退火爐管理對(duì)汽車面板產(chǎn)品質(zhì)量的影響

李鴻友 張晶晶 鄒亨通 馬 峰 杜顯俊

（本鋼板材股份有限公司冷軋總廠，遼寧 本溪 117000）

0 引言

純鋅熱鍍鋅產(chǎn)品（簡(jiǎn)稱GI）因其綜合性能優(yōu)越，受到眾多汽車廠的青睞。作為表面板的選擇，由于汽車面板對(duì)質(zhì)量要求嚴(yán)格，帶鋼表面存在明顯可見的缺陷是汽車面板用戶不能接受的。在生產(chǎn)過程中帶鋼表面出現(xiàn)黑點(diǎn)，無規(guī)律性分布，產(chǎn)品表面質(zhì)量無法滿足要求。經(jīng)過檢修排查，發(fā)現(xiàn)爐輥表面存在硬質(zhì)點(diǎn)，帶鋼經(jīng)過硬質(zhì)點(diǎn)接觸后造成黑點(diǎn)缺陷。筆者針對(duì)該缺陷進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤，對(duì)機(jī)組生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，最終通過優(yōu)化改進(jìn)計(jì)劃編排及退火爐管理，該缺陷得到了大幅度改善。

1 缺陷分析過程

在本鋼冷軋總廠5#熱鍍鋅線表面黑點(diǎn)缺陷一直困擾著汽車面板的生產(chǎn)，最先確定的產(chǎn)生原因?yàn)闋t輥軸端漏油，漏油引起在退火爐冷段（快冷段之后 ）爐輥輥面產(chǎn)生積碳結(jié)瘤，爐輥輥面結(jié)瘤使原板表面產(chǎn)生輕微硌痕，經(jīng)鋅鍋鍍鋅后硌痕部位鋅層表面存在輕微起伏，鋅層起伏部位與鍍后輥產(chǎn)生輕微相對(duì)滑動(dòng)，在該部位呈現(xiàn)黑點(diǎn)缺陷。解決爐輥軸承漏油問題后，表面質(zhì)量得到明顯提高，黑點(diǎn)缺陷得到消除。到2019年年底，黑點(diǎn)缺陷又開始出現(xiàn)，缺陷形貌如圖1所示。對(duì)爐輥輥面檢查沒有發(fā)現(xiàn)積碳結(jié)瘤，對(duì)爐輥軸承檢查沒有明顯的漏洞痕跡，但在熱段爐和冷段爐輥存在一些硬質(zhì)點(diǎn)顆粒嵌入爐輥粗糙度較高的輥面。

圖1 黑點(diǎn)缺陷

在年修清爐后，產(chǎn)品表面黑點(diǎn)缺陷得到消除，但經(jīng)過1個(gè)月的生產(chǎn)，黑點(diǎn)缺陷又逐漸增多。再次對(duì)爐輥表面的積碳和爐輥軸承漏油情況進(jìn)行確認(rèn)，沒有發(fā)現(xiàn)問題，仍然是在爐輥粗糙度較高部分的輥面發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)點(diǎn)顆粒嵌入。缺陷部位的鋅層沿軋制線方向有明顯的劃痕素不能說明與正常部位存在明顯差異。經(jīng)過上述分析，帶鋼表面的黑點(diǎn)缺陷是鋅層與輥面之間微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的，但通過調(diào)整冷卻塔至中間活套部分的張力和微調(diào)主動(dòng)輥的輥速，對(duì)缺陷沒有明顯影響。所以決定將排查點(diǎn)前移，調(diào)整爐內(nèi)張力和對(duì)爐內(nèi)輥速進(jìn)行微調(diào)，觀察效果。當(dāng)微調(diào)快冷段入口張力輥、均衡段張力輥輥速并且降低30%快冷段張力時(shí)，缺陷頻度和程度大幅減輕，由此判斷黑點(diǎn)缺陷是由于爐輥輥面存在硬質(zhì)點(diǎn)，硬質(zhì)點(diǎn)在帶鋼表面造成微觀的損傷，經(jīng)鋅鍋鍍鋅后損傷部位鋅層表面存在輕微起伏，鋅層起伏部位與鍍后輥產(chǎn)生輕微相對(duì)滑動(dòng)呈現(xiàn)黑點(diǎn)缺陷。

