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欧洲取向硅钢典型热处理炉现状

来源:2016-10-09 10:21:17
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核心提示:1.用于电工钢热处理的辊底式热处理炉图1:生产取向电工钢板的生产链辊底式热处理炉在取向硅钢热处理工艺上有广泛的应用,见图1。
 1.用于电工钢热处理的辊底式热处理炉

 

图1:生产取向电工钢板的生产链

辊底式热处理炉在取向硅钢热处理工艺上有广泛的应用,见图1。辊底式热处理炉可以用于取向硅钢的常化酸洗机组(APL),对于某些工艺路线也可用于中间退火机组(ITM),用于脱碳退火涂层机组(DCL),及热拉伸平整机组(FCL)。在这些机组里,在退火炉内带钢经过一个退火工艺包括加热,均热,缓冷和快冷, 以及工艺过程如脱碳和渗氮。由于极高的热处理工艺要求,退火炉设备本身以及退火炉的自动控制是生产的质量和稳定性的关键。 
2.欧洲的取向电工钢生产现状

如图2所示,2014年世界取向电工钢的产量前15生产商,其中5个位于欧洲。

在过去的十二年内,在中国建了很多用于取向电工钢的热处理生产线,所谓的生产大发展阶段。而在此期间欧洲生产厂家是集中它们的精力转化生产工艺路线,从传统的生产工艺路线上升到更有效的工艺路线,目的是特稿产品质量和降低生产成本。在欧洲大多的取向硅钢热处理炉设备改造升级是伴随从热轧高温加热(1400 ˚C)向低温加热工艺 (1150-1250 ˚C) 的转变。为了实现采用热轧低温加热工艺路线生产高牌号取向电工工钢,APL 和DCL的退火炉需要升级改造,包括APL冷却系统。 

采用热轧低温加热工艺路线,DCL机组中在退火炉内的渗氮工艺是关键问题,渗氮过程如图3所示,渗氮的关键点是控制渗氮的量。为了能得到均匀和所需要的渗氮效果,带钢表面的化学成分的组成起到决定性的作用。SiO2阻碍渗氮,而FeO氧化物是渗氮的载体。所以在带钢表面这两种氧化物的比例影响渗氮过程和渗氮效果。在DCL机组退火炉内发生的渗氮工艺本身又有高温和低温渗氮之分,根据不同的工艺要求,退火炉就要相应的设计。由于在DCL机组退火炉内既有脱碳工艺又有发生渗氮工艺,所以退火炉的精准设计和稳定运行是一个必须条件,运行中要对工艺参数进行精确控制,如带钢温度,炉温和炉压,工艺气氛成分和分压比,以及炉内工艺气氛露点等等。

3.设备改造项目

3.1波兰取向电工钢生产线改造

S厂是波兰的唯一取向电工钢生产商,原来采用具有中间脱碳退火的工艺,两条用于脱碳退火涂层机组,B1 和 B2机组建于七十年代, 产品的铁损改造前仅仅达到1.1 W/kg, 而领先厂商生产的优质产品可以达到0.7 W/kg或更低。

作为改造工程的第一步,是改造APL退火炉,满足对带钢温度曲线的要求,炉内采用氮气保护气氛。根据工艺对带钢冷却速度的要求增加气雾冷却段。炉子设备主要包括预热炉段,无氧化炉段,辐射管冷却炉段,均热段,缓冷段,带钢最高温度达到1100 度以上。


   

B1 和 B2退火炉改造升级最主要是增加渗氮功能,氮在高温退火时和其它元素共同起到抑制剂的作用,避免初次再结晶时晶粒的长大。渗氮仅仅发生在氨气接触带钢时发生裂解的瞬间,氨气是对炉内的金属件有腐蚀性的。所以设计一套有效的供氨气系统是很重要的,炉辊材质要选材合适,见图4 。氨气系统包括氨气站,这套系统不仅要按退火炉安全标准还要按当地的有关安全标准设计。

 

改造设备主要包括:

• 全新入口密封室配有工艺气氛燃烧装置

• 四个全新隔离段,隔断炉内工艺气氛

• 在均热段增加一个干气氛还原段

• 增加渗氮炉段,配备全套工艺气氛系统

• 新式碳套炉辊

• 两个快速循环冷却单元和一个出口密封室

• 升级改造所有阀门,仪表和检测元件,全新自动化控制

本项目改造提供了一个全新的FCL 退火炉,其中一个技术亮点是热拉矫设备(HSE),它位于均热段的入口段,带钢温度最高处。和国内的取向电工钢 生产厂家比较而言,这样的热拉矫设备在欧洲的生产厂家更得到普遍应用,尽管采用新的工艺路线后带钢的平直度在FCL 的入口已经得到很大的提高。

 
 

热拉矫设备的使用关键之一是易操作,为了避免结瘤,辊子必须进行定时清理,由此要设计两个单元,一套在使用中,另外一套处于备用或准备状态。能把辊子很容易地从炉内抽出和装入炉内是非常关键的,这就要求这套设备的设计精准和在安装调试期间和用户的紧密配合,在调试期间上弯曲辊的压下量是需要经验和现场调试得到的。适度的压下量是避免结瘤和同时又要达到拉矫效果的折中量。尽管国内的用户也认识到这样的热拉矫设备所能达到的效果,但大多因为辊子结瘤问题热拉矫设备没有得到更多的采用。

