高炉煤气余压透平发电装置及电机变频控制系统节能建设项目可行性研究报告.docx
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高炉煤气余压透平发电装置及电机变频控制系统节能建设项目可行性研究报告
高炉煤气余压透平发电装置及电机变频控制系统节能建设项目
可行性研究报告
1、总论……………………………………………………………………1
2、TRT工艺及设备………………………………………………………4
3、电机变频控制系统……………………………………………………18
4、总图……………………………………………………………………24
5、给排水…………………………………………………………………26
6、土建……………………………………………………………………28
7、通风设施………………………………………………………………29
8、电讯设施………………………………………………………………30
9、安全卫生与消防………………………………………………………32
10、环境保护……………………………………………………………37
11、能源…………………………………………………………………39
12、投资估算……………………………………………………………41
13、经济分析……………………………………………………………43
1、总论
1.1概述
某某公司拥有2250m3高炉，现拟定为高炉配套高炉煤气余压透平发电装置，同时对拥有热轧带钢固溶生产线配备电机变频控制系统。
1.2设计依据
⑴福建某某有限公司的委托书。
⑵福建某某有限公司提供的建设地址区域的地形图。
⑶设备生产厂家资料和文件。
1.3工程建设意义
冶金行业是全国最大的能源用户，用电量约占全国总用量的13～15%，而高炉又是钢铁企业的能耗大户，占钢铁企业用电的40%左右。
国内外钢铁企业高炉煤气余压透平运行情况看，节能效率和环保效果良好，经济效益和社会效益显著，不但能回收煤气的余压进行高效发电，而且有效地解决了减压阀组减压时产生的噪音污染和管道振动，对高炉的稳定生产也有益处。
福建某某有限公司现有高炉的煤气净化均采用脉冲布袋干法除尘工艺，干法除尘TRT发电量较湿法提高20%以上，故高炉上建设1套全干式TRT，不但将煤气压力能转换成电能，还可充分利用煤气显热，提高发电效率，降低炼铁工序能耗及成本，减少噪音污染，是一项收效十分显著的节能和环保项目。
1.4工程建设范围
高炉煤气余压透平发电（TRT）成套设施，主要内容包括TRT透平主机和发电机系统、高低压发配电系统、大型阀门系统、液压伺服控制系统、润滑油系统、氮气密封系统、冷却水系统、自动化控制系统，以及TRT主控楼、TRT厂房、煤气管道、支架和操作平台。
热轧带钢和固溶电机变频控制系统对带钢轧制和固溶生产线的电机采用变频器调速。
1.5工程建设指导思想
全干式TRT装置是将透平膨胀机将原来损耗在调压阀组上高炉煤气的压力能和潜热能转换成机械能，再通过发电机变成电能，同时又代替了煤气调压阀组控制炉顶压力，改善了高炉顶压调节品质，更利于高炉生产，又解决了原调压阀组的噪声污染，但TRT仍然是高炉的辅助设施，TRT机组在设计、运行中必须遵循以下原则：
⑴在正常启动、运行、停机过程中，不得影响高炉正常生产。
⑵当TRT机组在运行中发生重大事故而紧急停车时，也不能对高炉顶压造成大的波动。
⑶不能单独向用户供电，只能与工厂电力系统并网运行。
⑷在保证高炉炉况稳定的前提下，争取多发电。
本工程TRT装备标准达到国内先进水平，采用先进实用、成熟可靠的工艺技术，达到最佳的经济效益，建设成投资省、质量好、效益高、能耗低的工程。
1.6工程建设有利条件
福建某某有限公司在高炉建设时已经预留TRT装置所需的场地，高炉炉区总体平面布置合理，水、电条件均具备。
TRT技术已经成熟，设备制造非常可靠。