由于硬質(zhì)點(diǎn)顆粒難以進(jìn)行大量的取樣，不具備材質(zhì)分析的條件，因此對(duì)硬質(zhì)點(diǎn)顆粒進(jìn)行放大觀察，如圖2所示。

圖2 硬質(zhì)點(diǎn)顆粒

在季修更換爐輥后，將存在硬質(zhì)點(diǎn)顆粒的爐輥進(jìn)行電鏡掃描分析，硬質(zhì)點(diǎn)顆粒主要成分為C（30.24%）、O（26.51%）、Mn（18.45%）、P（12.52%）、Si（4.57%）、Al（3.88%）、Ca（2.03%）、Cr（0.98%）、Ti（0.82%）。其中Mn、P、Si、Al的含量分別是18.45%、12.52%、4.57%、3.88%，這幾種成分與帶鋼成分一致，圖3為硬質(zhì)點(diǎn)顆粒成分分析。分析其形成機(jī)理，該顆粒為帶鋼中合金元素析出在帶鋼表面，在退火爐內(nèi)保護(hù)氣體中氧化性氣氛下形成的氧化物。帶鋼在退火爐高溫環(huán)境下與爐輥發(fā)生機(jī)械摩擦，造成氧化物熔融黏附在爐輥表面[1]。帶鋼的主要成分應(yīng)該是Fe，但為什么分析的結(jié)果中Fe不高，還是認(rèn)定為帶鋼成分呢？這是因?yàn)楦邚?qiáng)鋼內(nèi)合金元素優(yōu)先氧化的原因。高強(qiáng)鋼含有很高的Mn、Si、Al、Cr，在帶鋼溫度達(dá)到800℃，保護(hù)氣體成分為5%~8%H2，露點(diǎn)為-30℃的條件下，這些合金元素都處于氧化狀態(tài)，而Fe處于還原狀態(tài)，這就是選擇性氧化，產(chǎn)生選擇性氧化的結(jié)果就使合金元素在帶鋼的表面發(fā)生聚集，帶鋼表面出現(xiàn)了非常明顯的Mn聚集，表面氧化物主要以這些合金元素為主。

2 缺陷成因分析

該文對(duì)造成缺陷硬質(zhì)點(diǎn)顆粒的成分進(jìn)行分析，造成該缺陷的原因是帶鋼表面Mn、P、Si、Al等合金元素析出。對(duì)目前機(jī)組生產(chǎn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中先進(jìn)高強(qiáng)鋼（DP鋼、TRIP鋼生產(chǎn)量高牌號(hào)低合金高強(qiáng)）中富含上述合金元素。一旦帶鋼表面發(fā)生氧化，加上帶鋼與爐輥之間的滑動(dòng)和壓力作用，就會(huì)使帶鋼表面氧化物黏附到爐輥表面，并聚集成顆粒。通過對(duì)帶鋼表面黑點(diǎn)缺陷長(zhǎng)期取樣跟蹤，發(fā)現(xiàn)缺陷的嚴(yán)重程度與先進(jìn)高強(qiáng)鋼（DP鋼、TRIP鋼生產(chǎn)量高牌號(hào)低合金高強(qiáng)）存在正比例關(guān)系。根據(jù)機(jī)組生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖3所示，從2019年4季度開始，先進(jìn)高強(qiáng)的生產(chǎn)比例成倍數(shù)增長(zhǎng)，由原來3.95%增加到2020年4季度的15.01%，漲幅近4倍，在此期間帶鋼表面黑點(diǎn)缺陷逐漸加重。

