL线在对冷轧带钢冷却时采用浮动式冷却系统。带钢由空气垫支撑并同时进行冷却。在不间断退火工艺的情况下更换带钢支撑辊，可以采用卡诺塞尔辊（Carousel），它对称布置2个工作辊并在需要更换时进行转动。许多美国和日本的炉子用陶瓷纤维作为保温材料。而且也称为了一种趋势，尤其在欧共体国家，将原来这种非连续炉的材料也用在连续炉上，以避免健康风险和减少用于检测和维修所带来的昂贵开支。图表 1-4 各种马弗炉的操作时间BAL炉：特殊要求和指标我们认为电炉中厚重的Al2O3保温层会使得炉子的加热和冷却时间均长于带有陶瓷纤维的马弗炉。另外，烘炉的时间也是电炉比马弗炉更长。在实际操作中，用于电炉烘炉的时间所带来的损失可能是几天到一周的生产作业时间。立式马弗会有持续的增长，除了可逆式热膨胀外，由于重量所致的应力将引发在高温区的蠕变。必须将总的膨胀和增长量置于特定的膨胀和密封段，无摩擦力，否则会增加马弗的应力值。实际的增长率与马弗材料的单位应力值和实际所使用的操作温度密切相关。图表1-4给出了在约相同马弗长度情况下，不同应力和温升速率下各种炉子所获得的实际马弗增长率。它们的寿命可以认为是不同的，它也取决于不同供应商的设计，烧嘴的操作，火焰的形状以及烧嘴的控制等等。马弗材料（BAL炉）表1-5给出了用于高温下的各种马弗材料%Ni%Cr%OthersAlloy 6007214-176-10FeAlloy 60158-6321-251.5 Al，其余FeNicrofer 6025其余24 -262Al，10FeAlloy 617532212Co，9Mo，1Al表1-5目前，世界上最大的马弗（约34米，用于可逆式马弗炉中），由VDM-Nicrofer 6025HT材料制成，一种新型材料。尤其保持了高温下的蠕变强度和抗氧化性。但是，对于这种材料，在炉子的设计上还是要考虑到能允许比Alloy 600、Alloy 601和Alloy 617更高一点的增长率