八鋼冷軋帶鋼罩式爐退火粘結(jié)缺陷原因分析及防范措施

胡樂(lè)康 胡 濤

【摘 要】本文對(duì)冷軋帶鋼在罩式爐中退火產(chǎn)生粘結(jié)缺陷的機(jī)理進(jìn)行了分析，指出鋼帶卷徑向存在溫度梯度，在冷卻初始階段冷縮變形不均勻是產(chǎn)生粘結(jié)的主要原因，同時(shí)分析了影響粘結(jié)傾向的各種因素，并提出應(yīng)對(duì)措施。

【關(guān)鍵詞】粘結(jié)；溫度梯度；冷卻初始階段

1.前言

冷軋帶鋼經(jīng)罩式爐再結(jié)晶光亮退火后可消除冷變形產(chǎn)生的加工硬化和內(nèi)應(yīng)力，使帶鋼具有符合標(biāo)準(zhǔn)的金相組織、良好的機(jī)械性能和光亮的表面。但帶鋼在退火過(guò)程中有時(shí)產(chǎn)生局部粘結(jié)，造成平整開(kāi)卷時(shí)粘結(jié)處發(fā)生撕裂變形、凸起，經(jīng)平整后形成彎月?tīng)睢ⅠR蹄狀或弧形的凹印。因粘結(jié)處變形產(chǎn)生加工硬化、塑性降低，使帶鋼產(chǎn)生部分或整卷的廢次品。因此，如何減少粘結(jié)產(chǎn)生的廢次品，提高成材率，降低成本是迫切需要解決的問(wèn)題。

2.粘結(jié)缺陷的形成機(jī)理

罩式爐中鋼帶卷受熱主要來(lái)自?xún)?nèi)罩的熱幅射和保護(hù)氣體的熱對(duì)流。因鋼帶卷緊卷退火，保護(hù)氣體經(jīng)端面向?qū)娱g傳熱明顯不如內(nèi)、外表面，故在鋼帶卷徑向形成溫度梯度。因加熱時(shí)鋼帶卷內(nèi)、外層升溫速度大于心部，故內(nèi)、外層的熱脹大于心部，使外層與心部間壓應(yīng)力減小，內(nèi)層與心部間壓應(yīng)力增大。盡管隨著溫度的升高，內(nèi)層與心部的溫度梯度增大，壓應(yīng)力也隨之增大，但此時(shí)卷心處于回復(fù)或再結(jié)晶形核階段，其屈服極限降低不大，層間壓應(yīng)力仍低于屈服極限，故不產(chǎn)生塑性變形。同時(shí)氫氣在600℃左右才能與氧化物有效反應(yīng)，故此時(shí)鋼帶卷層間接觸處仍存在氧化膜，可阻止粘結(jié)的產(chǎn)生。隨著再結(jié)晶的進(jìn)行，鋼帶卷屈服極限迅速降低，但同時(shí)內(nèi)層與心部的溫度梯度逐漸減少，壓應(yīng)力也隨之減小。因此，在加熱階段鋼帶卷層間產(chǎn)生粘結(jié)的可能性很小。

在冷卻階段，因內(nèi)外層溫降速度大于心部，使外層與心部層間因冷縮不均勻產(chǎn)生較大壓應(yīng)力。尤其在冷卻初始階段，溫度梯度逐漸增大，壓應(yīng)力也隨之增大。當(dāng)卷心溫度降至一定溫度時(shí)（根據(jù)大量退火曲線的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，此溫度在600℃左右），卷心與外層溫度梯度最大，壓應(yīng)力也最大。因鋼帶卷經(jīng)再結(jié)晶后屈服極限大幅降低，故在卷心溫度由峰值降至600℃過(guò)程中，鋼帶卷層間局部凸起處（主要由帶鋼浪形或同板差過(guò)大引起）在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，使層間緊密接觸面積顯著增大。由于變形引起晶格畸變，使空位、位錯(cuò)等缺陷增加，界面區(qū)能量增高，鐵原子處于激活狀態(tài)而產(chǎn)生擴(kuò)散，形成金屬鍵連接。同時(shí)界面區(qū)又在高溫作用下，鐵原子擴(kuò)散速度加快，當(dāng)擴(kuò)散層達(dá)到一定深度，金屬鍵連接變成冶金連接，即粘結(jié)。若在此過(guò)程中未產(chǎn)生粘結(jié)，隨著卷心溫度降低，卷心與外層的溫度梯度逐漸減小，壓應(yīng)力也隨之減小。同時(shí)帶鋼的屈服極限也隨滲碳體的析出增多而逐漸增大，因此鋼帶卷不會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)。

3.影響帶鋼粘結(jié)傾向的因素

3.1帶鋼自身因素

（1）帶寬：鋼帶卷重量一般在16～21t，帶寬越大，鋼帶卷外徑越小，徑向溫度梯度越小，粘結(jié)傾向越小。

（2）軋制厚度：根據(jù)擴(kuò)散定律，J=-Dxdcˊ/dx （式中J——擴(kuò)散流量，D——擴(kuò)散系數(shù)），可知，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于板厚方向單位面積的鐵原子量與該方向上鐵原子的濃度梯度成正比。故軋制厚度越小，鐵原子的濃度梯度越大，鐵原子的擴(kuò)散流量越大，粘結(jié)傾向越大。

（3）碳含量：在鐵素體中鐵原子的自擴(kuò)散主要通過(guò)空位機(jī)制實(shí)現(xiàn)。當(dāng)碳含量增加時(shí)，碳原子占據(jù)更多空位，使用于鐵原子擴(kuò)散的空位濃度減少根據(jù)公式