改造后的B2线在二零一三年六月启动生产,B1线紧接着于二零一五年二月也改造投产,现在该厂家可以采用热轧低温加热工艺生产出高端取向电工钢。

3.2德国取向电工钢生产线改造企业

德国一家拥有四十多年生产取向电工钢的历史。在冷轧厂拥有以下热处理设备和生产线,一条APL, 一条 ITM, 两条 DCL, 多台MBAF, 两条 FCL。MBAF的一个显著特点是它的灵活性,在它的发展过程中,通过不断的提高其它机组运行效率,和随时增加MBAF炉台,达到提高产量和灵活组织生产的目的。


     在DCL线装备渗氮工艺是改造热处理炉的一个焦点, 由于热处理炉是个双层炉,即两层带钢同时在炉内运行,这使得它的升级改造成为一项具有挑战性的工作。图6 所示为洛伊热工工程有限公司于一九七五年在德国建的这个卧式双层炉。它用于取向电工钢脱碳退火,带钢厚度为0.18-0.50 mm,带钢宽度为700-1150 mm,机组最大工艺速度为80 m/min。连续退火炉是全部燃气加热的,最大炉温可达1050 °C以上。炉内工艺气氛含最大85% 的氢气。双层炉最大的优点是,和常规退火炉相比一个双层炉达到两个普通炉子的产能。这类双层炉适用于带钢在炉内需要较长时间的热处理,机组速度较慢,工艺稳定,带钢规格变化不大,特别是可使用场地有限的情况下。基于这类双层炉的经验,二零零六年洛伊热工工程有限公司又成功在国内建成一条用于取向电工钢的中间退火的双层炉机组,由于退火炉在整个机组的重要性以及洛伊热工工程有限公司在电工钢热处理线的技术和经验能力,整个机组是在洛伊热工工程有限公司带领的项目集团下实施的,仅仅退火炉设备就四百多米长。

在这个改造项目上,通过增加渗氮段和双侧的隔离短,实现了在这个机组的退火炉上新增高温渗氮工艺的目的,从而完成实现改变生产工艺的关键一步。

升级改造FCL退火炉是提高产品质量的另一个项目。原来的两条热拉伸平整机组建于七十年代,烘干炉和加热段是连在一起的,炉内为烟气气氛。通过把辐射管加热炉和烘干炉分开,现在辐射管炉是在保护气氛下,达到了提高带钢表面及涂层质量的目的。除此之外,改造了冷却段,全新保护气氛循环快冷单元,保留原有的热拉矫设备。

完成这些改造项目之后, 这个厂家现在可以完全采用最新研发的工艺技术生产取向电工钢,通过热处理机组升级改造,使它拥有了现代化的热处理设备,使企业同时具有面对未来挑战的能力,因为在这个领域对产品的要求会越来越高,不仅仅在机械和磁性能上而且也在环保涂层上。

对于用于取向电工钢退火炉的升级改造,一些设计计算是必不可少的。与新建项目不同,改造项目有它的复杂性。因为设备经过十几年甚至几十年的运行使用后,它的实际工况已经和原来的设计有很大的不同,有的甚至已经有过改造。在上面的两个案例中,在项目前期现场的勘查记录设备的目前工况工作起到了很大的辅助作用,在此基础上才能量体裁衣式地设计出升级改造方案。

 

4.自动控制

 

炉子的自动控制对用于取向电工钢热处理的卧式退火炉十分重要, 因为带钢的稳定运行和参数准确性不仅仅是对设备本身更主要对产品的性能很关键。尤其是DCL机组的退火炉,在炉内带钢要经过脱碳和渗氮工艺过程,这些工艺要求极高的工艺参数精确度和炉子设备的稳定性。 由于工艺参数的波动直接影响到产品性能指标,而这些性能指标只能在成品检查才能得到数据,任何工艺参数的偏差都会造成大量产品的质量问题和降低成材率。

图8 所示为我们的炉子自动控制的策略和方案,创建和成功投入了量体裁衣式的自动控制模型。在上述的案例中,自动化的升级改造是这些项目中的一个重要部分。

5.结束语

在过去的十二年内,在中国建了很多用于取向电工钢的热处理生产线,所谓的生产大发展阶段。而在此期间欧洲生产厂家是集中它们的精力转化生产工艺路线,从传统的生产工艺路线上升到更有效的工艺路线,目的是提高产品质量和降低生产成本。取向硅钢热处理炉设备改造升级是伴随从热轧高温加热向低温加热工艺的转变,为了实现采用热轧低温加热工艺路线生产高牌号取向电工钢,APL 和DCL的退火炉需要升级改造,包括APL冷却系统。只有完全掌握了渗氮的机理和相应的设计DCL机组的退火炉设备,渗氮工艺这个新工艺的关键点才能成功实现,为实现此目的,不仅生产厂家要掌握工艺技术,热处理炉设备供货商也要完全具有实施这项工艺的设备技术和经验。通过热处理机组升级改造,使它们不仅拥有了现代化的热处理设备,同时使企业具有了面对未来挑战的能力。

升级改造现有设备和全新设备相比,投资少见效快。改造后的热处理设备的能源有效利用率得到提高,加上进一步的热量回收手段,显著地降低了设备运行成本和减少了对环境的排放量。

 
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