取向硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况的监控方法与流程

本发明涉及一种气体走向和分配情况的监控方法，尤其涉及一种炉内气体走向和分配情况的监控方法。

背景技术：

取向硅钢脱碳退火工艺的主要目的是脱碳降低带钢中的碳含量以消除成品磁时效、控制一次再结晶晶粒尺寸以及控制带钢氧化膜结构。其中带钢表面的氧化膜结构将直接影响最终成品的底层质量，而带钢表面的氧化膜结构主要通过脱碳退火炉中的保护气氛，结合一定的退火温度及退火时间等控制。在退火炉结构及退火温度工艺等确定以后，产品的底层质量主要受炉内保护气氛影响，炉内露点分布状况将直接决定带钢表面氧化膜结构，进而影响产品的最终底层质量。

目前，取向硅钢脱碳退火工艺通过取向硅钢脱碳退火炉实现。取向硅钢脱碳退火炉包括入口段和出口段，还可以包括与出口段连接的其他段。所述入口段和出口段均包括进气口和排气口。取向硅钢脱碳退火炉主要采用一定比例的氮、氢气体从进气口通入炉内入口段和出口段并从排气口排出以形成保护气氛，通过加湿器及炉内隔离装置控制炉内露点分布，辅以炉内露点检测以及炉压检测装置等监控。正常情况下，通入炉内的气体需要按照一定的分配比例，分别在入口段和出口段内稳定流通(气体通入和排出达到平衡)，以达到炉内气氛按照露点分布等既定目标稳定控制的目的。由于脱碳退火结束炉段还与其它炉段相连，同时受加热炉炉内温度场波动、露点检测及控制精度等影响，实际炉内露点分布时常出现与目标不一致且无法有效识别的情况。出现这类问题的根源在于炉内气体的走向与分配出现偏差，甚至出现因炉压控制不合理或隔离段隔离效果不佳，致使出现炉内不同段炉气倒灌的情况。目前，除了炉压检测及炉内气体分析检测等手段外，尚无其它有效识别炉气走向的有效方法，至于具体的炉气走向分配，更是缺乏有效手段监控。

通过对文献和专利的检索，与取向硅钢生产脱碳退火炉炉内气体走向分配监控或计算等相关的专利及文献包括：公开号为cn101988152a，公开日为2011年3月23号，名称为“连续退火炉炉内气体清洁度检测方法”的中国专利文献公开了一种连续退火炉炉内气体清洁度检测方法，其通过计量泵炉内抽气离线分析炉气颗粒物比例，确定炉气清洁度；公开号为cn202595220u，公开日为2012年12月12号，名称为“一种连续退火炉气氛露点控制装置”的中国专利文献公开了一种连续退火炉气氛露点控制装置，其通过pid精确控制通入炉内的水量达到控制露点的目的。上述专利主要涉及通过检测炉内实际气氛，再反馈控制炉内气氛，但均未涉及如何监控具体炉内气体走向与分配。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种取向硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况的监控方法，通过该方法可以对硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况进行监控，从而使得通入炉内的气体按照一定的分配比例，分别在入口段、出口段内稳定流通，以达到炉内气氛按照露点分布等既定目标稳定控制的目的，从而提升产品的底层质量。

为了实现上述目的，本发明提出了一种取向硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况的监控方法，所述取向硅钢脱碳退火炉包括入口段和出口段；其特征在于，包括步骤：

确定通入取向硅钢脱碳退火炉的入口段和出口段的气体的物质的量n：

其中：入口段和出口段具有n个进气口，ni表示从第i个进气口通入的气体的物质的量，其单位为mol；pi表示从第i个进气口通入的气体的压强，其单位为pa；ti表示从第i个进气口通入的气体的温度，其单位为k；vi表示从第i个进气口通入的气体量，其单位为m³/h；εi表示从第i个进气口通入的气体的含水率，其单位为％；

