退火爐爐輥結(jié)瘤的原因與解決措施

供稿|孫帥，許銘

內(nèi)容導讀 山東某鋼廠連續(xù)退火機組，投產(chǎn)以來每隔4 個月左右，在退火爐均熱、緩冷段頻繁發(fā)生爐輥結(jié)瘤現(xiàn)象，經(jīng)過實驗研究，發(fā)現(xiàn)爐輥結(jié)瘤的根本原因是爐內(nèi)環(huán)境氛圍異常以及清洗段能力差造成的。通過提高清洗段刷輥壓下量，加大帶鋼表面刷洗面積，促使清洗后帶鋼反射率大于92%；加強對退火爐爐輥周邊點檢，避免漏油、漏水事故；此外，定期使用高強鋼對爐輥進行磨輥，最終降低了退火爐結(jié)瘤概率。

退火爐結(jié)瘤是冷軋連續(xù)退火爐常見的問題，結(jié)瘤的原因通常與原料的表面狀態(tài)以及爐輥所處環(huán)境有很大關(guān)系。汽車板的穩(wěn)定生產(chǎn)嚴格考驗機組各方面的工況，汽車板以深沖鋼為主，退火爐溫度相對較髙，因此爐內(nèi)的深沖鋼材質(zhì)偏軟，如果爐輥表面有微小的缺陷（如結(jié)瘤）就很容易“復印”到帶鋼表面上去，影響帶鋼表面質(zhì)量。爐輥結(jié)瘤嚴重影響連續(xù)退火線汽車板生產(chǎn)，而退火爐爐輥結(jié)瘤又不可完全避免，山東某鋼廠新建連續(xù)退火線在投產(chǎn)1 年后頻繁出現(xiàn)因爐輥結(jié)瘤現(xiàn)象造成停機開爐事故。

機組簡介

冷軋廠連續(xù)退火產(chǎn)線由德國西馬克公司總設(shè)計承包，清洗段采取堿洗、刷洗、電解清洗、熱水刷洗、熱水漂洗與熱風烘干工藝，退火爐由比利時DREVER 公司設(shè)計制造，退火爐總共包含預熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、過時效段和終冷段7 個區(qū)域，采用W 形輻射管加熱，此種加熱方式均勻、穩(wěn)定且控制精度較高。爐輥涂層有18Cr8Ni、25Cr20Ni 與25Cr12Ni 3 種材 質(zhì)。爐內(nèi)保護氣體為氮–氫混合氣體，其中氫氣體積分數(shù)4%～7%，爐內(nèi)正壓力為100～400 Pa。生產(chǎn)帶鋼厚度范圍0.4～2.0 mm，寬度范圍900～1880 mm，最高抗拉級別590 MPa，機組主要以生產(chǎn)汽車板為主。

退火爐結(jié)瘤現(xiàn)象說明

退火爐爐輥結(jié)瘤，表現(xiàn)為爐輥表面出現(xiàn)小凸起，如瘤子一樣（圖1），分布沒有明顯規(guī)律。由于退火爐爐輥結(jié)瘤，造成的產(chǎn)品帶鋼出爐子后表面出現(xiàn)雪花紋（圖2）、白點兒缺陷，無手感、無周期、分布面廣。將白點缺陷放在掃描電鏡下觀察，可以發(fā)現(xiàn)白點實際上并非一個點，而是由許多凹坑組成，如圖3 所示。凹坑是由于結(jié)瘤凸臺高出爐輥表面，在退火爐內(nèi)，高溫環(huán)境下，在前后爐輥的張力作用下與帶鋼上下表面接觸后形成，通常表現(xiàn)為在結(jié)瘤嚴重的爐輥，其對應(yīng)帶鋼寬度方向上雪花紋就明顯。

圖1 爐輥結(jié)瘤照片

圖3 帶鋼雪花紋微觀形貌

爐輥結(jié)瘤成因分析

由于結(jié)瘤嚴重，造成產(chǎn)品表面降級，停機請專業(yè)維護隊伍進行清爐，清爐時發(fā)現(xiàn)，退火爐預熱段污染較重，爐墻表面發(fā)白嚴重（圖4），爐底存在大量黑灰（圖5）。同時，爐墻的襯板發(fā)白，表明帶鋼未在清洗段清洗干凈，表面殘留堿液帶入爐內(nèi)，與內(nèi)部污染物（灰塵、耐材殘渣）混合，高溫揮發(fā)后粘結(jié)在爐墻上。此外，還發(fā)現(xiàn)相關(guān)爐輥存在漏油現(xiàn)象，爐輥表面為墨綠色（圖6），結(jié)瘤打磨后仍然存在墨綠色痕跡（圖7）。

圖5 退火爐爐底蓋照片

圖6 退火爐爐輥照片

圖7 爐輥結(jié)瘤形貌放大圖

在退火爐均熱段、緩冷段的爐輥輥面兩側(cè)低粗糙度區(qū)域出現(xiàn)結(jié)瘤，由于結(jié)瘤處存在部分爐輥涂層，經(jīng)過成分打點測試（圖8），不能判斷結(jié)瘤與高強鋼生產(chǎn)有必然關(guān)系，其中Mn 主要來自于帶鋼，Al 主要來自于耐材或帶鋼以及爐輥的涂層。而對于Si 元素而言，其來源可能有兩方面，其一為消泡劑，其二是清洗段的堿液；Fe 主要來自于耐材、帶鋼；O 多來自空氣、退火爐內(nèi)氮氣與氫氣管道內(nèi)的空氣殘留[1]。

