硅鋼退火機(jī)組碳套失效行為分析

王守金，肖輝明，司良英，劉利偉，田建輝

（首鋼智新遷安電磁材料有限公司，河北 遷安064404）

冷軋硅鋼在連續(xù)退火爐中需要進(jìn)行脫碳、 再結(jié)晶退火，退火爐內(nèi)用于帶鋼運(yùn)輸?shù)臓t底輥形式主要有石墨碳套、高溫陶瓷輥、高溫鋼絲刷輥等。其中，石墨碳套與帶鋼之間的摩擦系數(shù)小，其優(yōu)點(diǎn)在于既耐磨，又具有自潤(rùn)滑性，對(duì)硅鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量影響較小，目前國(guó)內(nèi)主要的硅鋼連續(xù)退火爐仍廣泛應(yīng)用石墨碳套作為爐底輥形式[1]。

在硅鋼的實(shí)際生產(chǎn)過程中，受退火爐爐內(nèi)氣氛、碳套安裝形式、爐輥裝配精度、帶鋼表面清洗質(zhì)量等諸多因素影響，石墨碳套會(huì)出現(xiàn)表面結(jié)瘤、氧化、內(nèi)徑擴(kuò)大、外徑減小、端部脆斷等失效行為，一方面需要組織在線處理或者更換碳套，造成大量能源介質(zhì)的浪費(fèi)；另一方面會(huì)造成硅鋼帶鋼表面出現(xiàn)硌坑、折痕、異常邊浪等質(zhì)量問題。碳套的質(zhì)量及使用壽命，一直困擾著國(guó)內(nèi)外硅鋼連續(xù)退火機(jī)組的生產(chǎn)，特別是生產(chǎn)取向硅鋼及高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼的退火機(jī)組，碳套出現(xiàn)失效的概率大大增加。

本文以某硅鋼廠連續(xù)退火爐為基礎(chǔ)，通過對(duì)碳套發(fā)生失效的原因進(jìn)行分析，制定改善方法，延長(zhǎng)碳套的使用壽命，消除碳套失效帶來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。

1 碳套的生產(chǎn)工藝流程及技術(shù)指標(biāo)

冷軋硅鋼連續(xù)退火機(jī)組用碳套由于需要滿足硅鋼成品表面質(zhì)量控制需求，要求碳套具備良好的耐磨性能、自潤(rùn)滑性、適宜的硬度以及良好的抗氧化腐蝕性能。目前國(guó)內(nèi)外主流的碳套生產(chǎn)工藝流程主要為：石油焦制備、高溫煅燒、混捏、成型、一次瀝青浸漬、一次高溫焙燒、二次瀝青浸漬、二次高溫焙燒、高溫石墨化、機(jī)加工、抗氧化處理等[2]。碳套具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 碳套生產(chǎn)工藝流程圖

硅鋼用碳套，在毛坯制作過程中，需要完成至少三次瀝青浸漬、四次高溫焙燒過程，通過多次浸漬，確保碳套毛坯孔隙率較小，提高碳套的抗結(jié)瘤性能。

國(guó)內(nèi)碳套常用的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 國(guó)內(nèi)碳套技術(shù)指標(biāo)

2 硅鋼連續(xù)退火爐爐內(nèi)氣氛狀態(tài)

2.1 爐內(nèi)氣氛

硅鋼連續(xù)退火爐分為取向硅鋼退火爐和無(wú)取向硅鋼退火爐，不同硅鋼退火爐爐內(nèi)氣氛差異較大。通常爐內(nèi)保護(hù)氣成分為H2-N2混合氣。取向硅鋼爐內(nèi)H2含量較高，H2濃度為 50%～75%，N2濃度為 25%～50%。無(wú)取向硅鋼爐內(nèi)H2含量較低，H2濃度為 0～25%，N2濃度為75%～100%。取向硅鋼退火爐爐內(nèi)露點(diǎn)范圍40～75 ℃，無(wú)取向硅鋼爐內(nèi)露點(diǎn)相對(duì)較低，一般控制在-20～40 ℃。無(wú)論是生產(chǎn)取向硅鋼用連續(xù)退火爐，還是生產(chǎn)無(wú)取向硅鋼用連續(xù)退火爐，整體退火爐爐內(nèi)氣氛均呈現(xiàn)出氧化性氣氛，且含有一定量的氫氣。而低溫滲氮爐線的取向硅鋼生產(chǎn)過程中，需要在退火爐爐內(nèi)通入氨氣，來(lái)完成取向硅鋼后天抑制劑的添加，因此，在取向硅鋼生產(chǎn)用連續(xù)退火爐爐內(nèi)特定爐段內(nèi)除含有H2、N2以外，還含有一定量的NH3。

