夏小明，孫明軍，羅桂梅，何光鍵，周心富

（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司 熱軋板廠，南京 210039；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心，南京 210039；3.上海梅山鋼鐵股份有限公司 設(shè)備部，南京 210039）

熱連軋板坯在爐內(nèi)加熱溫度達(dá) 1200 ℃左右，加熱時(shí)間通常為 2～3 h[1]，在此過程中，板坯表面會(huì)與爐氣中的氧發(fā)生強(qiáng)烈氧化反應(yīng)，生成大量氧化鐵皮，平均燒損達(dá)1%以上[2—4]，降低了成材率。另外，加熱過程中，金屬基體與氣氛之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，還會(huì)導(dǎo)致脫碳、各元素貧化等問題[6]，這是因?yàn)闋t內(nèi)氧化性氣氛與金屬基體表層中的碳相互作用，形成碳的氣態(tài)氧化物而逃逸造成的。脫碳層比基體軟，易變形，易產(chǎn)生裂縫，從而導(dǎo)致材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度下降[7—9]，高碳鋼、彈簧鋼尤為明顯[10]。

減少板坯在加熱爐內(nèi)燒損的方法多種多樣，板坯表面噴涂技術(shù)是有效的方法之一[11]，即將涂料噴涂在板坯上下表面，然后將板坯送入加熱爐加熱，因涂料的保護(hù)作用而降低了板坯在爐內(nèi)的氧化燒損，從而提高了金屬的收得率[12]。為了抑制鋼坯表面氧化，從20世紀(jì)五六十年代開始，人們就開展了大量研究工作，有些先進(jìn)生產(chǎn)廠采用自動(dòng)調(diào)整加熱爐內(nèi)燃?xì)饨M分和加熱工藝來實(shí)現(xiàn)鋼材的無(wú)氧化加熱[13]，由于此方法實(shí)現(xiàn)起來難度較大，從而轉(zhuǎn)向其他途徑，防氧化涂料方案即是其中之一。該方法是在板坯裝爐前，在鋼坯表面噴涂一層涂料，板坯在加熱時(shí)形成高溫防氧化涂層，使?fàn)t內(nèi)氧與板坯基體隔離開來，從而達(dá)到降低爐內(nèi)燒損的目的。

1 表面噴涂系統(tǒng)及原理

1.1 噴涂系統(tǒng)組成與功能

噴涂系統(tǒng)主要由五部分或五個(gè)子系統(tǒng)組成（如圖1所示）：涂料存貯攪拌系統(tǒng)、涂料壓力輸送系統(tǒng)、管路和噴嘴清洗系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及輥道線上部分。

涂料存貯攪拌系統(tǒng)主要用于涂料儲(chǔ)存。涂料具有很高的固含量（65%左右，比重 2左右），僅僅靠懸浮劑的作用難以保證長(zhǎng)時(shí)間懸浮不分層[14]。攪拌罐配備可控時(shí)間的攪拌系統(tǒng)，如每隔5 h攪拌10 min，可避免涂料體系在應(yīng)用過程中因分層而造成成分不均的問題。同時(shí)，為了避免涂料中的一些大顆粒沉淀物或外來大顆粒雜質(zhì)堵塞系統(tǒng)，故在攪拌罐出料口處設(shè)計(jì)了過濾網(wǎng)。

涂料壓力輸送系統(tǒng)采用了相對(duì)成熟的雙缸陶瓷柱塞泵送系統(tǒng)[15]，通過壓力傳感器控制泵體緩沖罐內(nèi)壓力在設(shè)定范圍內(nèi)波動(dòng)，且泵體工作壓力僅與緩沖罐壓力的大小有關(guān)，與噴涂是否正在進(jìn)行無(wú)直接關(guān)聯(lián)。噴涂系統(tǒng)壓力下降，泵體會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充壓力，從而保證噴涂壓力的穩(wěn)定，同時(shí)延長(zhǎng)了泵體的壽命。

噴嘴及管路清洗系統(tǒng)由水泵、給水閥、給氣閥、管路清洗閥、過濾器清洗閥、排水閥等組成。每完成一塊坯的噴涂，噴涂閥切換，涂料回流，氣水交替清洗噴嘴[16]。當(dāng)管路過濾器堵塞，即壓差過大，過濾器清洗閥自動(dòng)切換進(jìn)行清洗。當(dāng)攪拌罐涂料使用完或故障報(bào)警，整個(gè)管路自動(dòng)清洗，清洗的污水由單獨(dú)的排水管排出。考慮到多處管路的閥門開停切換和組合切換，需要保證閥門的關(guān)停質(zhì)量，以防水、氣、涂料在管路間互串。