圖8 結(jié)瘤處帶鋼能譜分析(a)區(qū)域1；(b)區(qū)域2

爐輥結(jié)瘤機理

爐輥結(jié)瘤主要機理：①爐輥與帶鋼產(chǎn)生相對運動后在表面滑動，在機械摩擦的作用下，帶鋼表面的氧化物、鐵屑以及氣氛中的雜質(zhì)在爐輥表面發(fā)生粘結(jié)，在爐內(nèi)高溫環(huán)境下，形成爐輥表面結(jié)瘤，特別是深沖鋼板，爐內(nèi)溫度最高可達850 ℃。帶鋼在爐內(nèi)向前運行的同時，爐底輥托著帶鋼轉(zhuǎn)動，由于爐底輥通常為從動輥，在阻力和轉(zhuǎn)動慣量的作用下，輥面與帶鋼表面會因速度不匹配發(fā)生少量的相對滑動。輥子表面組織在高溫環(huán)境下硬度降低、變軟，單位表面的微凸體含量增多，接觸面積增加，熱擴散效果增加，在微凸體部位易形成附著性結(jié)瘤。同時在板材軋制過程中表面附著的污染物（Fe3O4、FeO、油脂等）會在高溫氣氛下被還原，并且粘附在爐底輥輥面，生成結(jié)瘤核心，核心堆積逐漸長大，最終形成結(jié)瘤[2]。②爐輥本身表面發(fā)生磨損氧化，爐輥表面的氧化物逐漸附著積聚形成結(jié)瘤，這種由氧化物堆積形成的結(jié)瘤雖然硬度不高，但在切應(yīng)力的作用下易發(fā)生脫落從而變成磨料，當形成的瘤狀物與輥面發(fā)生輕微的熔融、擴散和合金化后，部分瘤狀物牢固粘附于輥面造成板面白點缺陷。兩種結(jié)瘤機制，都經(jīng)歷了形成瘤核和聚集長大兩個過程，聚集長大是一個層層累積的過程，因此表現(xiàn)在瘤狀物的形貌上就出現(xiàn)了可以層層剝離的結(jié)構(gòu)。

粘附型結(jié)瘤有3 個必備條件：可粘附固體物、粘附介質(zhì)和粘附環(huán)境，粘附環(huán)境和可粘附固體物一般可以通過修磨手段去除，粘附介質(zhì)一般是爐內(nèi)的水和油[3]。當爐內(nèi)混入空氣時，帶鋼在高溫含氧的情況下容易發(fā)生氧化，產(chǎn)生氧化鐵皮。這種氧化鐵皮薄而輕，如果氧化嚴重容易在一定條件下從帶鋼表面剝離，掉落在輥子與帶鋼之間，經(jīng)過碾壓粘附在輥面，或者隨著帶鋼入鋅鍋，對鋅鍋內(nèi)鋅液的成分造成影響[4]。

調(diào)查結(jié)論

開爐調(diào)查爐內(nèi)露點在合理范圍內(nèi)，爐內(nèi)殘油來自帶鋼表面殘留的乳化液。爐內(nèi)環(huán)境較差：爐底堆積保溫耐材及明顯顆粒狀污物，原料清潔度較低（來料帶鋼反射率低于60%）、清洗質(zhì)量差（清洗后帶鋼反射率在85%左右），較多的殘留乳化液進入爐內(nèi)，再加上原料帶入爐內(nèi)的鐵粉等，給爐輥輥面結(jié)瘤帶來了有利條件，加之爐輥存在漏油，為結(jié)瘤提供充足的粘附介質(zhì)，以上幾個方面是造成本次爐子結(jié)瘤的主要原因。

爐輥結(jié)瘤對應(yīng)解決措施

（1）帶鋼進入退火爐前，清洗段刷輥電流密度在無負載情況下由原1～2 A 調(diào)整到3～4 A，加大刷輥的壓下量，對于堿液槽罐，由每隔15 min 改為每隔10 min 排廢30 L，保證清洗后帶鋼反射率＞92%。

（2）在清洗段程序設(shè)置上，焊接過程中刷輥從打開到關(guān)閉的響應(yīng)時間由2 min 改為30～40 s，提高刷洗的效率，同時對刷輥零位控制精度定期標定，保證壓下到位，確保刷洗效果。

（3）日常對爐區(qū)點檢和維護標準作業(yè)，停機檢修后進行必要的爐體測漏、氮氣吹掃等環(huán)節(jié)，保證爐內(nèi)非氧化環(huán)境，此外，爐輥軸承注油按照標準進行，杜絕過多注油或日常維護不到位。

（4）每隔2 個月使用厚度大于1.8 mm 高強鋼按照預設(shè)定爐輥磨輥曲線進行磨輥。磨輥時選中的爐輥設(shè)定速度會周期性的疊加一個正向速度差或反向速度差，加速度一般設(shè)置0.12 m/s2，使選中的爐輥相對帶鋼有正向和反向滑動的趨勢，其他未選中爐輥的速度和爐區(qū)帶鋼速度保持一致。

結(jié)束語

通過優(yōu)化機組清洗段工藝參數(shù)、定期在線磨輥、每天監(jiān)測爐內(nèi)露點情況、每半年定期清爐更換爐輥等措施，有效遏制了爐輥結(jié)瘤的產(chǎn)生。由爐輥結(jié)瘤造成產(chǎn)品質(zhì)量原因被迫停爐由2019 年3 次減少到2020、2021 年每年正常檢修停爐1 次。