2.2 爐溫

冷軋硅鋼在連續(xù)退火爐中需要進(jìn)行脫碳、 再結(jié)晶退火，退火爐各爐段爐溫存在一定差異，高溫區(qū)域可達(dá)到1 050 ℃以上，低溫區(qū)域一般在600 ℃左右。取向硅鋼生產(chǎn)用連續(xù)退火爐最高爐溫相對(duì)較低，一般最高溫在950 ℃左右，而無(wú)取向生產(chǎn)用連續(xù)退火爐的最高爐溫相對(duì)較高，最高可達(dá)到1 050 ℃以上。

3 硅鋼退火機(jī)組碳套失效行為及原因分析

3.1 硅鋼退火機(jī)組常見碳套失效行為

目前硅鋼退火機(jī)組常見的碳套失效行為包括以下幾類：

（1）碳套表面結(jié)瘤；

（2）碳套表面氧化；

（3）碳套自由端內(nèi)徑變大；

（4）碳套驅(qū)動(dòng)側(cè)端部脆斷；

（5）碳套外徑減小。

一般硅鋼退火機(jī)組內(nèi)均有100 多根碳套，在日常生產(chǎn)過程中，由于碳套失效導(dǎo)致的機(jī)組停機(jī)、產(chǎn)品表面質(zhì)量問題一直是國(guó)內(nèi)各大硅鋼生產(chǎn)企業(yè)所面臨的重大問題，圖2～圖6 為各類碳套失效形式照片。

圖2 碳套表面結(jié)瘤實(shí)物圖

圖3 碳套表面氧化實(shí)物圖

圖4 碳套自由端內(nèi)徑變大實(shí)物圖

圖5 碳套驅(qū)動(dòng)側(cè)端部脆斷實(shí)物圖

圖6 碳套外徑減小實(shí)物圖

3.2 各類型碳套失效原因分析及應(yīng)對(duì)措施

3.2.1 碳套表面結(jié)瘤

從碳套結(jié)瘤物的結(jié)構(gòu)來(lái)分析，導(dǎo)致碳套表面結(jié)瘤的主要原因?yàn)椋孩賻т撨M(jìn)入退火爐前表面清洗不徹底，帶鋼表面留有殘余的軋制油以及鐵粉，該部分雜質(zhì)帶入退火爐后，脫落至碳套表面，逐漸堆積長(zhǎng)大，形成結(jié)瘤物；②由于退火爐爐內(nèi)呈現(xiàn)氧化性氣氛，帶鋼表面產(chǎn)生鐵系氧化物，鐵系氧化物由帶鋼表面脫離，黏附在碳套表面，釘扎在碳套表面的微小氣孔內(nèi)，同時(shí)由于爐內(nèi)氣氛中含有一定量的氫氣，在高溫及氫氣的作用下，釘扎在碳套氣孔內(nèi)的鐵系氧化物會(huì)不斷經(jīng)過氧化還原反應(yīng)，最終形成結(jié)瘤物[3]。

通過研究碳套表面結(jié)瘤的原因，提高碳套耐結(jié)瘤的主要工作應(yīng)該集中在以下兩個(gè)方面：①通過提高帶鋼表面清洗能力，改善帶鋼表面清洗質(zhì)量，避免由于帶鋼清洗不徹底導(dǎo)致的雜質(zhì)類碳套表面結(jié)瘤問題；②由于退火爐爐內(nèi)氣氛受到硅鋼熱處理工藝需求影響，無(wú)法做大幅度調(diào)整，因此，通過提高碳套的致密程度來(lái)降低碳套的顯氣孔率是提高碳套自身耐結(jié)瘤的一種常規(guī)手段。目前國(guó)內(nèi)各碳套生產(chǎn)企業(yè)通常是通過提高碳套毛坯的浸漬、 焙燒次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)降低碳套顯氣孔率的目的。