确定取向硅钢脱碳退火炉单位时间内的脱碳量tc：

tc＝q×(c入-c出)×10^-6

q＝v×60×w×h×ρ

其中，q表示单位时间内的通钢量，其单位为吨；v表示带钢速度，其单位为m/min；w表示带钢宽度，其单位为mm；h表示带钢厚度，其单位为mm；ρ表示带钢密度，其单位为吨/m³；c入表示取向硅钢脱碳退火炉入口处的带钢碳含量，其单位为ppm；c出表示取向硅钢脱碳退火炉出口处的带钢碳含量，其单位为ppm；

采用气体分析仪分别测量取向硅钢脱碳退火炉入口段气体中的co和co2的体积比例和(pco+pco2)入以及出口段气体中的co和co2的体积比例和(pco+pco2)出；

根据下述模型公式确定取向硅钢脱碳退火炉入口段气体分配系数λ：

当λ＞1时，判断为发生了炉气倒灌；否则，判断为炉内气流走向正常。

本发明所述的取向硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况的监控方法的总体构思是：基于通入取向硅钢脱碳退火炉的入口段和出口段的气体的物质的量n，以及通入取向硅钢脱碳退火炉的入口段的气体的物质的量n入，得到取向硅钢脱碳退火炉入口段气体分配系数λ，其中λ＝n入：n。根据该气体分配系数λ即可以判断出炉内气体走向和分配情况，确定炉内气流是否顺畅合理，是否出现了炉气倒灌，以对硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况进行监测。同时，可对λ反映的当前的炉内气体走向和分配情况采取相应成熟的技术手段进行控制，使得当前炉内气体走向和分配情况与目标炉内气体走向和分配情况在允许范围内保持一致，表现为将λ控制在允许范围内，从而实现对硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况进行控制。因此，通过该方法可以对硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况进行监控，从而使得通入炉内的气体按照一定的分配比例，分别在入口段、出口段内稳定流通，以达到炉内气氛按照露点分布等既定目标稳定控制的目的，从而提升产品的底层质量。

下面详细介绍本发明的原理：

(一)确定通入取向硅钢脱碳退火炉的入口段和出口段的气体的物质的量n：

其中：入口段和出口段具有n个进气口，ni表示从第i个进气口通入的气体的物质的量，其单位为mol；pi表示从第i个进气口通入的气体的压强，其单位为pa，可通过进气口管道上的压力计测得；ti表示从第i个进气口通入的气体的温度，其单位为k，可通过进气口管道上的测温仪测得；vi表示从第i个进气口通入的气体量(气体量分为干气量和湿气量两种，其中干气量是氢气和氮气的和，湿气量是氢气、氮气以及水蒸汽的和，该值是可以测得的；根据露点分布需求选择通入相应种类的气体量)，其单位为m³/h；εi表示从第i个进气口通入的气体的含水率，其单位为％，根据第i个进气口露点仪检测该处露点dewi并查询相应化学手册确定；r为理想气体常数，通常取8.314j·mol^-1·k^-1。

由于取向硅钢脱碳退火炉密封，且炉内正压，确保了外界环境气体不会漏入炉内，故取向硅钢脱碳退火炉的入口段和出口段中，通过进气口通入的气体的物质的量应该与通过排气口排出的气体的物质的量平衡，因此通入取向硅钢脱碳退火炉的入口段和出口段的气体的物质的量可以反映炉内气体的走向和分配情况。

(二)确定取向硅钢脱碳退火炉单位时间内的脱碳量tc：

tc＝q×(c入-c出)×10^-6

q＝v×60×w×h×ρ

其中，q表示单位时间内的通钢量，其单位为吨；v表示带钢速度，其单位为m/min；w表示带钢宽度，其单位为mm；h表示带钢厚度，其单位为mm；ρ表示带钢密度，其单位为吨/m³；c入表示取向硅钢脱碳退火炉入口处的带钢碳含量，其单位为ppm；c出表示取向硅钢脱碳退火炉出口处的带钢碳含量，其单位为ppm。

