楔形高温计在冷轧立式连续退火炉中的应用

2019-12-13供稿关淑巧刘春雨李山GUANShuqiaoLIUChunyuLIShan

金属世界 2019年6期

供稿|关淑巧，刘春雨，李山 / GUAN Shu-qiao, LIU Chun-yu, LI Shan

内容导读

测量带钢温度的高温计合理配置、运行稳定是退火炉带钢温度稳定控制的基础。文章针对冷轧立式连续退火炉高强钢退火生产温度波动问题，深入分析了高温计的测温原理，根据高强钢生产特点、工艺需求以及连续退火炉加热段的具体布置特点，将单波长辐射高温计由垂直安装改为楔形安装方式，通过重新选定高温计测量位置、修正发射率等措施，解决了加热段温度飘移问题，收到了较好的测量效果。

为提高冷轧带钢产品的质量，带钢需经过冷轧连续退火工艺处理，以提高冷轧带钢产品的强度和冲压延展性等各种性能。连续退火炉各段的带钢温度控制对退火工艺有着关键的作用，有效的带钢温度监测和控制对产品性能至关重要。要控制好带钢温度，首先要正确测量出带钢的温度。目前对冷轧立式连续退火炉中运行带钢的温度测量主要采用非接触式红外辐射高温计。

近年来，唐钢高强汽车板有限公司新建1条冷轧连续退火机组和3条镀锌机组。在连退机组实验及生产系列高强钢过程中，尤其是普料和高强钢过渡期间，退火过程中高强钢温度呈山峰样波动，部分带钢温度距目标温度有较大偏移，导致在同一钢种、同一工艺的情况下，不同卷的性能差异很大，性能的均匀性与稳定性差，成为高强钢生产亟待解决的问题。

连续退火工艺

冷轧立式连续退火炉是冷轧连退机组的核心部分，也是冷轧带钢生产的重要环节。其功能主要是通过连续地对冷轧带钢进行一系列的加热和冷却，带钢内部经历晶粒恢复、再结晶、晶粒长大、碳化物析出等几个阶段的变化过程，使材料组织结构进行再结晶，从而提高带钢的再加工性能[1]。冷轧立式连续退火炉一般由加热段、均热段、缓冷段、快冷段等组成，在影响材料力学性能的诸多因素中，关键因素是连续退火炉各炉段的带钢温度控制，因此精确地测量和控制带钢温度是保证产品质量的有效途径。不同的钢种有不同的退火温度曲线，带钢在连续退火炉中需按照钢种各自规定的退火温度曲线进行带钢的温度控制，使温度控制在工艺所要求的温度范围之内。

高强钢温度及测温设备现状

高强钢温度控制现状

连退机组每月产量6.5万t，其中生产系列高强钢约1万t。在生产普料、深冲钢、低合金钢等系列产品时，高温计的温度测量情况良好，不同钢种间切换时，温度曲线平缓；但在生产高强钢，尤其是普料与高强钢切换时，发现焊缝后带钢在加热1的温度飘移20~50℃，加热2、均热段的温度也在高强钢头部突然上升，如图1所示，退火炉加热也随之进行调整，整卷带钢温度呈山峰样起伏，通卷性能稳定性欠佳。

高温计配置

连续退火炉的红外辐射高温计均安装在各炉段的出口，采用垂直于带钢的安装方式。红外辐射高温计通过测量物体发出的热辐射，产生与物体温度成比例的信号，并经过处理得到被测物体的温度。根据光路屏蔽的原理，将水冷套管直接插入炉内，尽可能接近带钢表面以减少背景光对温度测量的影响，然后通过调试可获得相对合适的带钢辐射率，如图2和图3所示。

高强钢温度波动分析

红外辐射高温计测温原理

物体的辐射能力与物体的温度有关，红外辐射高温计就是根据普朗克定律，利用热辐射体光谱辐射亮度随温度升高而增大的原理，采用亮度均衡法来实现温度测量的。也就是说，红外辐射高温计就是通过测量一定波长下物体表面发射的红外辐射强度，并将其转化为电信号，从而测得物体表面的温度[3]。红外辐射高温计主要有单波长、双波长和多波长等类型，连续退火炉全部采用单波长红外辐射高温计。

高强钢温度波动分析

系列高强钢中硅锰元素含量较高，相比其他钢种冷轧板面颜色发暗，入炉带钢表面更易形成氧化层[2]，加热后其表面辐射亮度与普料有较大差异，同时来料板面上的部分斑迹也会造成表面辐射亮度的差异。这些因素均影响高温计的测量值，是普料与高强钢切换时，测温曲线波动的主要原因。因高强钢板面灰度及斑迹问题导致温度异常波动情况频繁发生，对产品性能的稳定性造成较大影响。

在立式连续退火炉中，因为带钢表面较光亮，辐射系数很低，不易测量；同时不同钢种切换，其表面辐射亮度差异导致辐射率发生变化。因此为改善高强钢温度测量精度，采用红外辐射高温计需克服带钢表面辐射率低且不稳定的问题。

技改方案及实施

通过与LAND公司及退火炉设计公司专家探讨，了解到高温计楔形安装测量方式(如图4所示)可较好地解决热辐射率低且不稳定的难题，增强抗干扰能力，提高带钢温度测量的准确性和稳定性。这种安装方式，带钢温度的测量大多选用单波长红外辐射高温计，即技术方案为：采用原炉段的高温计，重新选定高温计的测量位置。楔形安装测量的目标是尽量靠近带材与炉辊接触的区域，该区域的辐射能量经带钢和炉辊之间的多次反射被吸收，这个区域带钢表面受炉内各种设备的背景辐射干扰最小，近似黑体，热辐射高且较稳定。

根据退火炉加热各段的布置重新选择了高温计测量位置，将带钢温度测量位置选择在各段出口的炉辊与带钢形成的楔形区域，如图5和图6所示。为达到更好的测量效果，在设计、安装楔形高温计时需考虑：辊直径、带钢与炉辊的缠绕长度、高温计测量点距带钢与炉辊相切点的间隔距离、高温计测量光路与带钢夹角等相关设计参数。

带钢与炉辊的缠绕角度不应小于90°，缠绕长度越长带钢和炉辊温度越相近，测量更准确；在安装设计时要将测温点尽量瞄准、接近辊与带钢切点的位置，并选择带钢导出的一侧进行测量，重要的是尽可能测量到接近切点的带钢上，如图7所示；高温计测量光路与带钢夹角为5°~10°较好。连续退火炉加热1、加热2、均热段的高温计均从垂直安装改为楔形安装方式，并对发射率进行了修正。

技改实施效果

(1) 选取普料向高强钢过渡情况，观察带钢的温度曲线，如图8所示，温度值见表1。

表1 普料向高强钢过渡期间温度

(2) 选取高强钢向普料过渡的情况，观察带钢的温度曲线，如图9所示，温度值见表2。

表2 高强钢向普料过渡期间温度

从温度曲线和数值可以看出，普料与高强钢过渡期间温度飘移的情况已彻底解决，温度稳定控制在5℃范围内。技改前普料与高强钢过渡，加热1的温度上漂约20~50℃，加热2温度波动20~30℃，均热段温度波动15~25℃。由于退火炉热惯性，温度向上飘移会导致退火炉加热输出的波动，使带钢温度不均匀性加剧，进而影响产品性能的稳定性。改造完成后各加热段温度已无飘移情况，均热段温度稳定控制在10℃以内。目前连退线生产，各钢种间的过渡，尤其普料与DP钢过渡实现了温度的稳定控制，产品头尾及整卷温度的一致性显著提高。