3 改進(jìn)措施與效果

3.1 優(yōu)化計(jì)劃編排原則，減輕黑點(diǎn)缺陷程度

生產(chǎn)汽車外板前一周期，減少低合金高強(qiáng)鋼、DP鋼、TRIP鋼集中排產(chǎn)，避免上述鋼種合金元素析出長(zhǎng)時(shí)間富集爐輥表面產(chǎn)生硬質(zhì)點(diǎn)顆粒。根據(jù)前期汽車外板實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及板面缺陷分析，生產(chǎn)組織安排需要延伸至換輥檢修前進(jìn)行統(tǒng)籌安排。整個(gè)過程貫穿檢修前導(dǎo)料、檢修后過渡料、正式生產(chǎn)汽車外板過程中扒渣料、機(jī)組異常情況時(shí)備用料[2]，如圖3所示。

圖3 汽車外板生產(chǎn)備料安排

3.1.1 前導(dǎo)料

在鋅鍋內(nèi)輥?zhàn)痈鼡Q檢修前兩天內(nèi)，為了消除爐輥表面的麻點(diǎn)等雜質(zhì)，就必須開始生產(chǎn)前導(dǎo)料。根據(jù)消除麻點(diǎn)的要求，前導(dǎo)料屈服強(qiáng)度必須很低，且材料合金成分越少越好。因此，前導(dǎo)料優(yōu)先安排順序：IF系列鋼低碳系列鋼超低碳、180級(jí)烘烤硬化鋼高強(qiáng)、220和260級(jí)烘烤硬化鋼、超低碳180低合金鋼，而盡量不生產(chǎn)：高強(qiáng)低合金鋼、結(jié)構(gòu)鋼、DP鋼、TRIP鋼等含碳量高或合金含量高的鋼種。

3.1.2 過渡料

在進(jìn)行了鋅鍋內(nèi)輥?zhàn)痈鼡Q和檢修后，生產(chǎn)線還不太穩(wěn)定，例如鋅鍋輥?zhàn)虞S套與軸瓦之間還需要進(jìn)行磨合，才能達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，鋅鍋的成分需要進(jìn)行調(diào)整，生產(chǎn)線其他區(qū)段也還有大量的調(diào)整、確認(rèn)工作，因此必須安排生產(chǎn)過渡料。過渡料也必須跟前導(dǎo)料一樣，保證在不增加爐輥麻點(diǎn)的情況下，而且要減少麻點(diǎn)的數(shù)量，所以過渡料必須采用低碳、少合金的鋼種。同時(shí)，為了防止帶鋼邊部對(duì)鋅鍋輥?zhàn)雍推渌佔(zhàn)訋淼挠绊懀筮^渡料的寬度大于即將生產(chǎn)的汽車外板的寬度。

3.1.3 扒渣料

由于汽車外板生產(chǎn)時(shí)需要鋅鍋液位非常穩(wěn)定，因此在汽車外板正式生產(chǎn)過程中，如果沒有電磁扒渣系統(tǒng)的話，是不允許扒渣的，必須每生產(chǎn)5卷左右，生產(chǎn)扒2卷左右的渣料，專門進(jìn)行扒渣。扒渣料也必須采用低碳、少合金的鋼種，而且寬度大于即將生產(chǎn)的汽車外板的寬度。

3.1.4 備用料

在汽車外板生產(chǎn)期間，要求生產(chǎn)線運(yùn)行非常穩(wěn)定，如果出現(xiàn)不可控因素，需要減速等情況時(shí)，必須停止生產(chǎn)汽車外板，投入備用料，生產(chǎn)備用產(chǎn)品。為了便于備用產(chǎn)品的銷售，備用料以用途廣泛的低碳鋼為好，但要求寬度大于即將生產(chǎn)的汽車外板的寬度。

在操作時(shí)也必須注意，不能在入口步進(jìn)梁的鞍座上放滿了汽車外板原料，而是只放一卷待產(chǎn)料，其他鞍座空著，一旦生產(chǎn)線出現(xiàn)波動(dòng)，可以立即換上備用料，以減少損失。

