连续退火炉正常运行时的气密性检测技术研究

姜 磊

(宝山钢铁股份有限公司 冷轧厂，上海 201900)

0 引言

近年来，随着汽车制造、航空航天、仪器仪表、电力电子和食品包装等行业的快速发展，极大地推动了对金属板带的需求。由于轧制后的带材塑性较差，需要经过退火工序之后才能提供给下游板带用户进行深加工[1-3]。与此同时，立式连续退火机组将清洗、退火、平整、精整等四个工序合而为一，具有生产效率高的特点，并且可以在较低的成本下生产出平直度好、性能均匀、表面清洁度高的产品，因而获得了迅速的发展[4-7]。

连续退火炉在安装后需要对炉壳的气密性做打压试验来确保炉子的气密性[8,9]。但是连续退火炉正常生产过程中，也会由于热胀冷缩、炉体钢结构振动、检修拆装设备、密封件损坏、设备损坏、撤带穿带等因素致使炉壳出现局部泄漏，如果这些漏点没有被及时发现和有效封堵，就会导致退火炉气密性变差，使得炉内氧气含量升高，最终影响产品质量[10,11]。因此，本文从退火炉正常运行时炉内氢气和氧气的含量与炉内气密性之间的角度出发，建立氢气和氧气与炉内气密性的关系判定模型，从而得知退火炉正常运行时各炉段气密性情况。

1 退火炉内氢气和氧气含量与气密性之间的关系

连续退火炉正常运行时，炉内持续通入由氮气和氢气组成的还原性保护气体，氢气一方面可以加快炉内带钢的冷却速度，另一方面还可以让炉内带钢表面形成的氧化铁发生还原反应，防止带钢表面被氧化。炉内氢气含量变化的原因主要有两方面：①连续退火炉炉内是微正压，也就是说炉内的压力大于炉外压力，当炉壳存在漏点时，炉内的气体会向外排出，从而导致退火炉内氢气含量降低；②如果退火炉风机负压部分存在漏点时，会吸入大量空气进入到炉内，进入到炉内的氧气就会与氢气发生反应生成水，从而导致炉内氢气含量降低。因此，炉内检测到的氢气含量越低，表明炉子的气密性越差。换言之，炉内氢气含量的变化从侧面反映了退火炉气密性不佳，炉子存在漏点问题。

炉内的氧气含量也与退火炉气密性紧密相关。一般而言，退火炉内氧气含量是需要控制在0.001%以下，但是炉子正常运行时，如果退火炉内氧气含量升高，主要是因为退火炉风机负压区域(循环风机入口、轴承、法兰与管道等处)存在漏点，吸入空气造成的。因此，炉内氧气含量越大，炉子的气密性越差。也就是说，炉内氧气含量的变化可以说明退火炉气密性不佳，炉子存在漏点问题。

炉内氢气与氧气含量变化与气密性的关系如图1所示。从图1中可以看出：一定时间内炉内氧气相对变化量如果小于30%，则可认为该处气密性良好，反之，氧气相对变化量超过30%，则认为气密性差，需要采取一定补漏措施治理气体泄漏；一定时间内炉内氢气相对变化量如果小于25%，则认定该处气密性良好，反之，氢气相对变化量超过25%，则认定该处气密性差，需要采取一定补漏措施治理气体泄漏。

图1 炉内氢气和氧气含量变化与气密性的关系

2 退火炉内氢气和氧气含量与气密性关系判定模型

氢气主要被注入在退火炉炉膛部位，起到还原和保护带钢的作用；而炉子内一旦氧气含量过高，主要是从风机负压区域的泄漏点进入。因此，本文分别从氢气含量的变化与炉膛部位气密性判定模型和氧气含量变化与风机负压区域气密性判定模型两方面着手进行研究。

2.1 退火炉内氢气含量与气密性判定模型

氢气属于保护气体，炉内氢气含量的变化可用于退火炉炉体正压部分气密性的检测。为检测退火炉内氢气含量与炉膛气密性的关系，建立退火炉内氢气含量与气密性判定模型。

理想气体的状态方程为：

PV=nRT.

(1)

其中：P为炉内压力；V为炉内氢气体积；n为氢气物质的量；R为气体常数；T为炉内温度。

假设退火炉正常运行过程为定量等温过程，由玻意耳-马略特定律可知，式(1)可以写成：

P(V-ΔVp)=(P-ΔP)V.

