錢京學(xué),毛一標(biāo)
(江蘇沙鋼集團(tuán),江蘇 張家港 215625)
無取向硅鋼主要用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)如馬達(dá)和發(fā)電機(jī)等制造領(lǐng)域,是電器、軍工等行業(yè)不可或缺的重要軟磁合金[1-2]。隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展,無取向硅鋼的需求量越來越大,同時(shí)各鋼廠間的競爭也越來越激烈。無取向硅鋼產(chǎn)品需經(jīng)歷熱軋、冷軋、退火等過程,產(chǎn)品不僅要求低鐵損、高磁感、高厚度控制精度,還要求鐵損、磁鋼、厚度具有較高的穩(wěn)定性。無取向硅鋼各項(xiàng)性能的穩(wěn)定性已成為衡量鋼廠技術(shù)水平的重要指標(biāo)。
通過黑匣子實(shí)驗(yàn)及模擬加熱爐實(shí)驗(yàn),對某鋼廠無取向硅鋼出爐溫度、熱軋厚度及冷軋鐵損波動的成因進(jìn)行了探索研究,并通過定期對爐內(nèi)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)、提高下爐氣加熱能力、延長在爐時(shí)間、降低司爐溫度等措施,有效提高了無取向硅鋼性能的穩(wěn)定性。
圖1顯示,出爐同板溫差較大,1#加熱爐出爐溫差為40 ℃,3#爐為60 ℃。不僅同板溫差大,異板溫差也較大,1#爐板坯整體出爐溫度比3#爐高近40 ℃。當(dāng)加熱后的板坯存在較大的溫度波動時(shí),會造成軋制時(shí)軋制力的大幅變化,增加軋機(jī)的控制難度,從而使得軋制產(chǎn)品的尺寸精度降低。
熱軋存在較大厚度波動,有的甚至超出±50 μm的范圍,制約冷軋厚度精度的進(jìn)一步提升。圖2為1#加熱爐W600熱軋厚度波動情況,發(fā)現(xiàn)一般軋制計(jì)劃前期(a1-a3),厚度波動較小,軋制計(jì)劃末期(b1-b3)厚度波動較大。
圖1 W1300在1#爐(a)及3#爐(b)的出爐溫度曲線Fig.1 The tapping temperature curve of W1300 on No.1(a)and No.3(b)heating furnace
圖2 W600軋制計(jì)劃前期(a)及后期(b)熱軋厚度波動曲線Fig.2 The thickness curve of W600 at earlier(a)and later(b)stage
冷軋鐵損存在較大波動,且同一熱軋軋制計(jì)劃,軋制計(jì)劃前期的成品鐵損波動明顯大于后期。從圖3的W1300鐵損曲線發(fā)現(xiàn):3#爐1-4塊鑄坯波動較大,從第5塊鑄坯開始波動減??;2#爐1-5塊鑄坯波動較大,從第6塊鑄坯開始波動減小。
圖3 3#爐(a)及2#(b)1-9塊爐鐵損曲線 圖4 3#爐第1、5、9塊連鑄坯除鱗效果對比 Fig.3 Iron Losses Curve of W1300 Fig.4 Comparison of descaling effect on No.3 heating furnace
跟蹤該軋制計(jì)劃鑄坯除鱗后表面氧化鐵皮情況后發(fā)現(xiàn),2#及3#加熱爐軋制計(jì)劃前幾塊鑄坯除鱗后表面氧化鐵皮除不盡,此后氧化鐵皮逐漸減少。圖4為3#爐第1、5、9塊鑄坯除鱗后表面氧化鐵皮情況,從第5塊鑄坯開始氧化鐵皮除得較干凈。
2.1.1 實(shí)驗(yàn)概況
實(shí)驗(yàn)鋼坯采用W600,鋼坯尺寸為10 500 mm(長)×1220 mm(寬)×220 mm(厚)。溫度測量采用鎧裝K型熱電偶,直徑6 mm,不銹鋼外保護(hù)套管,精度為1級。鑄坯兩頭各放置一個(gè)黑匣子,共21個(gè)測溫點(diǎn)。鑄坯上表面測溫點(diǎn)孔深20 mm,中心測點(diǎn)孔深110 mm,下表面測點(diǎn)孔深200 mm。上爐氣熱電偶直接布置在鋼坯的上表面,下爐氣熱電偶布置在鋼坯的下表面,各測溫點(diǎn)位置如圖5所示。為消除水印點(diǎn),水梁在均熱段進(jìn)行了拐彎設(shè)計(jì),故水梁處的測溫分為預(yù)熱-二加水印點(diǎn)(前三段水梁)和均熱段水印點(diǎn)。
2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
(1)實(shí)驗(yàn)坯出爐溫度分析
