带连续热镀锌铝锌两用生产线工艺的开发

带连续热镀锌铝锌两用生产线工艺的开发

中国钢研新冶高新技术集团有限公司（以下简称新冶集团）负责设计和技术合同，拥有35万吨冷焊钢带连续热磷和铝硫基能耗（以下简称通钢锌线）。2010年7月4日，通过了一次热负荷试验。试验结果是无锡热磷纯银丝的干硫钢卷，约1.2万吨。这是新冶集团继2004年5月在济钢投产成功年产25万t冷轧钢带连续热镀锌生产线后的又一条成功应用于国有钢铁企业的大型现代化镀锌线,也是目前由国内自主设计和技术总负责的产能最大的国产化机组。1通钢锌线的主要研究成果通钢镀锌线的主要技术参数列于表1。2钢-柳条处理通钢镀锌线的工艺流程见图1。3通钢锌线的设计特点3.1美钢联roe法美钢联法是电解清洗和全辐射管加热立式还原退火的组合工艺。冷轧钢带在进入还原退火炉前,先经过碱液电解清洗段,彻底去除钢带表面的铁粉及油污,然后在保护气氛非常洁净的全辐射管加热立式退火炉中进行退火和表面还原。与明火加热的改良森吉米尔法相比较,美钢联法的突出优点是退火完全、还原充分,可获得钢基表面与锌之间优良的附着性能。由于钢带在炉内反复弯曲,可改善板形。同时更适合生产薄规格的产品。美钢联法已逐渐成为国际上冷轧钢带连续热镀锌技术发展的主流。凡是生产高档热镀锌产品(如汽车板、家电板等)的热镀锌线,几乎无一例外地选择美钢联法工艺。3.2清洗槽和碱液膜的设计电解清洗段的工艺流程为:碱液喷淋→碱液刷洗→电解清洗→热水刷洗→两级热水漂洗→热风烘干。其设计特点如下。在碱液刷洗及热水刷洗段分别配置了4组刷辊。正常生产时保持2组或3组刷辊工作,1组或2组刷辊备用。可以不停机进行换辊,最大限度地延长刷辊的使用寿命。如果原料钢卷表面油污较重,4组刷辊也可同时投入使用。为加强电解清洗效果,在电解清洗槽的上下方各设置6块电极板,由3台5000A/±50V整流电源供电。采用自动定时切换开关转换极性,使阴阳两极极化,有效地保护极板。槽底设计为V型结构,便于收集铁粉及污物,避免了平底结构造成的污物堆积对钢带的污染。为了在保证钢带清洗效果的同时,节约新鲜漂洗液,将二级漂洗液循环槽、一级漂洗液循环槽及热水刷洗循环槽共同组成一个三级热水溢流漂洗循环槽,使新鲜的漂洗液按照钢带逆行方向先后作为二级漂洗液、一级漂洗液及刷洗热水这三级清洗液使用。在二级漂洗槽中设置电导率仪,作为自动补水的检测元件。当漂洗水电导率高于设定上限值时,泵自动启动补加漂洗水。电导率低于设定下限值时,自动停补漂洗水,保证最后一级漂洗水的质量稳定在合理的范围内,最大限度地降低新鲜漂洗水的消耗。为了有效地去除碱液中的铁粉及重油污,延长脱脂剂的使用寿命,在碱液喷淋槽和电解清洗槽各设计配置了1套磁过滤循环系统,利用磁性转鼓吸收含铁粉油污,经刮板收集并输送至泥斗车。磁鼓去除铁粉能力为10～20kg/h,含铁粉脱脂液处理量为30m3/h。为了提高磁过滤效率,在槽底设置了反冲管,搅动沉到槽底的铁粉,使之与溶液有效混合。同时,在含铁粉溶液进入磁过滤系统前,有流量计和压力表显示,调节闸阀,使溶液平稳流过磁鼓,用磁鼓充分地拦截和吸附铁粉。3.3加热均热炉的辐射管烧圆立式还原退火炉如图2所示。在辐射管加热均热炉的前面设置了1座预热炉,利用辐射管排出的烟气与预热炉中被抽出的保护气体进行换热,再用被加热后的保护气体预热入炉钢带到200℃左右。