全氢罩式退火炉安全控制.doc

全氢罩式退火炉安全控制

1概述
强对流全氢罩式退火炉（以下简称全氢罩式炉）是在原低氢罩式炉的基础上于70年代发展起来的，具有低能耗、高效率、退火产品品质优良等众多特点。国外在1984年开始大量应用于宽带钢卷的退火，至今已有近千座全氢罩式炉在世界各地建成。在奥地利的奥钢联、德国的克勒克纳冷轧厂和蒂森冷轧厂、美国的l－TV钢厂和USX钢厂等钢铁企业中，都可以见到正在工作的全氢罩式炉。
直到80年代末、90年代初，全氢罩式炉这项先进的生产工艺才随着国外生产工艺、控制技术的成熟逐步引进到国内，并迅速得到推广。国内已有鞍钢、武钢、本钢、上海益昌冷轧薄板厂、海南鹏达冷轧薄板厂等单位先后引进、建成了全氢罩式炉，生产、使用情况良好。近年建设或改造的冷轧薄板厂正在大量采用全氢罩式炉，原有的低氢罩式炉正面临被全氢罩式炉替代的局面。
全氢罩式炉的安全性是至关重要的，这主要是由干在退火过程中采用了易燃、易爆的氢气充当退火产品的保护气体和热传导体，稍有不慎即有可能发生着火或爆炸事故。如果没有可靠的安全保障措施，即控制系统没有完善的控制策略，不仅全氢罩式炉的生产不能进行，而且还有破坏整个生产设施的可能。本文针对全氢罩式炉保护气体应用的安全性，介绍全氢保护气体控制过程的安全控制策略，以增强对这－问题的认识。
2全氢罩式炉设备及工艺过程简介
全氢罩式炉是用来消除由冷轧变形而使带钢产生的内应力的一种处理装置。通过使带钢升温、保温、降温的过程进行带钢的再结晶退火。
一座全氢罩式炉的基本设备包括：
（1）一个带有底部循环风机的炉台及其附属介质供给管路。
（2）一个底部敞开、其余封闭焊接成整体的保护罩（以下简称内罩）。将它扣在炉台上即与炉台构成一个封闭的小空问（以下简称退火空间），退火带钢就置于退火空间之中。在退火过程中，退火空间即充满纯氢气以保护带钢在高温下不至干氧化。
（3）一个制成罩形的加热装置（以下简称加热罩）。加热罩扣在内罩之上，两罩之间形成一个燃烧室，燃料在此燃烧，热量通过内罩传递到退火空间内。
（4）一个制成罩形的带冷却风机的冷却装置（以下简称冷却罩）。
（5）一套快冷装置。这种装置有两种，一种为在冷却罩内向内罩喷水的喷淋冷却装置，一种为将保护气体循环通过换热器进行快冷的底部循环快冷装置。
（6）一套全氢罩式炉过程控制系统。
全氢罩式炉一个生产周期包括：装带卷、扣内罩；退火空间冷密封试验；氮气吹扫；扣加热罩加热；带钢保温；退火空间热密封试验；加热罩吊走和扣冷却罩进行风冷；快速冷却；退火空间氮气后吹扫、吊走冷却罩；吊走内罩和带钢。
3典型炉型的保护气体安全控制策略
在一般情况下，空气中氢气的爆炸浓度为4％～72％，且着火点很低。因此，安全使用全氢保护气体进行退火生产的核心就是让氢气和氧气隔离或使混合气体无法达到爆炸浓度。
全氢罩式炉使用含微量氢气的氮气作为氢气和氧气的隔离气体。在正常情况下，这种氮气仅用来吹扫退火空间。只有在故障处理等不得已情况下才用这种氮气对退火空间进行事故吹扫或充当保护气体继续完成退火过程。
全氢罩式炉在其过程控制系统监控下按固定的操作次序一步一步自动完成退火全过程，仅在吊扣加热罩、冷却罩时需等待人工操作，通常情况下，过程控制系统通过不断的测试和监控保证整个退火过程安全进行。一旦发现不正常现象出现，控制系统即刻按照预先编制的处理程序一步一步使过程转为正常或安全停机。