屬性特征代表了航空制造業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的性質(zhì)，是對(duì)航空制造業(yè)領(lǐng)域知識(shí)最基本的反應(yīng)，具有類型和數(shù)據(jù)兩種性質(zhì)，類型是將構(gòu)成航空制造業(yè)領(lǐng)域知識(shí)各數(shù)據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)一地分配各個(gè)知識(shí)單元的規(guī)則，對(duì)于航空制造業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的特征內(nèi)容如表1。

3.2 排程案例

檢修前準(zhǔn)備、檢修后準(zhǔn)備、生產(chǎn)過程扒渣、生產(chǎn)意外備用等所需的材料排程案例如表1。

表1 外板排產(chǎn)情況表

3.3 排程原則

3.3.1 寬度小于1650mm時(shí)

帶鋼的寬度小于1650mm時(shí)，規(guī)格過渡必須同時(shí)控制寬度差、厚度差不超過表2的要求。

表2 產(chǎn)品連接情況表

3.3.2 寬度大于1650mm時(shí)

在排程時(shí)，盡可能減少過渡，并且必須同時(shí)控制寬度差、厚度差、斷面差不超過表3的要求。生產(chǎn)FC產(chǎn)品，依據(jù)由寬到窄進(jìn)行生產(chǎn)，之前生產(chǎn)過渡料，要保證至少7卷產(chǎn)品進(jìn)行過渡。

表3 產(chǎn)品連接情況表

3.4 優(yōu)化退火爐管理標(biāo)準(zhǔn)，提升退火爐清潔狀態(tài)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)高強(qiáng)鋼時(shí)爐內(nèi)O2含量一般控制在25ppm~35ppm，而而機(jī)組在生產(chǎn)先進(jìn)高強(qiáng)鋼期間實(shí)際數(shù)據(jù)已經(jīng)超過了這一范圍，為了嚴(yán)格控制爐內(nèi)的O2含量，需要對(duì)整個(gè)爐區(qū)進(jìn)行泄漏點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的漏點(diǎn)利用停車檢修逐一封堵。同時(shí)要求機(jī)械專業(yè)檢查輻射管是否泄露，并采取電機(jī)標(biāo)高校準(zhǔn)、聯(lián)軸器檢查更換、爐輥操作側(cè)潤(rùn)滑脂泄漏控制、分析過濾網(wǎng)成分和清理氮?dú)膺^濾器等措施。通過采取這些措施，將會(huì)使?fàn)t內(nèi)O2含量控制在30ppm~40ppm。同時(shí)，還需要對(duì)爐內(nèi)的氣溫進(jìn)行控制，增加爐子底部保護(hù)氣體投入量，加大頂部廢氣的排放量，確保爐內(nèi)氣體的露點(diǎn)處于-40℃~-50℃。長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，對(duì)爐內(nèi)的清理和爐輥的修磨也是必不可少的，保證退火爐自身清潔性，將對(duì)鍍鋅汽車板表面質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。

根據(jù)先進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本機(jī)組實(shí)際情況，制定了適合本機(jī)組自身特點(diǎn)的退火爐管理標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)優(yōu)化退火爐管理標(biāo)準(zhǔn)，保證生產(chǎn)汽車外板周期，爐內(nèi)及爐輥清潔狀態(tài)，從而減少黑點(diǎn)缺陷。將定期對(duì)整個(gè)爐區(qū)進(jìn)行泄漏點(diǎn)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)后，制定定修計(jì)劃利用停車檢修逐一進(jìn)行處理。機(jī)械專業(yè)結(jié)合定修進(jìn)行輻射管泄漏的檢查，并定期實(shí)施電機(jī)標(biāo)高校準(zhǔn)、聯(lián)軸器檢查更換、爐輥操作側(cè)潤(rùn)滑脂泄漏控制、分析過濾網(wǎng)成分和清理氮?dú)膺^濾器等措施。定期更換軸承潤(rùn)滑油泄漏的爐輥，并對(duì)輥面存在積碳的爐輥進(jìn)行清理，消除輥面的凸起點(diǎn)，解決爐輥旋轉(zhuǎn)過程中與帶鋼相對(duì)滑動(dòng)對(duì)帶鋼表面造成擦痕的問題。爐輥潤(rùn)滑油的泄漏是由于在日常維護(hù)過程中沒有嚴(yán)格執(zhí)行維護(hù)手冊(cè)中要求的加油規(guī)定，超量加油后在退火爐高溫狀態(tài)下軸承內(nèi)壓力升高，導(dǎo)致密封損壞向爐內(nèi)泄漏潤(rùn)滑油。要求維護(hù)人員要嚴(yán)格按照維護(hù)手冊(cè)要求的加油規(guī)定，操作側(cè)800mL/半年，傳動(dòng)側(cè)500mL/半年。