3.2.2 碳套表面氧化

碳套表面氧化的主要特征是，碳套的硬度降低較為明顯，碳套表面機(jī)加工光亮度破損。結(jié)合退火爐爐內(nèi)氣氛及爐溫情況分析，該類問題一般發(fā)生于退火爐高溫、高露點(diǎn)區(qū)域，碳套表面的氧化為水氧化特點(diǎn)，主要的氧化反應(yīng)為：

C+H2O→CO+H2

C+H2O→CO2+H2

由于碳套表面氧化原因?yàn)楦邷亍?高露點(diǎn)狀態(tài)下的化學(xué)反應(yīng)，主要體現(xiàn)了碳套的抗氧化能力，而提高碳套的抗氧化能力主要是通過改善碳套制作過程中的抗氧化試劑成分，優(yōu)化碳套化學(xué)處理后的燒結(jié)溫度曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.2.3 碳套自由端內(nèi)徑變大及驅(qū)動(dòng)側(cè)端部脆斷

該類碳套失效行為的主要原因是由于碳套在裝配過程中，整體碳套輥的安裝精度較差，導(dǎo)致碳套在高速運(yùn)行過程中，碳套兩端受力不均勻，使得碳套自由端內(nèi)孔位置由于輥芯的磨損導(dǎo)致內(nèi)徑變大，而碳套驅(qū)動(dòng)側(cè)端部由于固定鍵處的應(yīng)力集中，在受力不均的情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，導(dǎo)致碳套驅(qū)動(dòng)側(cè)端部脆斷。

對(duì)于此兩類碳套失效的改善方向，主要集中在提高整體退火爐爐輥的安裝精度以及日常退火機(jī)組的設(shè)備保全能力等兩個(gè)方面。

3.2.4 碳套外徑減小

關(guān)于碳套外徑減小問題，目前主要出現(xiàn)在取向硅鋼退火機(jī)組氨氣通入爐段內(nèi)，該區(qū)域碳套由于氨氣作用，破壞了碳套的抗氧結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致碳套的耐磨性能降低，在帶鋼高速運(yùn)行的作用下，造成碳套外徑減小。目前國(guó)內(nèi)外主要的碳套生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的碳套均存在此類問題。

針對(duì)此類碳套失效形式，由于受到熱處理工藝制約，只能通過提高碳套自身耐磨性上面去取得改進(jìn)。提高碳套耐磨性的方法主要集中在以下兩個(gè)方向：①提高碳套毛坯生產(chǎn)過程中原料的顆粒度；②通過對(duì)碳套抗氧化試劑中成分的調(diào)整，增加碳套的耐磨特性。目前，國(guó)內(nèi)某碳套生產(chǎn)企業(yè)已成功研發(fā)出一種耐磨性能更強(qiáng)的新型碳套，并成功在國(guó)內(nèi)某取向硅鋼退火機(jī)組氨氣通入爐段組織試用，耐磨效果顯著。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)硅鋼退火機(jī)組碳套的廠家失效行為進(jìn)行收集整理，分析碳套失效原因，并結(jié)合碳套失效原因，提出了具體的改進(jìn)方向。

（1）常見的碳套失效形式有：碳套表面結(jié)瘤、碳套表面氧化、碳套自由端內(nèi)徑擴(kuò)大、驅(qū)動(dòng)側(cè)端部脆斷及碳套外徑減小等。

（2）導(dǎo)致碳套失效的原因較多，核心主要集中在碳套自身特性、 碳套的裝配精度以及帶鋼的處理過程幾大方面。

（3）通過對(duì)碳套失效原因分析，制定出相對(duì)應(yīng)的改善對(duì)策，提高了碳套的使用壽命，避免碳套失效后帶來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。