實(shí)驗(yàn)坯處于該加熱爐硅鋼軋制計(jì)劃中期,在爐時(shí)長160 min,出爐溫度如表1所示。結(jié)果顯示:a)斷面溫差:非軋機(jī)側(cè)斷面溫差16 ℃,中部斷面溫差12 ℃,軋制側(cè)斷面溫差32 ℃;b)長度方向溫差:上表面全長溫差26 ℃,中心全長溫差46 ℃,下表面全長溫差58 ℃。軋機(jī)側(cè)溫差較大的原因?yàn)槠渖媳砻鏈囟容^大,長度方向溫差較大原因?yàn)樗↑c(diǎn)溫度過低。
圖5 測溫點(diǎn)分布情況Fig.5 Location of temperature measurement point
表1 出爐溫度情況Table1 Tapping temperature℃
(2)兩側(cè)爐氣過程溫度分析
圖6、圖7為兩側(cè)爐氣溫度曲線,根據(jù)曲線顯示,軋機(jī)側(cè)均熱段上爐氣平均溫度1162 ℃,下爐氣1110 ℃;非軋機(jī)側(cè)均熱段上爐氣平均溫度1139 ℃,下爐氣1093 ℃。軋機(jī)側(cè)上爐氣高于非軋機(jī)側(cè)23 ℃,兩側(cè)上爐氣溫度均高于下爐氣。工藝要求均熱段目標(biāo)溫度為1140 ℃,下爐氣溫度明顯低于目標(biāo)溫度。到均熱段時(shí)鑄坯溫度已高于1100 ℃,下爐氣加熱能力不足,已無法向鑄坯供熱。
軋機(jī)側(cè)均熱段上爐氣平均溫度是1162 ℃,高于工藝溫度,是導(dǎo)致板坯出爐頭尾溫差大的主要原因。調(diào)閱爐氣溫度曲線發(fā)現(xiàn),軋機(jī)側(cè)上爐氣溫度高于工藝要求溫度,并非司爐人員違反工藝規(guī)定,而是爐內(nèi)熱電偶不能真實(shí)反映爐氣溫度,爐內(nèi)熱電偶有待校正。
圖6 軋機(jī)側(cè)爐氣溫度曲線圖Fig.6 Furnace gas temperature of rolling mill side
圖7 非軋機(jī)側(cè)爐氣溫度曲線Fig.7 Furnace gas temperature of non-rolling mill side
(3)水梁處溫度分析
圖8、圖9為中部區(qū)域水印點(diǎn)下表面與中部下表面的過程溫差情況,溫差顯示。
a)預(yù)熱-二加段板坯下表水印點(diǎn)與中部下表面溫差:在一加段最大溫差達(dá)到163 ℃后逐漸縮小,但出爐時(shí)溫差仍有43 ℃,可見雖然水梁在均熱段采用拐彎結(jié)構(gòu),但前三段與水梁接觸造成的溫差,在均熱段并未完全消除。
b)均熱段下表面水印點(diǎn)與中部下表面溫差:均熱段之前未與水梁接觸,溫差在-12~15 ℃之間,到均熱段與水梁接觸,溫差快速升高到23 ℃,之后一直比較穩(wěn)定,說明水印點(diǎn)溫差不會一直升高,而是會達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn),該平衡溫度就是23 ℃左右。
可以設(shè)想,如果延長在爐時(shí)間,預(yù)熱-二加段板坯下表水印點(diǎn)與中部下表面溫差會繼續(xù)縮小,而均熱段下表面水印點(diǎn)與中部下表面溫差又不會繼續(xù)擴(kuò)大,這能夠有效縮小全長溫差。
圖8 前三段水梁溫差Fig.8 Temperature difference of water beam at the first three sections
圖9 均熱段水梁溫差Fig.9 Temperature difference of water beam at soak section
圖10為實(shí)驗(yàn)坯前后卷熱軋厚度情況,由圖10顯示,厚度存在周期性波動,且與加熱爐水梁位置對應(yīng),實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)水梁處溫差較大,到均熱段也未消除。由此可見,熱軋厚度波動主要是由于水梁印造成的,同時(shí)下爐氣加熱能力不足,也不利于縮小水梁處溫差。至于為何軋制計(jì)劃前期厚度波動小,到后期波動大,查閱在爐時(shí)長發(fā)現(xiàn),軋制計(jì)劃前期在爐時(shí)長一般比軋制計(jì)劃中后期長20~30 min,在爐時(shí)間短導(dǎo)致水梁處溫差不能有效消除,造成熱軋厚度波動加大。
針對熱軋加熱爐軋制計(jì)劃前期鐵損波動大于后期,且加熱爐前幾卷氧化鐵皮較后期難以去除的問題,分別取W600前期和后期回爐坯,在掃描電子顯微鏡下觀察氧化鐵皮形貌,圖11(a)為加熱爐前期鑄坯氧化鐵皮形貌,圖中氧化鐵皮非常致密,并且深深嵌入基體,和基體相互交錯(cuò)。有研究認(rèn)為深色氧化鐵皮為鐵橄欖石,鐵橄欖石層粘度極高,韌性非常好,要去除這種氧化鐵皮,需要30~40 MPa的除鱗壓力[3-4]。該氧化鐵皮一般在高于1177 ℃下生成[4],而W600工藝溫度要求均熱段為1140 ℃,該溫度下不會生產(chǎn)這類氧化鐵皮。