輥身外徑：D±0.5mm；輥?zhàn)硬馁|(zhì)：316L；2000g（動(dòng)平衡固定轉(zhuǎn)速：168 r/min）；輥面處理：噴涂碳化鎢材料；其他尺寸和技術(shù)要求見零件圖。

3.4.2 爐輥安裝標(biāo)準(zhǔn)

輥身水平度不超過0.05mm/m；輥身垂直度不超過0.05mm/m；與相鄰爐輥的水平度、垂直度偏差方向呈交叉分布。

3.4.3 爐輥點(diǎn)檢維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

每周檢查軸承振動(dòng)以及軸承溫度狀況；每次年修時(shí)對(duì)輥面狀況進(jìn)行檢查，有異常時(shí)在點(diǎn)檢日志中記錄；每次年修時(shí)檢查輥面粗糙度，編寫檢測(cè)報(bào)告，并做趨勢(shì)分析。

3.4.4 爐輥更換標(biāo)準(zhǔn)

輥面產(chǎn)生異常磨損、黏結(jié)、劃痕、剝落、熱損傷等劣化跡象，預(yù)計(jì)會(huì)影響帶鋼表面質(zhì)量；輥?zhàn)虞S頭變形或輥身變形，導(dǎo)致輥?zhàn)映霈F(xiàn)負(fù)荷異常波動(dòng)，負(fù)荷波動(dòng)大于正常數(shù)值的20%；由于輥系其他零部件損壞，導(dǎo)致輥?zhàn)訜o法正常使用。

3.4.5 爐輥報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)

出現(xiàn)以下情況之一，需要對(duì)輥?zhàn)舆M(jìn)行報(bào)廢處理：輥身直徑小于790mm；出現(xiàn)其他無法修復(fù)或修復(fù)代價(jià)高昂的缺陷，如輥身嚴(yán)重裂紋、縮孔、彎曲、不均勻磨損等。

4 結(jié)論

汽車外板生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的黑點(diǎn)缺陷源于退火爐爐輥表面硬質(zhì)顆粒，盡量避免產(chǎn)生該缺陷，需要對(duì)退火爐進(jìn)行系統(tǒng)管理。細(xì)化退火爐管理標(biāo)準(zhǔn)，定期進(jìn)行退火爐爐體整體清理，有效提升退火爐清潔性。汽車外板實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)證明，需要在換輥檢修前進(jìn)行統(tǒng)籌安排，生產(chǎn)計(jì)劃排程需要統(tǒng)籌考慮整個(gè)過程。優(yōu)化汽車外板的計(jì)劃排程，減少前一周期末期先進(jìn)高強(qiáng)排產(chǎn)數(shù)量，避免先進(jìn)高強(qiáng)鋼種合金元素析出長(zhǎng)時(shí)間富集爐輥表面產(chǎn)生硬質(zhì)點(diǎn)顆粒；優(yōu)化汽車板生產(chǎn)前導(dǎo)料排布，前導(dǎo)料選擇與正式合同料相同或接近規(guī)格，提升過渡期間的機(jī)組穩(wěn)定性，為汽車板正式合同創(chuàng)造有利條件。