(2)

其中：ΔVp为检测压力下泄漏氢气的体积；ΔP为前、后两次检测炉内的压力差。

从炉内泄漏的气体会直接进入到空气中，在大气状态下有：

P0×ΔV0=P×ΔVp.

(3)

其中：P0为检漏时的大气压力；ΔV0为大气压下氢气的泄漏量。

结合式(2)和式(3)得到气体的泄漏量为：

(4)

通过分析可知，在已知V的前提下，只要测出检漏时的大气压力P0和待测炉内泄漏压力差ΔP，便可以求解出炉内氢气的泄漏量。

2.2 退火炉内氧气含量与气密性关系判定模型

氧气因为在炉内含量少，一旦氧气含量增加，安装在炉内的气体分析仪就会检测发现，因此，炉内氧气含量的变化可以用来判定炉子气密性的好坏。炉内氧气含量的变化主要是源于退火炉风机负压区域存在泄漏，炉外的空气被风机强大的吸力吸入炉内。为了快速判定炉子循环风机处气密性好坏，开发出一套依据氧气含量的变化判定退火炉各风机处是否存在泄漏的判定模型。具体步骤如下：

(1)将各炉段风机转速调整为额定转速的5%运行5 min，并收集此时所有风机处氧气含量VO1i(i为风机编号)。

(2)在冷却段中，从SCS段(缓冷段)、RCS段(快冷段)、OAS段(过时效段)、FCS段(终冷段)逐一选择炉段，并选中该炉段的一个风机，将其转速调整为额定转速的90%运行15 min，除该风机外其余所有风机仍旧保持额定转速的5%运行，收集此时的风机氧气含量VO2i。

3 退火炉风机负压区域气密性情况分析

针对连退炉循环风机泄漏判定，采用氧气含量与气密性判定模型对冷却段的循环风机气密性情况进行测试，得到的结果如表1～表4所示。

表1 SCS段的风机转速与氧气含量情况

由表1分析可知：SCS段1#～4#风机按额定转速的5%运行5min，测得的O2含量分别为5.83×10-4%、5.85×10-4%、5.85×10-4%、5.85×10-4%；当分别把1#～4#风机按额定转速的90%运转15 min后，测得O2含量分别为7.23×10-4%、7.51×10-4%、8.08×10-4%、7.45×10-4%；依据氧气含量与气密性判断模型可知，SCS段1#、2#、4#风机气密性良好，3#风机气密性较差。

由表2分析可知：RCS段1#～6#风机按额定转速的5%运行5 min，测得的O2含量分别为5.9×10-4%、5.89×10-4%、5.92×10-4%、5.85×10-4%、5.93×10-4%、5.90×10-4%；当分别把1#～6#风机按额定转速的90%运转15 min后，测得O2含量分别为16.43×10-4%、18.17×10-4%、20.85×10-4%、18.27×10-4%、17.29×10-4%、10.56×10-4%。依据氧气含量与气密性判断模型可知，RCS段1#～6#风机气密性均较差。

表2 RCS段的风机转速与氧气含量情况

由表3分析可知：OAS段1#、2#风机按额定转速的5%运行5 min，测得的O2含量分别为7.01×10-4%、3.26×10-4%；当分别把1#、2#风机按额定转速的90%运转15 min后，测得O2含量分别为13.50×10-4%、7.21×10-4%。依据氧气含量与气密性判断模型可知，OAS段1#、2#风机气密性均较差。

表3 OAS段的风机转速与氧气含量情况

由表4分析可知：FCS段1#～8#风机按额定转速的5%运行5 min，测得的O2含量分别为3.15×10-4%、3.71×10-4%、3.52×10-4%、3.55×10-4%、3.51×10-4%、3.52×10-4%、3.54×10-4%、3.51×10-4%；当分别把1#～8#风机按额定转速的90%运转15 min后，测得O2含量分别为12.56×10-4%、14.45×10-4%、15.06×10-4%、16.52×10-4%、16.89×10-4%、17.62×10-4%、17.80×10-4%、18.24×10-4%。依据氧气含量与气密性判断模型可知，FCS段1#～8#风机气密性均较差。

表4 FCS段的风机转速与氧气含量情况

4 结语

本文针对1550连退机组存在的炉内气密性检测问题，提出了退火炉内氢气与炉膛气密性判定模型和炉内氧气含量与循环风机气密性判定模型。并依据建立的退火炉运行过程中炉内氢气及氧气含量与气密性模型，分析了炉内风机处的漏点分布情况，从而为实现漏点的准确治理奠定了基础。