電控系統(tǒng)主要包括檢測(cè)與控制單元。檢測(cè)單元包括壓力傳感器、流量計(jì)及輥道線上信號(hào)檢測(cè)。該單元檢測(cè)的信號(hào)反饋到控制單元進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)噴涂的自動(dòng)化。控制單元包括 PLC控制器及開關(guān)量和模擬量模塊、觸摸屏、接觸器、繼電器、變頻器、空開、電源等。它是噴涂系統(tǒng)的核心，保證噴涂系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)輥道線上部分是噴涂得以實(shí)現(xiàn)的主體，這部分包括信號(hào)檢測(cè)、鐵皮吹掃、噴涂、廢料收集等。信號(hào)檢測(cè)采集三個(gè)信號(hào)：一是使用耐高溫的光電開關(guān)監(jiān)測(cè)來料信號(hào)，用來控制噴涂啟停；二是溫度傳感器監(jiān)測(cè)坯料溫度，用來識(shí)別是否噴涂；三是坯料寬度檢測(cè)，用來確定噴涂范圍。鐵皮吹掃是在噴涂前對(duì)鋼坯上下表面進(jìn)行清理，先采用鋼絲滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)刷掃，再用風(fēng)機(jī)通過風(fēng)管吹掃。只有清理干凈鋼坯表面，才能保證噴涂效果。噴涂單元主要由噴涂組合閥、噴嘴基座、導(dǎo)流體、噴嘴及水、氣、料管組成。涂料和氣在噴嘴混合后呈扇形噴出，噴嘴的間距和角度直接影響噴涂的均勻性。

1.2 噴涂系統(tǒng)工作原理

當(dāng)光電開關(guān)檢測(cè)到鋼坯、測(cè)溫儀檢測(cè)到表面溫度不高于300 ℃時(shí)，即發(fā)出噴涂信號(hào)，開啟噴嘴，PLC控制各路閥門開關(guān)，實(shí)現(xiàn)輥刷動(dòng)作及吹掃，涂料從攪拌罐沿管路送達(dá)柱塞泵，柱塞泵將涂料經(jīng)輸送管路壓送到噴嘴進(jìn)行噴涂。當(dāng)不符合噴涂條件時(shí)，柱塞泵壓送涂料經(jīng)回流管路返回到攪拌罐。涂料使用完時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，自動(dòng)清洗整個(gè)管路，然后停機(jī)。如果一塊板坯噴涂過程中收到暫停信號(hào)，判斷暫停時(shí)間是否超過10 min，不超過則繼續(xù)噴涂，否則噴涂就中斷，進(jìn)行噴嘴清洗。噴嘴清洗后，還要判斷系統(tǒng)壓力是否在正常范圍內(nèi)，如超出范圍，則進(jìn)行管路清洗，否則，進(jìn)入正常料劑循環(huán)工作狀態(tài)。詳細(xì)工藝流程見圖2。

2 調(diào)試過程中的問題及解決方法

由于至今無(wú)專業(yè)涂料噴涂系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)廠，所以采購(gòu)的設(shè)備難免會(huì)存在各種各樣的問題，在近20個(gè)月的設(shè)備調(diào)試過程中，邊調(diào)試邊改進(jìn)，共改進(jìn)36處，使設(shè)備或控制基本處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。主要優(yōu)化設(shè)備及控制方法如下。

2.1 供料動(dòng)力泵磨損

供料動(dòng)力泵原設(shè)計(jì)為齒輪泵，齒輪泵的優(yōu)點(diǎn)是體積小，壓力平穩(wěn)，維修更換方便，但齒輪、泵體和密封的耐磨性無(wú)法達(dá)到使用涂料的要求?，F(xiàn)已改用陶瓷柱塞泵，并新增了水冷、儲(chǔ)壓裝置、防泄漏水池及自動(dòng)排水系統(tǒng)，增加了運(yùn)行的平穩(wěn)性。

2.2 輥刷清理效果差

輥刷電機(jī)動(dòng)力偏小，時(shí)常出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)等問題，導(dǎo)致鋼坯表面氧化皮清理不凈，影響了噴涂效果。改進(jìn)后功率由原3.5 kW增大到5.5 kW，長(zhǎng)期運(yùn)行，一直較為平穩(wěn)。另外，原輥刷采用細(xì)鋼絲，在使用過程中碰到高溫坯會(huì)變形，影響清理效果，后改用鋼絲繩，不僅延長(zhǎng)了使用壽命，而且還提升了清理效果。

2.3 防塵罩掉落

生產(chǎn)過程中，鋼坯在輥道上有時(shí)會(huì)偏離中心線運(yùn)行，撞擊側(cè)導(dǎo)板后造成防塵罩脫落。故將側(cè)導(dǎo)板本體增加了一喇叭口段，同時(shí)對(duì)防塵罩進(jìn)行了加固處理，至今未再出現(xiàn)掉落。