圖11(b)為W600后期表面氧化鐵皮形貌,與前期相比,其與基體結(jié)合較疏松,氧化鐵皮中鐵橄欖石含量較少,該類氧化鐵皮較易去除。
從連鑄坯上切去實(shí)驗(yàn)樣品,在電爐中進(jìn)行模擬加熱爐實(shí)驗(yàn),分別進(jìn)行溫度為1140 ℃和1220 ℃,時(shí)長為180 min的加熱實(shí)驗(yàn),分析表面氧化鐵皮形貌。圖12(a)中為1140℃加熱氧化鐵皮形貌,該氧化鐵皮與圖11(b)相似,較易除去,圖12(b)為1220 ℃加熱氧化鐵皮形貌,該形貌與圖11(a)相似。根據(jù)氧化鐵皮形貌對比發(fā)現(xiàn),硅鋼軋制計(jì)劃前期司爐溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后期溫度。
圖10 實(shí)驗(yàn)坯前(a)后(b)卷熱軋厚度曲線Fig.10 The thickness curve before (a)and after(b) the experimental billet
圖11 前期(a)及后期(b)表面氧化鐵皮形貌Fig.11 Morphology of oxidation scale at prophase (a)and anaphase(b)
圖12 1140℃(a)及1220℃(b)氧化鐵皮形貌Fig.12 Morphology of oxidation scale at 1140℃(a) and 1220℃(b)
調(diào)取硅鋼軋制計(jì)劃發(fā)現(xiàn),硅鋼軋制計(jì)劃前期在加熱爐內(nèi)一般跟的是Q235和SPHC,兩者加熱溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅鋼加熱溫度,特別是Q235,溫度高至1260 ℃。操作工要等到Q235和SPHC出完后,才開始降溫,導(dǎo)致硅鋼軋制計(jì)劃前期燒鋼溫度過高,加熱溫度波動過大,而導(dǎo)致軋制計(jì)劃前期硅鋼鐵損波動大。
黑匣子實(shí)驗(yàn)及模擬加熱爐實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),加熱爐兩側(cè)加熱能力不同、下爐氣加熱能力不足、水印點(diǎn)溫度過低、司爐溫度過高、波動過大是造成無取向硅鋼出爐溫度不均、熱軋厚度及冷軋鐵損波動較大等問題的主要原因。
通過定期對爐內(nèi)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)、提高下爐氣燒嘴開口度,能夠有效提高鑄坯兩側(cè)及上下部分加熱均勻性;將硅鋼在爐時(shí)長由160 min延長到180 min,能夠有效縮小水梁處溫差,消除水印點(diǎn)造成的熱軋厚度波動;與高溫鋼種混裝時(shí),留出兩到三塊空位,加熱溫度采用就低不就高原則,確保硅鋼低溫加熱(全程低于1170 ℃),能夠有效降低軋制計(jì)劃前期溫度過高、波動過大造成的鐵損波動問題。經(jīng)過以上改進(jìn)措施,無取向硅鋼的同板及異板溫差穩(wěn)定在30 ℃以內(nèi),軋制計(jì)劃尾期的厚度波動及軋制計(jì)劃前期的鐵損波動有明顯好轉(zhuǎn)。
1)硅鋼出爐溫度不均的主要原因是加熱爐兩側(cè)及上下爐氣加熱能力不均。通過定期對爐內(nèi)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)、提高下爐氣加熱能力,能夠有效提高鑄坯兩側(cè)及上下部分的加熱均勻性;
2)硅鋼軋制計(jì)劃后期厚度波動大于前期的主要原因?yàn)楹笃诩訜釙r(shí)間較短,約150 min,低于前期20~30 min,加熱時(shí)間短造成水梁處溫差不能夠有效消除,導(dǎo)致熱軋厚度波動較大。延長加熱時(shí)間至180 min、提高加熱爐下爐氣溫度,能夠有效縮小水印點(diǎn)溫差,縮小熱軋厚度波動;
3)硅鋼軋制計(jì)劃前期鐵損波動大于后期的主要原因?yàn)榍捌诟氖歉邷劁摲N,加熱溫度過高、溫度波動大。與高溫鋼種混裝時(shí),留出兩到三塊空位,加熱溫度采用就低不就高原則,確保硅鋼全程加熱溫度低于1170 ℃,能夠有效降低冷軋鐵損波動。