可知，擴(kuò)散激活能增大，鐵原子自擴(kuò)散系數(shù)減小，故粘結(jié)傾向減小。同時(shí)隨著碳含量增加，帶鋼的高溫屈服極限增大，在冷卻初始階段鋼帶卷層間塑性變形減小，使粘結(jié)傾向減小。

3.2與軋鋼相關(guān)的因素

（1）板形控制：根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算結(jié)果，帶鋼產(chǎn)生浪形的力學(xué)條件為：

當(dāng)帶鋼軋后殘余應(yīng)力σ>σck時(shí)，即產(chǎn)生“視在”板形不良；當(dāng)σ<σck時(shí)帶鋼存在“潛在”板形不良；因在退火過(guò)程中隨退火溫度的升高帶鋼的彈性模量逐漸減小，σck也隨之減小，故當(dāng)σ>σck時(shí)帶鋼的“潛在”板形不良將轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙曉凇卑逍尾涣级a(chǎn)生浪形。

根據(jù)大量粘結(jié)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，粘結(jié)產(chǎn)生的部位主要集中于中部或邊部。因此，板形控制不良，出現(xiàn)浪形或同板差過(guò)大是造成板面凸起、局部壓應(yīng)力過(guò)大的主要原因，使粘結(jié)傾向增大；軋制厚度因素亦與此相關(guān)；因軋制厚度越小，板形越不易控制，故越易產(chǎn)生粘結(jié)。

（2）卷取張力：帶鋼在冷軋時(shí)因卷取張力過(guò)大或波動(dòng)，使層間局部壓應(yīng)力過(guò)大，易產(chǎn)生粘結(jié)。

（3）帶鋼表面粗糙度：帶鋼表面粗糙度越小，局部凸起處越易產(chǎn)生應(yīng)力集中，粘結(jié)傾向越大。

3.3 與熱處理相關(guān)的因素

（1）退火工藝：退火溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使再結(jié)晶后的晶粒粗大，導(dǎo)致帶鋼屈服極限降低，若低于局部壓應(yīng)力，則易產(chǎn)生粘結(jié)。

（2）帶鋼表面潔凈度：因帶鋼表面的乳化液膜或氧化膜能阻止鐵原子的擴(kuò)散，故表面潔凈度越低，粘結(jié)傾向越小。

3.4 其它因素

（1）熱軋帶鋼板形：熱軋?jiān)习逍卧讲?，冷軋帶鋼板形越不易控制，使粘結(jié)傾向增大。

（2）煤氣熱值、壓力：煤氣熱值、壓力不穩(wěn)定，波動(dòng)范圍大，使退火溫度及時(shí)間的波動(dòng)增大，易產(chǎn)生粘結(jié)。

（3）鋼帶卷吊運(yùn)：鋼帶卷吊運(yùn)夾緊時(shí)的擠壓碰撞，使層間局部接觸增大，易產(chǎn)生粘結(jié)。

4.八鋼冷軋罩式爐的粘結(jié)缺陷

4.1冷軋罩式爐退火粘結(jié)缺陷（見(jiàn)圖1、圖2）

4.2粘結(jié)缺陷形成原理是帶鋼在一定溫度和壓力下，金屬擴(kuò)散，層與層粘連在一起。在罩式爐退火時(shí)帶鋼表面相互粘連，平整開(kāi)卷時(shí)相鄰板面剝開(kāi)，超過(guò)屈服強(qiáng)度產(chǎn)生應(yīng)變并發(fā)生撕裂，具體有以下幾種成因：

（1）帶鋼同板差過(guò)大，中部過(guò)厚，或?qū)捨荒骋晃恢么嬖谄鸾睿?/p>

（2）軋機(jī)卷取張力過(guò)大；

（3）帶鋼表面粗糙度過(guò)小、清潔度過(guò)高；

（4）退火冷卻速度過(guò)快。

4.3 粘結(jié)缺陷消除對(duì)策

（1）加強(qiáng)對(duì)來(lái)料起筋的控制；

（2）合理調(diào)整軋機(jī)卷取張力，對(duì)厚度不大于1.2mm的帶鋼在保證軋制及板形的前提下，應(yīng)盡量減小卷取張力。

（3）合理使用軋輥，避免粗糙度過(guò)小，控制好板形及末機(jī)架工作輥的粗糙度。

（4）合理調(diào)整罩式爐退火鋼卷冷卻速度，加熱結(jié)束后，鋼帶卷應(yīng)帶加熱罩冷卻，使卷心溫度降至600℃以下。

（5）提高平整開(kāi)卷速度；因變形速率提高，使帶鋼的屈服極限增大，故可提高鋼帶卷平整時(shí)的開(kāi)卷速度，以減小粘結(jié)處的變形，經(jīng)平整后消除粘結(jié)印。

（6）嚴(yán)格執(zhí)行退火工藝，控制退火溫度和時(shí)間；同時(shí)，保證退火設(shè)備的完好性。

（7）保證煤氣熱值、壓力穩(wěn)定。

（8）避免鋼帶卷吊運(yùn)夾緊時(shí)的擠壓碰撞。

6.結(jié)論

（1）冷軋帶鋼的退火粘結(jié)缺陷是因在罩式爐中帶卷徑向存在溫度梯度，在冷卻初始階段冷縮變形不均勻，導(dǎo)致局部壓應(yīng)力過(guò)大，并在高溫下擴(kuò)散連接而產(chǎn)生的。

（2）冷軋帶鋼板形控制不良，出現(xiàn)浪形或同板差過(guò)大是產(chǎn)生局部壓應(yīng)力過(guò)大的主要原因，也是產(chǎn)生粘結(jié)的主要原因。

（3）預(yù)防及消除粘結(jié)缺陷的技術(shù)措施只能有條件地采用。

（4）通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐與合理的控制，冷軋罩式爐退火粘結(jié)缺陷已明顯呈下降趨勢(shì)。