高氢高速喷气冷却技术在汽车板高强钢生产中的应用

摘要：降低车身重量同时提高安全性，是当前汽车板用钢的主要发展方向。在退火过程中投用快冷段高氢功喷射冷技术成为实现高强度汽车用钢的一种途径。通过对热镀锌线快冷段高氢高速喷冷技术的攻关，实现了高氢模式的功能投入及稳定运行，提高了带钢的冷却速率。由于气氛均匀，温度的控制也均匀，带钢板型得到了更好的保障。通过对高氢冷却技术的应用，大大降低了冷却段风机的运转负荷，有效的降低了能源损耗。

关键词：高氢高速；安全保障；控制；节能

随着汽车产业的不断发展，对高强钢的开发一直是钢铁行业探索研究的重要方向。河钢邯钢邯宝冷轧厂连续热镀锌1#线定位于高档家电板以及汽车面板的生产，其退火炉采用高氢保护气体喷射冷却技术提升带钢的冷却速率；此外通过对快冷段移动风箱技术的开发，减少带钢与风箱的距离来增大气体喷射压力，从而增加气体流速，进一步提高带钢的冷却速率，以满足高强钢生产需求。

1 高氢投入的安全保障

氢气作为一种易燃易爆的气体，其爆炸极限在4%～756%，危险性非常高。快冷段要想完成高氢注入，首先就必须保证氢气注入的安全性。由于氢气的易燃、易爆及易泄漏的特点，快冷段循环管道需要有较好的气密性，并且需要独立的监测设备来保证安全。

1.1 膨胀节气密性监测设备优化

为保证膨胀节内压力稳定，及时快速的排查泄漏，在每一路膨胀节氮气注入管道上，都安装有一个压力低报监测器和一个流量高报监测器。由于膨胀节内部压力要高于炉内压力以及標准大气压，当出现泄漏时，必将出现膨胀节内部压力偏低和保压氮气流量增高的现象。

1.2 泄露监测设备投用

为了监测氢气泄漏情况，快冷段的4个循环管道上方分别设有氢气泄露监测设备，并将监测值送到测爆仪柜CEX上。只要任何一处的氢气泄漏量超过3%，CEX进行就会产生报警，并将此信号送到控制系统中，控制系统通过控制逻辑停止高氢注入程序，并启动氢气泄漏紧急处理程序。

2 高氢模式的调试开发

2.1 炉压控制及压力平衡修正

炉内压力的分布情况影响着快冷段氢气向各个区域扩散速度，而炉压的控制是调整各个炉内保护气注入点的注入量来完成的。压力平衡修正即为通过安装在加热炉各区域的压力变送器检测加热炉各区域的炉压，选取最小的压力值与当前操作人员设定的炉压相比较，在此基础上进行流量补偿。该补偿流量是由控制程序中压力平衡PID控制器的输出、区域最大设定流量以及压力修正因数计算所得。

2.2 氢气平衡功能

氢气平衡修正是通过一台氢气分析仪，将炉内各区域的氢气含量测出，通过比较快冷段前后区域的气氛中的氢气浓度，调整各区域炉内气氛的注入量，以达到保证前后氢气含量基本相等，防止氢气通过入口密封辊或炉鼻子溢出，产生安全事故。补偿流量是由控制程序中氢气平衡PID控制器的输出、各区域流量的设定值以及实际值计算所得。

2.3 快冷段内不同浓度的氢气含量对冷却功率的影响

研究表明[1]，带钢冷却效果的决定因素在于对流换热系数和冷却气体温度，其中气体冷却温度取决于水冷换热器的换热效果。而影响对流换热系数的因素主要有导热系数、喷嘴形状、喷嘴间距、喷嘴与带钢表面间距以及气体喷出流速等[2]。带钢的冷却效果取决于对流换热系数，而气体的导热系数对对流换热系数影响极大。与氮气相比，氢气的导热系数极大，大约是其的7倍左右，因此将固定区域内氢气含量提高，是提高带钢冷却速率非常可行的方法。

通过实验检测，在快冷段单独注入20%氢含量相较于退火炉各段整体注入4%左右氢气浓度时，氢气含量并没有增加，但由于快冷段氢气浓度的增加，提高了保护气的对流传热系数，降低了冷却风机的功率。吨钢可降低电耗约12度左右，大幅降低了电耗，节省了生产成本。

通过增加快冷区域氢气含量，快冷段三个区风机转速都有明显的下降趋势。因此，我们可以在保证带钢温度保持不变的前提下，通过增加快冷区域氢气的含量，从而保证产线可以达到一个更高的生产速度。当快冷段入出口之间温差设定固定时，带钢的冷却速率和生产线运行速度成正比。因此，对一种固定规格的高强钢来说，带钢进入和离开快冷段时的板温设定是固定的，当我们进行产线提速的时候，带钢的冷却速率也会提高。

2.4 移动风箱与带钢间距对冷却速率的影响因素

当风机负荷一定的时候，保护气体的喷射压力取决于移动风箱与带钢的间距。保护气体的喷射压力会随着间距的增大而减小，间距的减小而增大。HNX保护气体与带钢之间的传热系数受到保护气体的喷射压力影响明显。间距固定不变时，当HNX保护气体的喷射压力升高，带钢与保护气体之间的传热系数也随之变大。因此，移动风箱与带钢的间距对带钢的冷却速率有直接的影响。间距变小，带钢的冷却速率会随之提升，间距变大，带钢的冷却速率会随之降低。

3 结语

通过对邯宝冷轧厂热镀锌线快冷段高氢功喷射冷却技术的攻关，实现了高氢模式的功能投入及稳定运行，提高了带钢的冷却速率。由于高浓度氢气具有还原性，带钢表面不易被氧化，入锌锅前表面质量得到提升，镀锌后的板面有了明显的提升。实现了DP600+Z、DP780+Z等具有代表性的高强钢批量稳定生产，填补了河北省的相关产品空白。通过对高氢冷却技术的应用，大大降低了冷却段风机的运转负荷，有效的降低了能源损耗。

高氢喷射冷却技术不仅在汽车用高强钢的生产中效果明显，而且应用在其它钢种上时，同样可显著降低冷却风压及冷却功率，减小了因带钢抖动造成划伤的风险且降低了吨钢电耗，有效地降低了生产成本，故高氢喷射冷却技术具有其广泛的推广意义。

参考文献：

[1]赵镇男.传热学[M].高等教育出版社，2008：195.

[2]向顺华，黄霞兰，马建华.带钢连续退火炉中气雾冷却速度的计算[J].宝钢技术，2004（1）：6264.

作者简介：只炜，男，工程师。