供稿|張 富,周恒龍,王智增,王懷崎 / ZHANG Fu, ZHOU Heng-long, WANG Zhi-zeng, WANG huai-qi

內(nèi)容導(dǎo)讀

從節(jié)約能源的角度出發(fā),降低汽車(chē)重量,鋼鐵工業(yè)對(duì)于汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼的要求越來(lái)越高.然而在制造工藝中仍然有稀有合金需要量大、制造工藝復(fù)雜、能源消耗大等問(wèn)題有待解決.研究表明,車(chē)重減輕10%,可節(jié)省燃油3%~7%,汽車(chē)輕量化成為世界各國(guó)研究的主要方向.通過(guò)在連退過(guò)程中注入高氫冷卻工藝成為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度汽車(chē)用鋼的一個(gè)途徑.文章綜述了邯鋼2080連退線(xiàn)高氫注入功能的開(kāi)發(fā)過(guò)程,介紹了高氫功能在連退線(xiàn)運(yùn)用中對(duì)能源消耗和產(chǎn)品性能的影響,并給出了今后生產(chǎn)過(guò)程中如何才能降低生產(chǎn)成本的發(fā)展方向.

汽車(chē)輕量化、安全化、舒適化成為汽車(chē)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì),世界鋼鐵行業(yè)進(jìn)行了超輕鋼車(chē)身項(xiàng)目的研究與開(kāi)發(fā),以應(yīng)對(duì)降低車(chē)身重量同時(shí)不降低車(chē)輛安全性的挑戰(zhàn).在這個(gè)項(xiàng)目中,高強(qiáng)鋼的應(yīng)用占據(jù)了汽車(chē)用鋼的70%以上.

通常生產(chǎn)高強(qiáng)鋼多采用退火后進(jìn)行高速冷卻形成板條狀馬氏體組織而得到高強(qiáng)鋼.目前最為經(jīng)濟(jì)并且應(yīng)用最廣泛的是退火后采用高氫噴射冷卻的方法進(jìn)行生產(chǎn).高強(qiáng)鋼生產(chǎn)中關(guān)鍵部分在于退火后的冷卻工藝,目前發(fā)展比較成熟的冷卻工藝有:噴氣冷卻(GJC)、高氫噴射冷卻(HGJC)、氣霧冷卻(ACC)、輥式冷卻(RQ)和水淬冷卻(WQ)等.本文對(duì)邯鋼2080連退線(xiàn)高氫快冷功能的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行了闡述.

工藝設(shè)備

邯鋼2080連退線(xiàn)采用比利時(shí)公司設(shè)計(jì)的立式退火爐,輻射管加熱后采用高氫噴射冷卻的方式對(duì)帶鋼進(jìn)行快速冷卻從而滿(mǎn)足高強(qiáng)鋼生產(chǎn)的需求.

通過(guò)向帶鋼表面噴射較高氫含量的保護(hù)氣體實(shí)現(xiàn)帶鋼快速冷卻,生產(chǎn)出的帶鋼板形非常好,溫度控制也均勻.由于快冷段高濃度氫氣的還原性,使得帶鋼表面變得非常潔凈,即在高強(qiáng)鋼生產(chǎn)的同時(shí)提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量.

機(jī)組快冷段工藝設(shè)備配置圖如圖1所示.快冷段從上往下被劃分為3個(gè)區(qū)域,每一個(gè)區(qū)域均有獨(dú)立的注入管道來(lái)向該區(qū)域注入純氫氣來(lái)提高保護(hù)氣中的氫氣含量,以提高帶鋼冷卻速率.每一個(gè)區(qū)域有一對(duì)風(fēng)箱,風(fēng)箱的長(zhǎng)度分別為5.2 、5.0和5.0 m,風(fēng)箱寬度為2.15 m.為了進(jìn)一步提高帶鋼的冷卻速率,風(fēng)箱設(shè)計(jì)為可移動(dòng)結(jié)構(gòu),風(fēng)箱與帶鋼間距可在40~110 mm間進(jìn)行調(diào)節(jié).為了保證帶鋼寬度上溫度的均勻性,風(fēng)箱在帶鋼寬度方向上被劃分為五個(gè)區(qū)域(275-275-1050-275-275),由邊部擋板來(lái)控制各個(gè)區(qū)域的流量.各個(gè)區(qū)域之間配備有一對(duì)導(dǎo)輥,減少高強(qiáng)鋼生產(chǎn)過(guò)程中帶鋼的抖動(dòng),避免帶鋼與風(fēng)箱噴嘴接觸產(chǎn)生劃傷.快冷段出口有掃描高溫計(jì)和輻射高溫計(jì),檢測(cè)快冷段出口帶鋼溫度分布情況,實(shí)現(xiàn)帶鋼溫度的閉環(huán)反饋控制.