国内大型设备制造厂既有自己开发研制的自有知识产权的技术，又有引进消化吸收的国外先进技术，有力地保证了TRT设备的质量和技术含量，国内先后投产的上百套TRT装置，绝大部分由国内厂家生产制造，运行良好，并发挥了很好的经济效益。
1.7结论
本项目经济效益较高，社会效益好。
预计达产后TRT年发电量为12231万kwh，扣系统自用电量320万kwh，年可供电量11911万kwh，电机变频控制系统年节电量6970万kwh。
每年可节约折标准煤66084吨，减少二氧化硫产生量为1056吨。
项目达产年新增产值9600.5万元，年平均税后利润4260.19万元；所得税后，项目内部收益率为43.53%，全部投资回收期3.30年（含建设期1年），财务净现值（ic=10%）为19654.73万元，基建借款偿还期为3年（含建设期1年）。
综合分析，本项目在经济上合理，技术上可行，具有良好的经济效益和显著的社会效益，建议抓紧对项目进行立项，争取早日投产。
2、TRT工艺及设备
2.1高炉主要技术参数
表2-1高炉主要生产指标和技术参数
序号
项目
单位
参数值
备注
1
炉容
m3
2250
2
年产炼钢生铁
104t
220
3
综合冶炼强度
t/m3·d
1.4
4
利用系数
t/m3·d
2.8
5
综合焦比
kg/tFe
500
6
焦比
kg/tFe
380
7
煤比
kg/tFe
150
8
渣铁比
kg/tFe
285
9
热风温度
℃
1150
10
炉顶压力
KPa
30～180
11
富氧率
%
3
12
平均煤气发生量
104m3/h
54.3
13
炉顶煤气温度
℃
120～280
14
年工作日
d
355
15
一代炉龄
a
8～10
2.2TRT设计参数
TRT设计参数见表2-2。
表2-2减压阀组前净煤气主要参数
序号
项目
单位
参数值
备注
1
压力
KPa
120～200
2
温度
℃
120～250
3
流量
104m3/h
45～60
4
灰尘含量
mg/m3
≤10
2.3TRT机组主要性能参数
主要性能参数见表2-3。
表2-3主要性能参数
序号
项目名称
单位
设计点
最大点
1
透平入口煤气流量
104m3/h
54.3
60
2
入透平煤气压力
KPa
170
200
3
入透平煤气温度
℃
150
220
4
出透平煤气压力
KPa
10
10
5
透平效率
%
86
86
6
透平功率
KW
14800
16300
7
发电机效率
%
97
97
8
发电机功率
KW
14356
15811
9
入网电压
KV
10.5
10.5
10
炉顶压力波动值
KPa
±4.0
±6.0
2.4TRT系统组成
高炉煤气余压透平发电装置由以下八大系统组成：
⑴透平主机和发电机系统
⑵高低压发配电系统
⑶大型阀门及煤气管道系统
⑷液压伺服控制系统
⑸润滑油系统
⑹氮气密封系统
⑺冷却水系统
⑻自动控制系统
2.5TRT工艺流程
高炉煤气净化采用干法布袋除尘工艺，净煤气温度高，含水量少、含尘量低，由于炉容不大，TRT工艺设计拟采用全量回收法，并选用全干式TRT主机，使高炉所产生的煤气能够全量经过透平膨胀机，TRT装置不仅能全部回收高炉煤气的压力能，还能回收煤气的显热，尽可能多发电。
TRT系统与高炉调压阀组并联布置。
高炉干法除尘净化后的煤气送至余压透平发电系统，在干法除尘系统中已预留透平系统的高压侧（进口）接口，在外部管网调压阀组后亦预留透平系统的低压侧（出口）接口。
透平主机、发电机为高架式，为检修和调试方便，主厂房内配置桥式起重机，厂房侧面设置主控楼，一层为低配室，二层为电缆层和工具间、更衣室，三层为控制室。
工艺过程是由布袋除尘器出来的高压高温、干燥洁净的煤气经电动二次偏心蝶阀、电动敞开式插板阀、快速切断阀进入透平膨胀机，透平的第一级静叶为可调，用其调节进透平机的煤气流量，并用其控制炉顶压力。