这一方面可节约燃料10%左右,另一方面可减少入炉冷态钢带对高温炉辊的冷冲击和炉内高温对钢带的热冲击,减轻炉辊变形及改善钢带板形。这种通过预热炉回收热能的技术,属于低压热交换器型余热回收技术的一种形式,优点是热交换系统压力低,不构成压力容器,维护方便,没有安全隐患。从热交换器出来的烟气,还可以进一步与空气或水进行热交换,获得热风或热水供机组使用,进一步提高热效率。在快冷炉后增设1座均衡炉,钢带出快冷炉后在均衡炉里有一段均温及调温的时间。这种设计对于薄规格产品的生产非常有利。一般情况下,厚度0.3mm以下的产品,即使快冷炉的冷却风机低负荷运行,钢带入锌锅温度仍然偏低。这时,就可利用均衡炉中的电辐射管对其补热,保证产品的镀锌质量及板形。为了防止炉内钢带出现冷热瓢曲,改善其板形,同时有利于钢带运行时的自对中,在不同温度区段的炉辊表面设计有不同的凸度。在高温段的炉辊表面还喷涂有耐高温的LCO-17型陶瓷材料,可防止炉辊表面结瘤,同时还延长了炉辊的使用寿命。为了保证通板的稳定性,在加热均热炉中设置了2套双辊式高温纠偏控制系统,保证钢带在炉内不出现跑偏或刮边事故。炉鼻子设计为可上下摆动的结构,这不仅是平移更换2套锌锅所必须的,还为处理锌锅内断带以及清理炉鼻子内结渣及锌粉尘等操作带来了很大便利。加热均热炉的辐射管烧嘴,设计了先进的脉冲式燃烧控制系统。烧嘴的输出功率不靠调节空燃比这种常规方式进行控制,而是在最佳空燃比条件下,调节烧嘴燃烧时序和燃烧时间(通断比),达到对烧嘴功率的控制,继而实现对炉温的控制。脉冲式燃烧控制系统相对于常规流量比例式控制方式具有以下优点:动态性能好、温度波动小、燃料燃烧完全、节约能量、辐射管温度均匀等。加热均热炉共设120个烧嘴,分成8个控制区。单个烧嘴燃烧系统元件配置如图3所示。每个控制区设2支热电偶,分别用于监测及控制。热电偶检测出的温度信号送入PLC系统,PLC系统向每个控制区的脉冲控制器输出控制信号(如输出4～20mA连续信号,对应烧嘴功率0～100%)。脉冲控制器将此信号转换成脉冲信号传输给烧嘴控制器,由烧嘴控制器控制燃气电磁阀及空气电磁阀的开闭,并由点火变压器控制点燃烧嘴。在时序脉冲控制系统中,烧嘴会被频繁地点燃和熄灭,这就要求整个控制系统和烧嘴具有快速响应能力以及良好的动态性能。在实际生产运行时,烧嘴的燃烧状态基本上分成2类:连续燃烧和脉冲燃烧。连续燃烧是指热电偶检测到的温度远小于设定值时(如炉子升温阶段),调节器输出电流最大,计时器的计时值t大于设定时间,这样某一个已被启动的计时器在未达到计时值时,即被下一个时序脉冲信号重新启动,计时器的信号状态始终为1,各烧嘴处于连续燃烧状态。脉冲燃烧是指实际温度接近或等于设定温度时(如炉子保温阶段),烧嘴变成脉冲燃烧状态,燃烧时间逐渐减小,计时值t接近或等于0,烧嘴熄灭。此外,这种控制系统是使用两位(开和闭)阀,避免了流量比例控制系统中经常出现的碟阀的非线性死区对温度控制的影响。通钢镀锌线试产时,在燃气压力及热值较稳定的工况下,炉温控制精度可达到±5℃。3.4试生产及技术措施气刀是控制锌层质量和均匀性的关键设备。通过调节刀唇开口度、气刀气体压力、气刀距钢带的距离、气刀距液面的高度以及喷吹角度等参数以及相互之间的匹配关系,可控制锌层量和均匀性。为防止钢带边部锌层增厚,除了设计合理的带斜度的刀唇开口度以外,还分别在钢带两边设置了边部挡板,试生产效果很好。