夏小明，孫明軍，羅桂梅，何光鍵，周心富

（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司 熱軋板廠，南京 210039；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司 技術中心，南京 210039；3.上海梅山鋼鐵股份有限公司 設備部，南京 210039）

熱連軋板坯在爐內加熱溫度達 1200 ℃左右，加熱時間通常為 2～3 h[1]，在此過程中，板坯表面會與爐氣中的氧發(fā)生強烈氧化反應，生成大量氧化鐵皮，平均燒損達1%以上[2—4]，降低了成材率。另外，加熱過程中，金屬基體與氣氛之間發(fā)生化學反應，還會導致脫碳、各元素貧化等問題[6]，這是因為爐內氧化性氣氛與金屬基體表層中的碳相互作用，形成碳的氣態(tài)氧化物而逃逸造成的。脫碳層比基體軟，易變形，易產(chǎn)生裂縫，從而導致材料的屈服強度與抗拉強度下降[7—9]，高碳鋼、彈簧鋼尤為明顯[10]。

減少板坯在加熱爐內燒損的方法多種多樣，板坯表面噴涂技術是有效的方法之一[11]，即將涂料噴涂在板坯上下表面，然后將板坯送入加熱爐加熱，因涂料的保護作用而降低了板坯在爐內的氧化燒損，從而提高了金屬的收得率[12]。為了抑制鋼坯表面氧化，從20世紀五六十年代開始，人們就開展了大量研究工作，有些先進生產(chǎn)廠采用自動調整加熱爐內燃氣組分和加熱工藝來實現(xiàn)鋼材的無氧化加熱[13]，由于此方法實現(xiàn)起來難度較大，從而轉向其他途徑，防氧化涂料方案即是其中之一。該方法是在板坯裝爐前，在鋼坯表面噴涂一層涂料，板坯在加熱時形成高溫防氧化涂層，使爐內氧與板坯基體隔離開來，從而達到降低爐內燒損的目的。

1 表面噴涂系統(tǒng)及原理

1.1 噴涂系統(tǒng)組成與功能

噴涂系統(tǒng)主要由五部分或五個子系統(tǒng)組成（如圖1所示）：涂料存貯攪拌系統(tǒng)、涂料壓力輸送系統(tǒng)、管路和噴嘴清洗系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及輥道線上部分。

涂料存貯攪拌系統(tǒng)主要用于涂料儲存。涂料具有很高的固含量（65%左右，比重 2左右），僅僅靠懸浮劑的作用難以保證長時間懸浮不分層[14]。攪拌罐配備可控時間的攪拌系統(tǒng)，如每隔5 h攪拌10 min，可避免涂料體系在應用過程中因分層而造成成分不均的問題。同時，為了避免涂料中的一些大顆粒沉淀物或外來大顆粒雜質堵塞系統(tǒng)，故在攪拌罐出料口處設計了過濾網(wǎng)。

涂料壓力輸送系統(tǒng)采用了相對成熟的雙缸陶瓷柱塞泵送系統(tǒng)[15]，通過壓力傳感器控制泵體緩沖罐內壓力在設定范圍內波動，且泵體工作壓力僅與緩沖罐壓力的大小有關，與噴涂是否正在進行無直接關聯(lián)。噴涂系統(tǒng)壓力下降，泵體會自動補充壓力，從而保證噴涂壓力的穩(wěn)定，同時延長了泵體的壽命。

噴嘴及管路清洗系統(tǒng)由水泵、給水閥、給氣閥、管路清洗閥、過濾器清洗閥、排水閥等組成。每完成一塊坯的噴涂，噴涂閥切換，涂料回流，氣水交替清洗噴嘴[16]。當管路過濾器堵塞，即壓差過大，過濾器清洗閥自動切換進行清洗。當攪拌罐涂料使用完或故障報警，整個管路自動清洗，清洗的污水由單獨的排水管排出。考慮到多處管路的閥門開停切換和組合切換，需要保證閥門的關停質量，以防水、氣、涂料在管路間互串。