通过导流器使煤气转成轴向进入叶栅，煤气在静叶栅和动叶栅组成的流道中不断膨胀作功，压力和温度降低，并转化为动能作用于工作轮（即转子及动叶片）使之旋转，工作轮通过联轴带动发电机一起转动而发电。
叶栅出口的煤气经过扩压器进行扩压，以提高其背压达一定值，然后经排气蜗壳流出透平，进入减压阀组合后的煤气管道。
膨胀后的煤气压力为～10KPa，经过出口煤气管上电动封闭式插板阀接入外部管网；启动时，为控制煤气流量在入口蝶阀旁设1个电动启动蝶阀；当TRT发生故障时，因原有调压阀组不能及时开启，增加1个旁通管，设置一个液动快开阀，在出现重大故障时，紧急切断阀将在小于1s的时间内关闭，此时联锁旁通快开阀（一般约1～4s）打开，使高压煤气短时间内快速泄压至煤气管道低压侧，避免炉顶压力突然升高，同时调压阀组其它阀自动打开，在旁通快开阀慢关时（一般约40s），调压阀组自动阀逐渐开大，自动调节炉顶压力，炉顶压力转至高炉侧控制，使TRT系统安全脱离高炉煤气系统，保证高炉正常运行。
正常运行时，煤气不经过减压阀组，炉顶压力由TRT调节。
2.6透平主机及发电机系统
透平主机系统是TRT装置的核心，包括透平膨胀机和发电机。
2.6.1透平主机
⑴本次设计以国产TRT透平主机为依据，初步拟选用陕鼓集团产品，型号：
MPG18/2.62-150。
⑵透平膨胀机型式：
干式轴流、二级反动式、第一级静叶可调并可实现全关闭、煤气透平膨胀机。
⑶结构特点：
采用大流通面积，低圆周速度，平直粗壮叶型。
⑷透平转数：
3000r/min，允许超速3350r/min（包括发电机转子）。
⑸透平工作转向：
从透平进气端看为顺时针方向。
⑹设计寿命：
主机≥10万小时，透平连续不开盖运行时间≥18个月。
⑺透平主机效率：
≥86%。
⑻透平主机包括机壳、转子、静叶、伺服油缸、危机保安器、轴承箱、盘车装置、密封装置、主油泵、底座和联轴器等部件。
①机壳是透平机最重要的承压件，采用铸造结构，水平剖分，厚中分面法兰，预紧应力螺栓，中分面经过精密加工，以防泄漏。
机壳强度按压力0.30Mpa，温度260℃设计制造，机壳进行水压试验。
机体为机壳和静叶承缸双层结构，变形适应力强。
②转子叶片采用斜棱型纵树叶根，径向插入，隔叶块固定，两级叶片用重熔不锈钢制成，转子动平衡精度为G1级。
③叶型采用TRT专用高效叶型，大弦长、大节距，不易积灰、堵塞、磨损，气体流动性能好，透平出力效率高，第一级静叶可作到全关闭，且启动、调节性能好。
叶片端面加工成以转子为中心的球面，全关、全开转动调节间隙不变，流动效率高。
叶能全关，泄漏量小。
④静叶伺服油缸安装内缸体上，采用双伺服油缸、同步带动调节圈来调节静叶角度，并配有位置传感器及行程开关，确保动作灵敏、可靠性高。
在指令信号电液伺服控制下，自动可调，提高变工况效率，并使炉顶压力保持稳定，效率处于最佳工况区。
⑤主机配有机械式危机保安器，在飞车状态下飞锤飞出，快速打开保安器油门，具有独立性和可靠性。
⑥轴承箱与机壳采用分体结构，轴承采用压力润滑的滑动轴承，轴瓦材质为巴氏合金。
支承轴承采用四油叶轴承。
推力轴承采用金氏贝雷电型，该轴承可以随轴向力的变化而自动调整瓦块位置，保证瓦块间承受载荷的均匀性，具有极高的承受能力。
⑦电动盘车装置安装在转子联轴器端，手动啮合，由防爆电机、齿轮和机械式超越离合装置构成，其工作可靠性高，使用寿命长，当主轴超过一定转数时，自动脱开。
⑧透平轴端密封装置采用充氮式拉别令密封装置，并外加巴氏合金密封，可有效防止煤气外泄，同时减少氮气消耗量，使得氮气消耗量不高于240m3/h。
⑨主油泵安装在透平主机轴端，为1台螺杆式油泵，供机组各润滑点轴承用油。
主油泵与电动辅助油泵之间可实现无扰动切换。