为了及时检测锌层量及均匀性,在光整机前的4号张力辊设置了1台非接触式X射线锌层测厚仪,检测数据可供操作人员调整气刀参数,也可参与锌层量闭环自动控制。为适应一线热镀GI及GL2个品种,设置了“两锅三工位”的锌锅平移更换方式。GI及GL锅均采用国产的熔沟式感应加热陶瓷锌锅。GI锅配置了3×350kW感应器,GL锅配置了4×500kW感应器。感应器均采用空冷大功率喷流型结构,锌液控制精度可达到±3℃。另外,通过合理的工艺控制,在热镀GI品种时,实现了无底渣操作。为保持GL锅液面稳定及熔液成分、温度均匀,避免因加冷锭造成的渣量增多,专门配置了1台感应加热预熔锅,通过倾斜流槽,向主锅内供应液态铝-锌合金熔液。为避免GL锅沉没辊结渣较多而影响产品表面质量,设计了自动刮刀装置,可以手动或自动控制对辊面进行刮渣。图4所示为锌锅及气刀。3.5光降温器、拉矫机及设备光整机用于消除带钢的屈服平台,改善力学性能,调整钢带表面粗糙度以及改善钢带板形。本机组选用4辊光整机,最大轧制力5MN,最大伸长率2%,总弯辊力0.9MN,工作辊辊径415mm,支撑辊辊径750mm。为了延长工作辊寿命及改善轧制摩擦因数,配置了湿光整系统。同时为了防止辊面粘锌,消除辊印缺陷,在工作辊出口侧的上下方布置喷嘴,向工作辊高压喷射光整液,对工作辊面进行清洗。光整机可以实现恒轧制力控制或恒伸长率控制,同时还对轧辊倾斜度、正负弯辊、轧线调整、过焊缝、防皱辊等实现自动控制。光整机前后张力及速度控制由主线PLC完成。拉矫机配置了2组弯曲辊和1组矫直辊。在高张力条件下,对成品钢带进行拉伸弯曲矫直,可使产品获得良好的板形。对于不经过光整机轧制处理的镀锌钢带,拉矫工艺至关重要。它不仅是改善板形的关键,还可以通过调整伸长率,在一定范围内改善其力学性能。3.6红外定向辐射加热与热风循环复合的加热方式在后处理设备上,设计了2台污染小、涂膜精度高的辊涂机(图5),对镀锌钢带进行常规铬酸盐钝化以及无铬钝化、耐指纹膜涂覆。辊涂工艺采用逆涂方式。辊涂机结构形式为立式,钢带自下而上运行,辊涂机左右涂覆辊交错位于钢带两侧并形成小的包角,对钢带2个表面进行涂覆。钝化液和耐指纹液分别配置1套循环系统。在涂层烘干炉的选型上,首次在大型热镀锌机组上设计了红外定向辐射加热与热风循环复合的加热方式,整个系统具有热效率高、温控精度高、运行安全稳定以及投资小的特点。涂层烘干炉总高度为12m,布置TD型不锈钢红外定向辐射管102台,总功率673.2kW。其中开放式预热段12台,将钢带加热到40℃以上后进入炉内。炉体内90台辐射管分成4段温控区,在炉体出口设红外探头,对板温进行检测。热风加热与循环系统由1个“四元体”和循环管道组成。“四元体”是将循环风机、换热器、燃烧室和高温空气过滤器组装在1个箱体中。热风循环量为25000m3/h,燃气换热器最大功率539MJ/h,废气排放量2500m3/h。2种加热方式的结合可以很灵活地进行选择和组合。当进行常规铬酸盐钝化时,由于板温较低(80℃以下),只投入红外辐射加热设备即可;当进行无铬钝化或耐指纹膜涂覆时,2种加热方式全部投入,最高炉温300℃,板温可达120℃。3.7移动互联网及在线监控,实现了一个现状通钢镀锌线全线电气传动及自动化系统由新冶集团自主设计、集成、软件编程及现场调试。