根据快速冷却工艺方式的不同，目前世界上流行两种全氢罩式炉，以奥地利EBNER公司为代表的采用冷却罩喷淋快冷方式的全氢罩式炉（以下简称EBNER型炉）其保护气体系统流程见图1；以德国LOI公司为代表的采用底部循环快冷方式的全氢罩式炉（以下简称LOI型炉）。
在一个炉台正常的退火周期中，保护气体的充入和排出包括下列步骤：
（1）氢气进口阀的泄漏性试验。这是为了测试两级氢气电磁阀是否具有良好的关断性能，每个退火周期开始时必须进行一次这种测试。EBNER型炉是向两级电磁阀17a、b和c之间充入隔离氮气并测量压力能否被保持来判断电磁阀是否关断良好。隔离氮气压力比氢气压力高，这种测试随时都可进行。如果氢气进口电磁阀有泄漏，炉台就不能投入工作。EBNER型炉还用隔离氮气封堵两级氢气电磁阀。
（2）退火空间冷态密封试验。这是在全氢罩式炉装完钢卷扣好内罩后进行的，它测试退火空间是否有效地与外界隔离，其方法是打开氮气阀（如图1中的阀15）向退火空间充入一定压力的氮气，然后关闭所有进气阀、排气阀，通过压力开关（如图1中的7）测量退火空问内能否在一定时间内保持压力。如果测试不能通过，则发出警报，炉子不能进行退火过程，必须人工处理后再进行泄漏试验。
（3）退火空间氮气吹扫。这是将退火空间的氧气吹出去。这个过程既要保证一定的吹气量，又要保证一定的吹气时间，吹气量、吹扫时间是通过计算和试验确定下来的。EBNER型炉分大流量、小流量等几种方式吹扫。这个过程必须保证将退火空问的氧气降低到一个很低的浓度。
（4）退火空间充入氢气及吹扫。氮气吹扫结束后即可向退火空问充入大量纯氢气，整个退火过程即可在全氢的保护气体情况下进行。所谓氢气吹扫就是要把在加热过程中带钢残留乳化液的汽化物带出退火空间，这个过程的时问长短取决于工艺要求。吹扫用氢气量的大小也可以分档调节。排出的氢气可以放空也可以送到加热罩烧掉，而且氢气排出管一般单独设立。
（5）在整个用氢气退火的过程中，退火空间的压力不中断地受到监控。因为压力太高容易导致设备损坏和密封被破坏，也表示有设备工作不正常。压力太低容易因某种干扰使其变成负压而吸入空气产生危险或表示发生了泄漏。EBNER型炉采用一组压力开关5、6、7监控退火空间压力，可监控6个压力值。一般来说，在整个退火周期中，氢气供给阀总是打开的，而氢气排出阀根据要求有时开、有时关。当退火空间压力降低到一个预定值时，控制系统自动关闭正打开的气体排出阀，以期待压力回升后再继续退火，如果压力继续下降到报警值时，控制系统则自动关闭全部排出阀和氢气进口阀，打开氮气进口阀向退火空间充氮气。如果压力恢复则可继续通入氢气退火。如果在给定的时间内压力不能恢复，则发出报警信号并用大流量氮气吹扫退火空间。如果退火空间压力升高，则关闭气体进口阀、打开排出阀直到压力恢复再按程序继续退火。如果压力继续升高到报警值，立即发出报警信号。如果这个压力保持的时间超过设定的时间值时，控制系统就自动关闭加热系统，退火过程中断，这时就需要操作人员处理故障后启动系统。