電控系統(tǒng)主要包括檢測與控制單元。檢測單元包括壓力傳感器、流量計及輥道線上信號檢測。該單元檢測的信號反饋到控制單元進行處理，實現(xiàn)噴涂的自動化?？刂茊卧?PLC控制器及開關量和模擬量模塊、觸摸屏、接觸器、繼電器、變頻器、空開、電源等。它是噴涂系統(tǒng)的核心，保證噴涂系統(tǒng)自動穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)輥道線上部分是噴涂得以實現(xiàn)的主體，這部分包括信號檢測、鐵皮吹掃、噴涂、廢料收集等。信號檢測采集三個信號：一是使用耐高溫的光電開關監(jiān)測來料信號，用來控制噴涂啟停；二是溫度傳感器監(jiān)測坯料溫度，用來識別是否噴涂；三是坯料寬度檢測，用來確定噴涂范圍。鐵皮吹掃是在噴涂前對鋼坯上下表面進行清理，先采用鋼絲滾刷轉動刷掃，再用風機通過風管吹掃。只有清理干凈鋼坯表面，才能保證噴涂效果。噴涂單元主要由噴涂組合閥、噴嘴基座、導流體、噴嘴及水、氣、料管組成。涂料和氣在噴嘴混合后呈扇形噴出，噴嘴的間距和角度直接影響噴涂的均勻性。

1.2 噴涂系統(tǒng)工作原理

當光電開關檢測到鋼坯、測溫儀檢測到表面溫度不高于300 ℃時，即發(fā)出噴涂信號，開啟噴嘴，PLC控制各路閥門開關，實現(xiàn)輥刷動作及吹掃，涂料從攪拌罐沿管路送達柱塞泵，柱塞泵將涂料經(jīng)輸送管路壓送到噴嘴進行噴涂。當不符合噴涂條件時，柱塞泵壓送涂料經(jīng)回流管路返回到攪拌罐。涂料使用完時，系統(tǒng)報警，自動清洗整個管路，然后停機。如果一塊板坯噴涂過程中收到暫停信號，判斷暫停時間是否超過10 min，不超過則繼續(xù)噴涂，否則噴涂就中斷，進行噴嘴清洗。噴嘴清洗后，還要判斷系統(tǒng)壓力是否在正常范圍內，如超出范圍，則進行管路清洗，否則，進入正常料劑循環(huán)工作狀態(tài)。詳細工藝流程見圖2。

2 調試過程中的問題及解決方法

由于至今無專業(yè)涂料噴涂系統(tǒng)設備生產(chǎn)廠，所以采購的設備難免會存在各種各樣的問題，在近20個月的設備調試過程中，邊調試邊改進，共改進36處，使設備或控制基本處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。主要優(yōu)化設備及控制方法如下。

2.1 供料動力泵磨損

供料動力泵原設計為齒輪泵，齒輪泵的優(yōu)點是體積小，壓力平穩(wěn)，維修更換方便，但齒輪、泵體和密封的耐磨性無法達到使用涂料的要求?，F(xiàn)已改用陶瓷柱塞泵，并新增了水冷、儲壓裝置、防泄漏水池及自動排水系統(tǒng)，增加了運行的平穩(wěn)性。

2.2 輥刷清理效果差

輥刷電機動力偏小，時常出現(xiàn)堵轉等問題，導致鋼坯表面氧化皮清理不凈，影響了噴涂效果。改進后功率由原3.5 kW增大到5.5 kW，長期運行，一直較為平穩(wěn)。另外，原輥刷采用細鋼絲，在使用過程中碰到高溫坯會變形，影響清理效果，后改用鋼絲繩，不僅延長了使用壽命，而且還提升了清理效果。

2.3 防塵罩掉落

生產(chǎn)過程中，鋼坯在輥道上有時會偏離中心線運行，撞擊側導板后造成防塵罩脫落。故將側導板本體增加了一喇叭口段，同時對防塵罩進行了加固處理，至今未再出現(xiàn)掉落。