⑩底座采用碳素钢焊接结构的整体型底座，能够承受透平机的静载荷和动载荷并传导到基础上，透平机相对于底座不是绝对刚性固定，是采用以一个死点为定位点，其余沿导向键可在水平轴向自由热膨胀的结构。
⑼主要部件材质
机壳：
QT400-15A；
转子主轴：
25Cr2Ni4MoV;
动叶片：
0Cr15Ni4CuNb；
静叶片：
2Cr13；
底座：
Q235-A；
⑽静叶调节优点
TRT装置是高炉的从属生产设施，直接用其控制稳定炉顶压力，其运行好坏，关系到高炉生产运行，以一级可调静叶开度变化控制煤气进透平流速，可有效保证炉顶压力波动控制在要求范围内。
采用可调静叶机构，它最大的优势是静叶片转动灵活，调节性能好，一级静叶可做到全关，调节范围宽，透平设计点以持续时间最长的负荷作为设计点，在负荷降低或提高时，即偏离设计点，对效率的影响都较小。
2.6.2发电机
发电机包括主、付励磁机、空气冷却器、数字式励磁柜。
⑴发电机型式：
无刷励磁同步发电机；
⑵型号：
QF-18-2型；
⑶额定功率：
18000KW
⑷额定电压：
10.5KV
⑸透平转数：
3000r/min
⑹功率因数：
0.8
⑺频率：
50Hz
⑻采用同轴交流主励磁机的无刷励磁及永磁式副励磁机方式，由于TRT装置发电机运行工况的变化，其励磁调节装置能对发电机实现手动、自动的强励磁及快速灭磁要求，同时具备以下功能，发电机励磁调节系统在高炉工况变化范围内，能使发电机并网前按恒电压自动调节、并网后按恒无功自动调节和恒功率因数自动调节、励磁调节装置具备自身故障报警功能。
采用空气密闭循环冷却，空气冷却器放在发电机基础下部。
⑼高炉煤气余压发电与普通的发电厂差别，一是发电机的出力不能按用电负荷的需要进行调节，而是保证高炉炉顶压力的稳定；二是为避免发电机频繁停车及复风后的重新启动，在高炉短期休风时，发电机须转入电动运行，当高炉复风时，随着风量增大，煤气量及顶压增高，会自动由电动机运行转到发电机运行。
2.7大型阀门及煤气管道系统
⑴入口电动三偏心硬密封蝶阀
该蝶阀安装在TRT入口前，规格为DN2600，PN0.25Mpa，使用温度300℃，密封性能要求高，设备附带防爆型电机。
⑵入口电动敞开式插板阀
该阀安装在TRT入口前，规格为DN2600，PN0.25Mpa，使用温度300℃，电机为防爆型，密封性能要求零泄漏量，作为TRT停机检修切断煤气使用，选用国产设备；
⑶电动启动调节蝶阀
该蝶阀正常工作时启闭时间为20秒，并可做到5秒内全行程快关。
启动阀仅用于透平发电机的启动，一旦透平发电机并网，紧急切断阀全开后即自动关闭。
透平发电机正常运行时此阀处于全关状态，且在紧急切断阀全开到位前不得以任何方式关闭启动阀。
规格为DN800，PN0.25Mpa，使用温度300℃，设备附带调节机构和防爆电控箱，选用进口设备；
⑷液动快速切断阀
快速切断阀1台，规格DN2600，PN0.25Mpa，使用温度300℃，可实现快关，与危机保安器连锁，具有快关、慢关、慢开以及0～15°范围内游动等功能，在TRT事故状态下，为保护透平主机和发电机，紧急切断煤气时使用，弹簧油缸驱动0.5～0.8秒快关（时间可调），一旦透平危机保安器泄漏管接通，可在短时间内快关。
设备附带液压伺服机构、液压控制系统和防爆电控箱。
在正常情况时，处于失电状态，事故状态处于得电状态。
该阀必须可靠，灵敏度高，选用进口设备；
⑸电动均压蝶阀
该蝶阀规格为DN450，PN0.25Mpa，使用温度300℃，设备附带防爆型电机，安装在快速切断阀旁通管路上。
⑹液动旁通快开调节蝶阀
该蝶阀规格为DN1000，PN0.25Mpa，使用温度300℃，设置在TRT系统旁通管路上，伺服油缸驱动，1～4秒快开（时间可调），在TRT事故状态下，快速切断阀关闭后，防止高炉顶压迅速升高，让TRT高压侧煤气通过旁通快开阀节流泄压至低压侧，在规定的时间1～4秒内，根据瞬时流量自动打开到指定开度。
该阀必须可靠，灵敏度高，选用进口设备；