（6）加热结束前退火空间要进行一次热态密封试验。热态密封试验主要是为了检验内罩经过加热过程是否出现了破损。因为在冷却过程中，退火空间的气体降温、体积缩小，如果退火空间密封不严则有可能吸入空气，这比加热时如果密封不严而泄漏氢气到燃烧室中要危险得多。热态密封试验和冷态密封试验方法基本相同，只是测试气体为当时用的保护气体（一般为氢气）。另外测试时应尽量保持加热功率稳定以克服产生的影响。如果测试不能通过，则控制系统发出报警信号，通知操作人员处理。因为热态密封试验不能通过也有可能是由干加热系统故障或其他干扰造成的。必要时可人工再启动作一次热态密封试验，然后根据情况选用氢气或氮气充当保护气体继续完成冷却过程。一般在热态密封测试的同时还要对氢气进口阀进行一次泄漏试验。
（7）冷却过程结束后，退火空间还要进行氮气后吹扫。目的就是用氮气将退火空间的氢气吹扫出去。氮气的吹扫时间、吹气量同样要有严格的保证，否则就不能吊走内罩。
在退火过程中，如果出现阀门或其他设备的故障，全氢罩式炉控制系统可以在上述一系列测试中发现异常现象而做出及时的反应。对于控制系统本身1／O接口出现故障，罩式炉控制装置的自检功能会发出警报，现场控制设备则尽量保持原状，操作人员能很快更换上备用设备，退火过程即可继续进行。
对于氢气、氮气供给，全氢罩式炉控制系统有专门的功能来监控。如果氢气源出了故障则用氮气充入退火空间保持全氢罩式炉群处于安全状态，并报警等待氢气恢复。如果是氮气源出了故障，则报警并用球罐内储存的氮气维持生产。EBNER型炉控制系统还有一套炉群控制联锁功能，在氮气源故障由球罐供应氮气时，如果氮气储量低于一定值，则自动停止启动新的炉台退火过程以保证已经生产着的炉台能安全运行下去。
如果在退火过程中突发全厂停电事故，全氢罩式炉控制系统输出全部复位，除了特别选定的氮气供给常开阀（ENBER为15）打开外，所有阀门均会关闭，氮气就会进入退火空问。由于氮气密度比氢气大，氮气会在退火空间的下部顶住氢气不会泄漏到内罩之外。EBNER型炉的隔离氮气电磁阀11也是常开阀，隔离氮气通过这个阀可以把氢气电磁阀17也给封堵严密，防止氢气泄漏。如停电时间过长，则可由操作人员手动打开气体排出阀，一炉一炉用氮气吹扫退火空间。但在正常情况下这种操作是不允许的。因为开出口阀的联锁条件不满足，控制系统立即会由于生产状态的变化（如炉压可能降低）而启动相应的控制策略使退火过程中断。
4 结束语
全氢罩式炉保护气体安全控制策略是全氢罩式炉控制系统中极为重要的控制功能，是工艺控制功能不可缺少的补充。安全控制策略已趋向成熟，全氢保护气体在全氢罩式炉中应用的安全性已经有了可靠的保证。
可靠的设备、完善的过程系统设计、严格的安全操作规程是安全生产的三大重要固素。不安全的操作，在全氢罩式炉这样的机组生产过程中是应该绝对禁止的。这种不安全的操作主要是指在各退火步骤中人为手动操作各种供气阀门或对有故障的阀门手动开关操作。对于全氢罩式炉这种周期性生产的机组来说，一旦发现故障，控制系统就应根据安全的要求让退火过程停下来，以供操作者排除故障，绝对不应该让设备带故障运行。EBNER公司的控制系统就没有在仪表室内操作盘上给保护气体供给系统的备个阀门提供任何手动操作开关、按钮，这些阀门必须在控制系统的自动控制下开关。所谓手动退火操作仅指退火步骤的手动切换，而且是有条件的，一般不会用到，只是在退火过程中排除设备故障后继续退火时才可能运用。因此，过程控制系统手动操作功能的设置和可达到的手动操作程度在过程控制系统设计时一定要仔细考虑，不是所有的工艺过程都适合人工手动操作的。

（编者：曹丰平）