2.4 密封件泄漏

噴涂組合閥控制水、氣、料三路的開關(guān)，使用頻率高，對(duì)密封的要求也高，設(shè)備投用初期，時(shí)常發(fā)生泄漏?，F(xiàn)噴涂組合閥采用硬密封和密封圈相結(jié)合，當(dāng)密封圈損壞時(shí)，還有第二層硬密封保護(hù)，再加上定期維護(hù)，基本解決了密封泄漏問題。

2.5 涂料浪費(fèi)

由于涂料的特性，每塊鋼坯噴涂完成后必須清洗。清洗部分主要是連接噴涂組合閥和噴嘴的管路，原每條管路為平均長(zhǎng)5 m、管徑6 mm的軟塑料管，高溫烘烤易變形爆裂，造成涂料泄漏，同時(shí)因管道長(zhǎng)，一次清洗浪費(fèi)約4 kg涂料。經(jīng)過改進(jìn)，管路長(zhǎng)度平均縮短到0.2 m，減少浪費(fèi)達(dá)96%。材料由軟塑管改為內(nèi)徑為5 mm的銅管，再也未發(fā)生過爆裂。

2.6 鋼坯在噴涂區(qū)域內(nèi)停留

由于生產(chǎn)線的上料輥道長(zhǎng)度短，為了不影響上料節(jié)奏，無(wú)論板坯是否噴涂，都需要在該區(qū)域停留，極端情況下會(huì)停留數(shù)小時(shí)。這就導(dǎo)致了兩個(gè)問題：一是無(wú)需噴涂的高溫坯烘烤導(dǎo)致噴槍變形，輥刷電機(jī)時(shí)常燒壞；二是需要噴涂的板坯在區(qū)域內(nèi)停留，重新啟動(dòng)噴涂時(shí)，易造成噴涂不均，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致板坯在爐內(nèi)加熱不均，最終導(dǎo)致中間坯實(shí)測(cè)溫度曲線中有一V字型溫降，最大溫降達(dá)64 ℃（如圖3a），給軋線生產(chǎn)帶來新的問題。針對(duì)第一個(gè)問題，噴槍部分采取水冷循環(huán)，輥刷電機(jī)采用隔熱處理即可得到解決。對(duì)于第二個(gè)問題，通過延遲溢流閥關(guān)閉0.5 s，即可將噴涂系統(tǒng)壓力維持在0.3 MPa之內(nèi)，從而保證涂層厚度的均勻性，實(shí)現(xiàn)完整噴涂和銜接，同時(shí)解決了因停留啟動(dòng)瞬時(shí)涂料變厚而導(dǎo)致板坯在爐內(nèi)加熱時(shí)導(dǎo)熱性差的問題。圖3b為優(yōu)化控制邏輯后噴涂后中間坯實(shí)測(cè)溫度曲線，溫度波動(dòng)為15～20 ℃。

3 應(yīng)用效果

3.1 噴涂前后氧化鐵皮厚度比較

針對(duì)同計(jì)劃的同一爐鋼，一塊噴，一塊不噴，再按照通常的加熱工藝燒鋼，出爐后回板坯庫(kù)，即出爐后不除鱗，放在板坯庫(kù)冷卻，然后檢測(cè)氧化鐵皮的厚度（共9個(gè)點(diǎn)），如表1。相關(guān)條件相同時(shí)，是否噴涂對(duì)氧化鐵皮厚度影響達(dá)0.52 mm，折算成質(zhì)量后，爐內(nèi)燒損率可下降0.41%。

3.2 噴涂前后批量成材率比較

選取2772塊鋼，含54個(gè)鋼種，其中噴涂1113塊，未噴涂 1659塊，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，噴涂比未噴涂成材率提高了0.27%。對(duì)比生產(chǎn)量最大的三個(gè)鋼種，計(jì)算加權(quán)平均后，成材率可提高0.38%。

3.3 噴涂所耗涂料

經(jīng)流量計(jì)測(cè)量，噴涂時(shí)的流量為1 m3/h，按其密度計(jì)算相當(dāng)于1800 kg涂料，每秒噴涂量為0.5 kg。一塊鋼坯噴涂約需10 s，用料約5 kg，按鋼坯每塊平均15 t計(jì)算，噸鋼消耗用料為0.33 kg，比手工噴涂消耗（0.6 kg/t）減少近一半。

表1 噴涂與不噴涂板坯氧化皮厚度比較Table1 Scale thickness comparison between with spraying and without spraying

表2 噴涂與不噴涂批量成材率對(duì)比Table2 Lot yield comparison between with spraying and without spraying

4 結(jié)論

噴涂坯的成材率可提高 0.38%，超過預(yù)期的0.25%。噸鋼涂料消耗可控制在0.33 kg內(nèi)，遠(yuǎn)低于手工噴涂消耗的0.6 kg。這說明通過優(yōu)化噴涂設(shè)備結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)噴涂，所獲得的涂層均勻，且涂料用量少，同時(shí)提高了成材率。