通过炼钢成分或脱碳退火前取样分析，可以确定入口带钢碳含量c入，通过脱碳板取样检测可以确定出口带钢碳含量c出，因此单位时间内的脱碳量tc可以直接计算出结果。

(三)采用气体分析仪分别测量取向硅钢脱碳退火炉入口段气体中的co和co2的体积比例和(pco+pco2)入以及出口段气体中的co和co2的体积比例和(pco+pco2)出。

在取向硅钢脱碳退火炉入口段及脱碳退火结束的段末端均设有排气口，用于废气直接排放或燃烧后排放，排气口处设置co和co2检测仪，用于检测入口段及脱碳退火结束的段末端的co和co2的体积比例。

(四)根据下述模型公式确定取向硅钢脱碳退火炉入口段气体分配系数λ：

设通入入口段和出口段的气体中的碳含量总量：t气＝t入+t出，其中，t入和t出分别表示通入入口段和通入出口段的气体中的碳含量总量，其单位为kg，其计算模型为：

t入＝(pco+pco2)入×n入×12×10^-3

t出＝(pco+pco2)出×n出×12×10^-3(1)

其中，(pco+pco2)入、(pco+pco2)出分别表示通入入口段和出口段的气体中co和co2的体积比例和，通过气体分析仪可以确定其体积含量百分比；n入和n出分别表示通入入口段和出口段的气体的物质的量的总量。不考虑脱碳反应所引起的气体物质的量上升的情况下，显然有：

其中，如果炉内气体倒灌，则n出为负值。

由于单位时间内的脱碳量tc与通入入口段和出口段的气体中的碳含量总量t气相等，即：

tc＝q×(c入-c出)×10^-6＝t气＝t入+t出(3)

式(3)结合式(1)和式(2)得到：

(五)当λ＞1时，判断为发生了炉气倒灌；否则，判断为炉内气流走向正常。

当λ＞1时，表示炉气发生了倒灌。

进一步地，本发明所述的监控方法中，当λ≤0.55时，判断为炉气主要从出口段排放，炉内露点相对于最佳值偏低。

当λ≤0.55时，表示出口段炉气分配较大，炉内露点整体偏低。

进一步地，本发明所述的监控方法中，当0.78＞λ＞0.55时，判断为炉内气流走向正常，且气体分配情况最佳。

当0.78＞λ＞0.55时，表示炉内气流走向及分配正常，此时隔墙、炉压、露点分布等正常。

进一步地，本发明所述的监控方法中，当1≥λ≥0.78时：判断为炉气主要从入口段排放，炉内露点相对于最佳值偏高

当1≥λ≥0.78时，表示炉气主要从入口段排放，出口段气体分配较少，炉内实际露点会相对偏高。

本发明提供的取向硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况的监控方法的优点包括：

(1)本发明方法直观，简单易行，可作为监控大生产过程稳定性的手段；

(2)对分析检测等条件要求不高，检测结果的重复性和再现性好，能够有效评估炉内气体走向及分配；

(3)结合在线气体分析仪，可以实时动态评估炉内气体走向分配，结合压力挡板开度反馈控制，易于实现炉内气流的稳定控制；

(4)通过该方法，从目前常规脱碳退火炉配置的检测仪表，即可以计算出炉内气流走向及分配比例，实时监控炉内气氛，对现有设施无改动；

(5)本发明计算简单，操作简便，易于复制,具有较好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明所述的取向硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况的监控方法在一种实施方式下所应用的取向硅钢脱碳退火炉示意图。

具体实施方式

下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的取向硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况的监控方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

图1显示了本实施例的取向硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况的监控方法所应用的取向硅钢脱碳退火炉。