⑺出口电动封闭式插板阀
该阀安装在TRT出口处，规格为DN3500，PN0.05Mpa，使用温度300℃，电机为防爆型，密封性能要求零泄漏量，作为TRT停机检修切断煤气使用，选用国产设备；
2.8润滑油系统
该系统由润滑油站、主油泵（透平主机带）、高位油箱、机旁润滑油管道及阀门、检测仪表等组成，给各轴承润滑点提供一定量的稀油强制循环润滑。
滑润油站由三螺杆泵（国产）、双联滤油器、双联冷油器和自立式调压阀等组成。
2.8.1系统技术要求
⑴润滑油：
透平油ISOVG46；
⑵油泵出口压力：
0.6Mpa；
⑶主油泵吸程高度：
4.5mmH2O；
⑷润滑油工作压力：
0.2Mpa；
⑸输油量：
1080L/min；
⑹油箱容积：
12000L；
⑺油过滤精度：
20μ；
⑻高位油箱积容：
3000L；
⑼用油量：
12t；
2.8.2高位油箱由不锈钢板焊接的立式圆筒形油箱，安装高度距机组中心5～7m，作为机组因故停电、停机时靠自然位差维持对机组惰走的供油。
2.8.3就地仪表盘设在油站上，设有压力、温度等测点显示。
远传仪表在总管最远处安装压力变送器，作为机组与油站辅泵联锁启动控制信号。
报警值分别暂定78.4KPa和49KPa，实现滑润点进口压力降到78.4KPa报警及辅助油泵自动投入，当油压继续下降到49KPa时，报警及自动停机。
2.8.4透平主机及发电机在正常运转时由主油泵供给，透平机启动或主油泵出现事故时，由润滑油站内的电动辅助螺杆泵供给，同时设有圆形高位油箱向系统供油，以确保透平主机、发电机在停电及事故状态下，为使透平安全停机，靠自然位差维持机组惰走所需润滑油。
2.8.5润滑系统的管路均采用不锈钢管，在各润滑点均设置阀门和油流指标器等附件。
2.9液压伺服控制系统
液压伺服控制系统由动力油站、液控单元、伺服油缸及检测仪表等组成。
液控单元包括透平主机静叶液控单元、入口紧急切断阀液控单元、启动阀液控单元和旁通快开阀液控单元四部分组成，共用1个动力油站。
通过四部分既各自独立又相互联系的液压伺服控制系统，能够实现自动调节，以控制透平平稳升速和控制高炉炉顶压力波动在允许范围内。
2.9.1动力油站由油箱、变量油泵（二台互为备用、国产）、双联式滤油器、电加热器、阀门、连接管道及就地检测元件等组成。
能按系统要求的油流量大小而变量供油，保持供油压力稳定。
当发生停电或者其它故障使油泵不能供油时，能及时发出要求紧急停机信号，并能通过蓄能器向伺服油缸提供足够的压力油（突然停电的事故状态下）使透平主机能安全停止工作。
变量油泵、滤油器均为两台，互为备用，当一台泵有故障时，油压降低，备用泵能自动启动。
2.9.2系统技术要求
⑴润滑油：
透平油ISOVG46；
⑵油压：
12.5Mpa；
⑶流量：
99L/min；
⑷油过滤精度：
5μ；
⑸油粘度：
10～30Cst；
⑹油清洁度：
NAS8级；
⑺工作油温：
30～55℃；
⑻油箱容积：
1800L（材质为不锈钢）；
⑼用油量：
2.4t；
2.9.3系统可实现对透平主机可调静叶、启动阀、旁通快开阀既可实现手动，也可实现液压伺服控制，对紧急切断阀可实现自动或手动快关、与危急保安器联锁快关，慢关以及0～15°范围内游动等动作的功能。
2.9.4透平可调静叶由伺服油缸驱动，1～4秒开启（时间可调），可调静叶与启动阀配合，可使透平发电机在1000～3000r/min范围内以小于10r/min的数量进行升速和减速。
2.9.5每一液控单元均由电液伺服阀及油路块和底座组成，油管及管件采用不锈钢材料。
2.10氮气密封系统
该系统用于透平轴端密封（低压密封支路）防止煤气泄漏。
透平轴端密封气源氮气压力一般为0.4～0.5Mpa，然后经气动调节阀调压后至密封处的氮气压力高于被密封的煤气压力0.01～0.03Mpa，确保煤气不外泄。