圖1 快冷段工藝設(shè)備配置圖

高氫功能開(kāi)發(fā)

調(diào)試前期由于種種原因,邯鋼2080連退線(xiàn)的高氫功能一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn),成為制約高強(qiáng)鋼生產(chǎn)的瓶頸因素.邯鋼2080連退線(xiàn)高氫功能的開(kāi)發(fā),主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi):

氫氣的爆炸極限為4%~75.6%,具有易燃、易爆和易泄露特點(diǎn),采用高含量氫氣作為冷卻介質(zhì)的高氫噴射冷卻系統(tǒng),必須具備非常好的密封性和可靠的安全監(jiān)測(cè)儀表.

邯鋼2080連退爐快冷段各個(gè)區(qū)域的循環(huán)管道與爐殼連接部分,采用雙層膨脹節(jié)結(jié)構(gòu),通過(guò)向膨脹節(jié)中注入氮?dú)膺_(dá)到對(duì)氫氣的密封作用.這種設(shè)計(jì)既能夠滿(mǎn)足風(fēng)箱移動(dòng)的要求,同時(shí)能夠做到氫氣的"零泄漏".在生產(chǎn)中,控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視膨脹節(jié)氮?dú)獾淖⑷肓亢团蛎浌?jié)壓力,一旦出現(xiàn)膨脹節(jié)壓力低或者氮?dú)庾⑷肓髁科叩臅r(shí)候,立即停止高氫注入時(shí)序.

另外,在循環(huán)管道附近,安裝有氫氣泄漏和氮?dú)庑孤z測(cè)儀表,一旦檢測(cè)到泄漏,立即產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào),告知附近工作人員存在危險(xiǎn),同時(shí)將信號(hào)傳遞到出口操作室和控制系統(tǒng),啟動(dòng)相應(yīng)的緊急預(yù)案.

在控制系統(tǒng)中,時(shí)序啟動(dòng)前期,會(huì)自動(dòng)對(duì)整個(gè)注入系統(tǒng)進(jìn)行氣密性測(cè)試,測(cè)試成功以后才允許高氫注入時(shí)序啟動(dòng);同時(shí),當(dāng)生產(chǎn)線(xiàn)由于意外情況停車(chē)時(shí),立即停止高氫注入時(shí)序.為了快速將快冷段氫氣含量降至安全水平,在高氫時(shí)序停止的時(shí)候啟動(dòng)快冷段氮?dú)獯祾?

高氫功能實(shí)現(xiàn)

高氫功能主要是順利啟動(dòng)高氫注入時(shí)序,并向快冷段注入純氫氣,通過(guò)控制手段,保證快冷段氫氣含量維持在設(shè)定值.高氫功能的實(shí)現(xiàn)主要包括快冷段氫氣注入時(shí)序的啟停和快冷段氫氣含量控制.

◆ 高氫注入時(shí)序啟停

快冷段高氫注入時(shí)序所涉及到的連鎖條件共計(jì)114條,內(nèi)容涵蓋氫氣注入系統(tǒng)中設(shè)備的可靠性檢查、注入管道的氣密性檢查、事故氮?dú)獯祾吖苈吩O(shè)備可靠性監(jiān)測(cè)、爐內(nèi)各段的爐內(nèi)氛圍分析、快冷段爐內(nèi)氛圍分析、循環(huán)管道膨脹節(jié)壓力及流量監(jiān)測(cè)、爐內(nèi)各段壓力監(jiān)測(cè)以及加熱段和實(shí)效段的溫度監(jiān)測(cè).一旦某一個(gè)連鎖條件不滿(mǎn)足,時(shí)序是不允許啟動(dòng)的.快冷段高氫注入時(shí)序啟動(dòng)過(guò)程如圖2所示.

圖2 高氫注入時(shí)序啟動(dòng)流程圖

在快冷段氫氣注入主管道有兩個(gè)截止閥,各個(gè)區(qū)域支路上各有一個(gè)截止閥,時(shí)序啟動(dòng)過(guò)程中,會(huì)自動(dòng)依次對(duì)每一個(gè)截止閥進(jìn)行氣密性檢查,檢查通過(guò)以后,氫氣注入時(shí)序才可以成功啟動(dòng),然后開(kāi)始向快冷段各個(gè)區(qū)域注入純氫氣,提高各個(gè)區(qū)域的氫氣含量到設(shè)定值.啟動(dòng)過(guò)程中監(jiān)測(cè)到某一個(gè)條件不滿(mǎn)足時(shí)自動(dòng)停止時(shí)序啟動(dòng),同時(shí)生成報(bào)警信息.

當(dāng)快冷段氫氣注入時(shí)序由于某些意外情況,如產(chǎn)線(xiàn)突然停車(chē),或者由操作工給出停止命令時(shí)候,啟動(dòng)高氫注入停止時(shí)序,時(shí)序停止過(guò)程如圖3所示.氫氣注入時(shí)序停止過(guò)程中,會(huì)對(duì)氫氣注入主管道上的第一個(gè)截止閥進(jìn)行氣密性測(cè)試.