本实施例的取向硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况的监控方法应用于如图1所示的取向硅钢脱碳退火炉，该取向硅钢脱碳退火炉包括入口段1、出口段2以及其他段3，入口段1具有进气口i1和排气口o入，出口段2具有进气口i2～in，其他段3具有排气口o出；本实施例的方法包括步骤：

确定通入取向硅钢脱碳退火炉的入口段1和出口段2的气体的物质的量n：

其中：入口段1和出口段2具有n个进气口ii，i＝1，2……n，ni表示从第i个进气口通入的气体的物质的量，其单位为mol；pi表示从第i个进气口通入的气体的压强，其单位为pa；ti表示从第i个进气口通入的气体的温度，其单位为k；vi表示从第i个进气口通入的气体量(气体量分为干气量和湿气量两种，其中干气量是氢气和氮气的和，湿气量是氢气、氮气以及水蒸汽的和，通过测量得到；根据露点分布需求选择通入相应种类的气体量)，其单位为m³/h；εi表示从第i个进气口通入的气体的含水率，其单位为％，根据第i个进气口露点仪检测该处露点dewi并查询相应化学手册确定；r为理想气体常数，取8.314j·mol^-1·k^-1。

确定取向硅钢脱碳退火炉单位时间内的脱碳量tc：

tc＝q×(c入-c出)×10^-6

q＝v×60×w×h×ρ

其中，q表示单位时间内的通钢量，其单位为吨；v表示带钢速度，其单位为m/min；w表示带钢宽度，其单位为mm；h表示带钢厚度，其单位为mm；ρ表示带钢密度，其单位为吨/m³；c入表示取向硅钢脱碳退火炉入口处的带钢 碳含量，其单位为ppm，通过炼钢成分或脱碳退火前取样分析确定；c出表示取向硅钢脱碳退火炉出口处的带钢碳含量，其单位为ppm，通过脱碳板取样检测确定；

采用气体分析仪分别测量取向硅钢脱碳退火炉入口段气体中的co和co2的体积比例和(pco＋pco2)入以及出口段气体中的co和co2的体积比例和(pco+pco2)出；排气口o入和o出处设置co和co2检测仪，用于检测入口段及脱碳退火结束的段末端的co和co2的体积比例；

根据下述模型公式确定取向硅钢脱碳退火炉入口段气体分配系数λ：

当λ＞1时，判断为发生了炉气倒灌；否则，判断为炉内气流走向正常。

上述实施例中，取向硅钢脱碳退火炉的脱碳退火机组以90m/min的带钢速度v对0.285mm*1105mm的带钢宽度w*带钢厚度h的厚钢板脱碳退火，脱碳退火前后带钢碳含量c入和c出分别为540ppm和22ppm，带钢密度ρ为7.65吨/m³；从进气口ii通入vi的气体量的总和，包括90m³/h的干气量(含水率为0％)和露点温度为70度的630m³/h的湿气量(查表得含水率为33.6％)，其中气体的压强pi为113.8kpa，温度ti为27℃；入口段1和出口段2的co体积比例分别为1.58％和0.12％；入口段1和出口段2的co2体积比例分别为0.17％和0.03％。

基于以上参数，按上述实施例方法计算：

取向硅钢脱碳退火炉单位时间内的脱碳量tc：

tc＝(90*60)*1105*0.285*7.65*(540-22)*10^-6＝6.739kg/h；

通入取向硅钢脱碳退火炉的入口段和出口段的气体的物质的量n：

取向硅钢脱碳退火炉入口段气体中的co和co2的体积比例和：

(pco+pco2)入＝(1.58％+0.12％)＝1.70％

取向硅钢脱碳退火炉出口段气体中的co和co2的体积比例和：

(pco+pco2)出＝(0.17％+0.032％)＝0.20％

基于上述计算结果可以计算得到取向硅钢脱碳退火炉入口段气体分配系数λ：

按上述实施例方法判断取向硅钢脱碳退火炉炉内气体走向和分配情况：

由于0.78＞λ＞0.55，表明炉内气流走向及分配正常。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。