带钢宽度方向温度均匀性控制的诱导加热技术

张久林

（宝钢工程技术集团有限公司，上海201900）

在连续热镀锌机组中，带钢进行镀锌前，需要经立式退火炉进行热处理。整个连续退火炉由预热段、加热段、均热段、缓冷段、快冷段和均衡段六个工艺段组成。不同钢种的带钢在连续退火炉中按照相应的退火工艺曲线进行退火，达到要求的机械性能和表面质量，并以规定的入锌锅板温进入锌锅。

带钢是通过若干布置在退火炉内部的炉辊进行输送，依次经过退火炉的各个工艺段。通常，炉辊表面温度低于炉内带钢温度，如果炉辊输送的是热处理过的窄钢带时，炉辊中部由于受到来自钢带的热传递而温度升高，而炉辊两端由于暴露在空气中受到冷却，温度会相对较低。在这样的情况下，如果炉内带钢切换为宽带钢时，宽带钢的两端受到炉辊两端温度较低区域的影响而温度降低，造成宽带钢的两端温度会比中心部位低，最大温差能够达到20℃。

经退火炉热处理后的带钢进入锌锅镀锌后还会进行合金化处理，由于带钢在宽度方向上的温度不均匀，会导致镀锌带钢在合金化处理时，极易造成带钢边部合金化不完全、白边、斑迹以及沟槽印等质量缺陷，特别是窄带钢切换为宽带钢时更明显。

合金化热镀锌钢板具有优良的耐蚀性能、涂装性能和焊接性能，已经越来越多地应用于汽车制造上[1]，因此解决带钢宽度方向上的温度不均匀问题已十分迫切，它直接关系到产品质量以及生产成本。

本文所论述的诱导加热技术，能够有效控制带钢入锌锅前宽度方向上温度均匀性，可将带钢中部温度与两端的温度差精确控制在±5℃以内，消除因带钢中部温度与两边温度差较大引起的带钢边部合金化不完全、白边、斑迹以及沟槽印等质量缺陷。

1 诱导加热技术的基本原理

1.1 诱导加热辊的结构

如图1所示，辊体内部安装有感应加热线圈，感应加热线圈固定安装在中心轴上，中心轴两端靠轴承支撑，轴承固定安装在炉辊两侧的中间轴内部，当带钢在辊体上经过时，驱动轴由减速电机驱动，使辊体绕中心轴转动，即炉辊辊体处于转动状态，感应加热线圈及中心轴处于静止状态。

图1 诱导加热辊结构示意图

感应加热线圈分为线圈A-1、A-2和线圈B-1、B-2，分别控制辊身最外侧和次外侧的温度（也可根据带钢被加热的宽度安装不同数量的感应加热线圈），感应加热线圈的加热功率根据机组的速度、带钢的规格、待加热温度等参数确定。

由于感应加热线圈始终处于450～500℃的高温环境，同时其在工作过程中也会产生大量热量，因此诱导加热辊还需配置循环冷却水站，用于感应加热线圈的冷却。如图1所示，中心轴的一端由操作侧伸出炉辊外部，中心轴的内部为中空结构，用于冷却感应加热线圈的内循环冷却水由此接入和排出。

循环水站内部的循环冷却水要求采用软水，通过循环水泵实施强制循环，每个感应加热线圈的供水流须保证12～15 L/min，进水温度不超过40℃，以保证其使用寿命。

1.2 诱导加热辊的加热原理

如图2所示，交流电流被供给感应加热线圈时，感应加热线圈会产生磁通量，根据感应加热原理，由于该磁通量的作用，感应电流被感应到与感应加热线圈相对的炉辊壳体的内侧，其电阻热会使炉辊壳体自身发热。

图2 诱导加热辊加热原理示意图

1.3 诱导加热辊的温度控制原理

布置在辊体内表面的热电偶可以准确测量与辊面接触的带钢表面温度，一般热电偶布置的位置为中心线处一个，两侧边部各一个或者两个（也可以根据实际情况确定），用于测量带钢中间与两端的温度。热电偶的补偿导线固定在辊体内壁上并引至炉辊头的滑环上，再通过滑环接入炉辊的温度控制系统。具体的控制原理如图3所示。

图3 中所述：

（1）辊子表面需要加热的设定温度以SV表示；SV值为带钢中部检测值。

（2）辊子表面实际测量的温度以PV表示；PV值为带钢两端检测值。

（3）信号处理单元将检测的温度转换为测量值。

（4）PID（比例积分微分）控制器可对辊子温度进行精确控制；输出量为加热功率调节量。

（5）加热功率调节量用于设定加热功能调节单元的输出功率。

（6）加热功率调节单元用于输出给感应加热线圈所需的功率。

（7）热电偶用于测量炉辊表面的温度，并反馈给信号处理单元进行信号转换。

（8）加热线圈用于对炉辊进行表面感应加热。

（9）炉辊即加热被控对象。

（10）Smart回路诊断功能用于诊断回路是否存在异常，如MV加热功率量不断上升，但辊子表面温度PV值没有上升到一定程度时会及时输出诊断输出信号。

（11）回路诊断输出信号达到设定值时，连锁加热功率调节单元停止工作，用于保护设备。

1.4 安装位置确定原则

诱导加热辊的安装位置一般在进入锌锅前带钢经过的最后几根炉辊,一般选取包角较大且靠近锌锅的炉辊。

如图4所示，带钢经热处理炉进行热处理后，通过若干炉辊转向进入炉鼻子内，然后进入锌锅，经过沉没辊，实现镀锌功能，然后再进行后续的合金化处理，由于炉辊包角较大且靠近锌锅，因此被确定为诱导加热辊。

图4 诱导加热辊安装位置示意图

2 实施例

国外某热镀锌退火炉，带钢规格为厚度0.8 mm×宽度1 200 mm，通板速度120 m/min，加热辊直径Φ1 000 mm，辊面长2 100 mm，设置位置的炉内气氛温度为450℃。

炉辊感应加热的加热功率为350 kW；测温热电偶设置3处，中心线处一点，距离中心线两侧800 mm处各一个；锌锅温度460℃。

比较例是诱导加热辊关闭加热功能，仅使用热电偶检测情况下的生产情况，可以看出带钢中部与边部始终存在一个约15～20℃之间的温差，带钢边部低于中部温度。从镀锌经合金化处理后，看到带钢边部明显有白边现象。经过对带钢表面铁含量检测，白边处带钢表面锌层铁含量都小于9%，中间正常部位的铁含量大于9%，且颜色正常。

从热镀锌合金化产品的特点来看，带钢温度偏低，合金化不充分，铁含量降低，也容易显现出白边缺陷。一般判定标准：带钢表面锌层铁含量大于9%，判定合金化完全。

从使用本技术的实施例来看，当检测到带钢宽度方向上的温差后，投入感应加热功能，带钢中部温度与两侧温度基本都控制在10℃的温差范围，外观无白边发生，铁含量均在9%以上，合金化充分完全。具体数据如表1所示。

表1 诱导加热技术实施前后数据对比

3 结语

用于带钢宽度方向温度均匀性控制的诱导加热辊技术在钢铁行业来说属于相对前沿的技术，在国内各大钢厂几乎没有应用实绩。

随着冷轧高强钢技术的不断发展，以及合金化热镀锌钢板的在汽车行业的日益广泛应用，对于带钢的温度控制要求也会越来越高，因此诱导加热辊技术将会在国内逐渐推广应用。