2.4 密封件泄漏

噴涂組合閥控制水、氣、料三路的開關，使用頻率高，對密封的要求也高，設備投用初期，時常發(fā)生泄漏?，F(xiàn)噴涂組合閥采用硬密封和密封圈相結合，當密封圈損壞時，還有第二層硬密封保護，再加上定期維護，基本解決了密封泄漏問題。

2.5 涂料浪費

由于涂料的特性，每塊鋼坯噴涂完成后必須清洗。清洗部分主要是連接噴涂組合閥和噴嘴的管路，原每條管路為平均長5 m、管徑6 mm的軟塑料管，高溫烘烤易變形爆裂，造成涂料泄漏，同時因管道長，一次清洗浪費約4 kg涂料。經(jīng)過改進，管路長度平均縮短到0.2 m，減少浪費達96%。材料由軟塑管改為內徑為5 mm的銅管，再也未發(fā)生過爆裂。

2.6 鋼坯在噴涂區(qū)域內停留

由于生產(chǎn)線的上料輥道長度短，為了不影響上料節(jié)奏，無論板坯是否噴涂，都需要在該區(qū)域停留，極端情況下會停留數(shù)小時。這就導致了兩個問題：一是無需噴涂的高溫坯烘烤導致噴槍變形，輥刷電機時常燒壞；二是需要噴涂的板坯在區(qū)域內停留，重新啟動噴涂時，易造成噴涂不均，嚴重時導致板坯在爐內加熱不均，最終導致中間坯實測溫度曲線中有一V字型溫降，最大溫降達64 ℃（如圖3a），給軋線生產(chǎn)帶來新的問題。針對第一個問題，噴槍部分采取水冷循環(huán)，輥刷電機采用隔熱處理即可得到解決。對于第二個問題，通過延遲溢流閥關閉0.5 s，即可將噴涂系統(tǒng)壓力維持在0.3 MPa之內，從而保證涂層厚度的均勻性，實現(xiàn)完整噴涂和銜接，同時解決了因停留啟動瞬時涂料變厚而導致板坯在爐內加熱時導熱性差的問題。圖3b為優(yōu)化控制邏輯后噴涂后中間坯實測溫度曲線，溫度波動為15～20 ℃。

3 應用效果

3.1 噴涂前后氧化鐵皮厚度比較

針對同計劃的同一爐鋼，一塊噴，一塊不噴，再按照通常的加熱工藝燒鋼，出爐后回板坯庫，即出爐后不除鱗，放在板坯庫冷卻，然后檢測氧化鐵皮的厚度（共9個點），如表1。相關條件相同時，是否噴涂對氧化鐵皮厚度影響達0.52 mm，折算成質量后，爐內燒損率可下降0.41%。

3.2 噴涂前后批量成材率比較

選取2772塊鋼，含54個鋼種，其中噴涂1113塊，未噴涂 1659塊，統(tǒng)計結果見表2，噴涂比未噴涂成材率提高了0.27%。對比生產(chǎn)量最大的三個鋼種，計算加權平均后，成材率可提高0.38%。

3.3 噴涂所耗涂料

經(jīng)流量計測量，噴涂時的流量為1 m3/h，按其密度計算相當于1800 kg涂料，每秒噴涂量為0.5 kg。一塊鋼坯噴涂約需10 s，用料約5 kg，按鋼坯每塊平均15 t計算，噸鋼消耗用料為0.33 kg，比手工噴涂消耗（0.6 kg/t）減少近一半。

表1 噴涂與不噴涂板坯氧化皮厚度比較Table1 Scale thickness comparison between with spraying and without spraying

表2 噴涂與不噴涂批量成材率對比Table2 Lot yield comparison between with spraying and without spraying

4 結論

噴涂坯的成材率可提高 0.38%，超過預期的0.25%。噸鋼涂料消耗可控制在0.33 kg內，遠低于手工噴涂消耗的0.6 kg。這說明通過優(yōu)化噴涂設備結構、材質及工藝，能夠實現(xiàn)自動噴涂，所獲得的涂層均勻，且涂料用量少，同時提高了成材率。