采用充氮式机械组合螺旋密封，使得氮气耗量较低，原则上无氮气时停机。
2.11冷却水系统
该系统主要供发电机空气冷却器、动力油站油冷却器、润滑油站油冷却器循环水和发电机消防用水。
⑴冷却水水压：
0.4Mpa;
⑵水温（夏季）：
≤35℃；
⑶供水量
发电机冷却水：
255t/h；
润滑油站冷却水：
165t/h；
动力油站冷却水：
9t/h；
发电机一次性消防灭火用水量300t/h，供水时间不少于30min。
2.12高低压发配电系统
2.12.1发配电控制系统
⑴发电机控制系统
发电机额定功率18000KW，端电压10.5KV，频率50Hz，功率因数0.8。
励磁方式采用结构紧凑、维护方便、无火花和运行安全可靠的无刷励磁方式。
⑵高压系统
10KV采用单母线接线，共设四台开关柜，包括一台进线柜，一台发电机出线柜，一台电压互感及避雷器柜和一台低压配电变压器出线柜。
发电机中心点设备采用集中组柜方式，共设二台中心点PT柜，与其它10KV开关柜布置在一起。
2.12.2低压系统
设独立的低压厂用电系统，担负TRT机组启停和运行过程中的辅机用电。
考虑到TRT辅机系统的重要性，低压系统采用单母线接线，由二路独立电源供电。
设一台630KVA干式变压器作为低压工作电源，由10KV母线供电；另就近引一路380V备用电源，采用双电源自动切换。
低压柜共5台。
2.12.3直流系统
为了提供电气系统的控制和保护电源，本站设置一套微机控制高频开关直流电源装置。
2.12.4控制与保护
⑴发电机控制与保护
发电机在控制室集中控制，设一台控制屏，设手动和自动准同期装置，自动同期装置选用进口产品。
发电机采用带永磁机的无刷整流励磁方式，自带励磁调节柜，采用数字式励磁控制系统，能满足自动和手动励磁调节及强励磁的要求，并且有恒电压自动调节的功能和按恒无功功率、恒功率因数自动调节的功能。
能使发电机在失磁状态下短时运行，以便卸掉负荷，并且能从发电机运行状态过度到电动机运行状态，同时也能满足在运行中由电动机状态恢复到发电机运行状态，励磁装置也同样具有自动适应的能力。
发电机励磁调整装置，随发电机成套供货，采用微机励磁控制系统。
发电机保护采用微机综合保护装置，具备四遥功能，保护配置符合有关设计规范。
测量和计量表计按有关设计规范装设。
⑵辅机控制系统
低压辅机系统连锁及控制纳入DCS自动化控制系统，控制室不再设备用手操设备，机旁操作仅用于检修试验，正常采用集中控制，操作方式选择开关设在机旁。
2.12.5电气布置
电气室布置在控制楼底层，二层为电缆夹层，控制室布置在三层，为仪电合用。
2.12.6防爆及防雷接地
电气防雷及接地设计将按照国家的规程规范设计。
因TRT装置所用的工艺介质是剧毒、易燃、易爆炸气体，因此将按照《爆炸和火灾危险环境电力设计规范》（GB50058-92）要求进行设计。
2.13机组自动控制系统
该系统主要完成过程检测系统、过程控制系统、顺序逻辑控制系统三大功能。
由以上系统对TRT机组进行启动运行、过程检测和控制。
在保证高炉正常生产、顶压波动不超限的前提下，顺利完成TRT装置的启动、升速、并网、升功率、顶压调节、正常停机、紧急停机、电动运行、正常运行等多项操作及控制。
TRT机组自控系统设计确保高炉正常生产，尽量多发电；无论在任何情况下保证TRT机组的安全和转速不超过允许范围；具有自动化程度高，能自动启动、自动调速、自动调功率、自动调高炉顶压、自动停机功能。
3、电机变频调速系统
3.1项目介绍
福建某某有限公司1150带钢固溶生产线安装有大量的辊道电机，这些电机存在频繁启动制动及速度变化的特点，根据同类生产线的经验，对这些电机采取变频控制可节约很大的电能。
1150带钢固溶生产线的主要设备有加热、轧制、以及退火、酸洗等设备，工艺
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