全线自动化系统是由当今世界主流自动化系统设备(西门子S7-400型)PLC构架的多CPU控制、多现场总线分布、多元立体化的二级计算机系统组成的大型集成化控制系统。试产中已反映出该系统响应速度快、控制精度高、信息处理能力强、操作方便等优点。图6为自动化系统框架图。高速冗余光纤网连接所有PLC及控制设备,包括18台PLC,其中S7-400系列8台(含主线3台)、S4-200系列10台,另有原板测厚仪计算机、镀层量检测计算机及成品测厚计算机各1台。环网上各PLC在控制本体设备的同时,通过TCP/IP协议与3台主线PLC实现信息高速实时传输和处理。在环网上开放了对应于入口、工艺及出口3段操作、监控和维护的在线HMI(OS)和工程师站(ES),极大地缩短了处理各种问题的时间。在环网上还开放了1个与二级系统(L2)的光纤接口,并与主线工艺段PLC连接,使二级系统数据能快速下传到各控制系统中去。现场各点分布着远程I/O站ET200M,实现对现场信号的收集。与纠偏控制器、电解电源控制器、锌锅控制器一起通过Profibus-DP与主线PLC连接,减少对电缆的使用,从而降低故障概率及电磁干扰。众多交换机与环网的连接使以太网延伸到线上的每一个角落,高速通信网使系统扩展非常便捷,也使维护人员实现“无死角”监控。高集成自动化及在线监控系统提供了包括手动控制在内的多种多样的自动控制模式,操作人员可实现一键式操作。以西门子WinCC6.0作为平台开发了冗余服务器-客户端组成双服务器的HMI系统。当1台HMI出现故障时,系统会主动切换到另一个服务器上,保证生产线安全运行。友好的人机界面尽可能照顾到操作方便,在画面上实现了所有参数的设定、监控和记录功能。多元立体化的二级计算机系统(L2)面向全线,可对生产线各控制区进行参数设定。L2监控一级系统(L1)的操作并对L1提供最优控制工艺。L2终端共配置4台计算机,包括入口操作室的1台生产计划终端计算机、1台原料管理终端计算机、出口操作室的1台成品管理及检验终端计算机以及计算机房的1台二级开发维护计算机。4光降板及拉矫机的应用情况通钢镀锌线于2010年7月4日一次热负荷试车成功,并批量试产SGCC无锌花镀锌钢卷约1.2万t。经过湿光整和拉矫等后处理的镀锌钢带表面光亮、美观,板形平整。对每一卷成品钢卷均做了性能检测。结果表明,产品各项性能指标均达到GB2518—2008及JISG3302的要求。图7为部分试生产成品钢卷。热试及试生产镀锌钢带规格为:厚度0.35～1.2mm,宽度1000～1250mm。拉矫机及湿光整轧制在热试第1种规格(0.7mm×1250mm)产品时,先后一次投运成功。光整机实现了伸长率闭环及轧制力闭环2种控制功能。根据不同规格的产品,伸长率控制范围0.2%～0.7%,轧制力控制范围1.4～2.9MN。拉矫机伸长率闭环控制范围0.2%～0.4%。无论伸长率闭环或轧制力闭环,控制精度都很高。镀层量控制范围为60～110g/m2(双面),沿钢带纵向及横向的锌层均匀性良好。通过热试及批量试生产,反映出通钢镀锌线具有如下技术特点及优势。1)从热负荷试车开始,即钢带慢速(3m/min)运行及炉温提升,达到生产速度和第1卷合格成品下线只用了几个小时,所产生的引带废品量很少,仅有十几吨,创造了同类型机组废品量最少的高水平。2)在热试及试生产过程中,钢带在炉内及生产线上一直对中稳定运行,不跑偏、不刮边。特别是钢带出锌锅后直到光整机前