圖3 高氫注入時(shí)序停止流程圖

◆ 快冷段氫氣含量控制

快冷段氫氣含量控制主要由氫氣含量控制器AIC和氫氣流量控制器FIC來(lái)完成.氫氣含量控制器AIC的實(shí)際值來(lái)自快冷段氫氣分析儀的實(shí)時(shí)測(cè)量值,設(shè)定值由操作工根據(jù)需要在畫(huà)面上給出,控制器根據(jù)兩者的偏差產(chǎn)生輸出,輸出值經(jīng)過(guò)量程轉(zhuǎn)換作為流量控制器FIC的設(shè)定值;氫氣流量控制器FIC的實(shí)際值來(lái)自氫氣注入管道上流量表的實(shí)時(shí)測(cè)量值,控制器根據(jù)來(lái)自上一級(jí)的設(shè)定值與實(shí)際值的偏差產(chǎn)生輸出,控制氫氣注入管道上流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度.調(diào)試中不斷優(yōu)化兩個(gè)控制器的參數(shù),保證快冷段氫氣含量穩(wěn)定在設(shè)定值.

◆ 冷卻速率控制

研究表明,影響快冷段帶鋼冷卻速率的主要因素是對(duì)流換熱系數(shù)和冷卻氣體溫度,而影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素主要有導(dǎo)熱系數(shù)、噴嘴形狀、噴嘴與帶鋼表面間距以及氣體噴出流速等.邯鋼2080連續(xù)退火爐快冷段采用提高保護(hù)氣體中的氫氣含量來(lái)提高氣體的導(dǎo)熱系數(shù),通過(guò)可移動(dòng)式風(fēng)箱減小噴嘴與帶鋼表面間距,以此滿(mǎn)足高強(qiáng)鋼生產(chǎn)需要.經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn),總結(jié)以下規(guī)律:

快冷段氫氣含量高低決定帶鋼的冷卻速率,保護(hù)氣體總氫氣含量越高,帶鋼的冷卻速率越快;

移動(dòng)風(fēng)箱與帶鋼的間距是調(diào)節(jié)冷卻速率的重要因素,風(fēng)箱間距越小,冷卻速率越高;

快冷段各個(gè)區(qū)域運(yùn)行與否,影響著帶鋼的冷卻速率和生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)能.

對(duì)于同一規(guī)格的帶鋼,快冷段三個(gè)區(qū)域同時(shí)運(yùn)行模式的帶鋼冷卻速率最小,快冷段1區(qū)和快冷段2區(qū)同時(shí)運(yùn)行模式的帶鋼冷卻速率次之,快冷段2區(qū)和快冷段3區(qū)共同運(yùn)行模式的帶鋼冷卻速率與快冷段3區(qū)獨(dú)立運(yùn)行模式下帶鋼冷卻速率基本一致,同時(shí)也是冷卻速率最大的運(yùn)行模式.但是快冷段3區(qū)獨(dú)立運(yùn)行時(shí),生產(chǎn)線(xiàn)的單位產(chǎn)量最小.無(wú)論哪一種模式,隨著帶鋼厚度的增加,帶鋼的冷卻速率隨之減小.

高氫功能應(yīng)用

高氫功能投用以后,隨著帶鋼冷卻速率的提高,風(fēng)機(jī)負(fù)荷隨之下降.實(shí)驗(yàn)表明,高氫功能投用前后,快冷段風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速同比下降15%左右,緩冷段風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速同比下降10%左右,電力節(jié)能效果十分明顯.

高氫功能投用之前,高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)依靠大量添加合金元素,改善材質(zhì)的淬透性進(jìn)行生產(chǎn),而且單位產(chǎn)量較低,生成的馬氏體組織所占百分比較小,屈強(qiáng)比較大.高氫功能投用之后,生產(chǎn)的雙相鋼中板條狀馬氏體組織占比達(dá)到13%~18%,屈強(qiáng)比較小,延伸率達(dá)到18%以上,具有良好的成型性,可加工成型復(fù)雜零件.

結(jié)束語(yǔ)

高氫冷卻功能的投用,減少了高強(qiáng)鋼生產(chǎn)依靠大量添加合金元素的方法,大大降低了高強(qiáng)鋼種的生產(chǎn)成本,同時(shí)在不增加其他的后期處理工藝的基礎(chǔ)上對(duì)板帶表面質(zhì)量有一定的改善.這在目前高強(qiáng)鋼生產(chǎn)的工藝中是一種較好的方法.

高氫冷卻功能的投用,使得冷卻段風(fēng)機(jī)負(fù)荷大為降低,這對(duì)連退線(xiàn)的整體節(jié)能具有積極意義.推廣高氫功能在非高強(qiáng)鋼生產(chǎn)上的應(yīng)用,預(yù)計(jì)可進(jìn)一步提高節(jié)能效果.

[1] 王利,朱曉東,張丕軍,等.汽車(chē)輕量化與先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板.寶鋼技術(shù),2003(5):53.

[2] 馬鳴圖,吳寶榕.雙相鋼--物理和力學(xué)冶金. 第二版.北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[3] Demir B, Erdogan M. The hardenability of austenite with different alloy content and dispersion in dual-phase steels. Journal of Materials and Processing Technology, 2008, 208(1-3):102-106.