密閉式連續(xù)退火爐在冷軋-連退機(jī)組中應(yīng)用及故障缺陷分析

邢 巍，常志祿，戚新軍 ，崔占利，焦政華

(1.安鋼集團(tuán)冷軋有限責(zé)任公司，河南 安陽 455000； 2.安鋼質(zhì)量檢測處，河南 安陽 455004)

金屬及合金經(jīng)冷變形(冷軋)后，內(nèi)部晶粒產(chǎn)生大量位錯(cuò)，形成胞狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生加工硬化，使金屬強(qiáng)度和硬度大大提高，而塑性、韌性、沖壓性能降低，給進(jìn)一步的冷加工帶來困難。冷軋后金屬內(nèi)部組織發(fā)生晶粒拉長、破碎和晶體缺陷而導(dǎo)致金屬內(nèi)部自由能升高，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了消除這種不穩(wěn)定狀態(tài)及所產(chǎn)生的缺陷，使其塑性、韌性提高，強(qiáng)度、硬度下降，需要對冷軋產(chǎn)品進(jìn)行退火處理。在該領(lǐng)域業(yè)內(nèi)一般采用罩式退火和連續(xù)式退火兩種方式，兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。罩式退火爐主要采用高氮低氫的氮?dú)湫捅Ｗo(hù)氣體和普通爐臺循環(huán)風(fēng)機(jī)相結(jié)合，具有建造投資成本低、組織生產(chǎn)靈活，可分批進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)，適于小批量多品種生產(chǎn)；缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)過程不連續(xù)，產(chǎn)品機(jī)械性能不夠均勻和表面質(zhì)量不佳以及勞動(dòng)定員多、占地面積大，生產(chǎn)效率低，退火質(zhì)量差，能耗高等。而連續(xù)退火機(jī)組具有生產(chǎn)效率高(生產(chǎn)周期由10 d左右縮短到15 min以內(nèi))、產(chǎn)品多樣化、質(zhì)量高和生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢；但連續(xù)退火機(jī)組一次性投資成本相對較高，工藝難度較大，過程控制復(fù)雜程度高。

安鋼集團(tuán)冷軋有限責(zé)任公司冷軋連續(xù)退火機(jī)組(以下簡稱連退機(jī)組)是冷連軋工程的一條主要生產(chǎn)線，其年處理量為74萬 t，產(chǎn)品以高級家電板、建筑板為主，與鍍鋅機(jī)組在同一車間內(nèi)，平行布置在酸洗冷連軋機(jī)組后，對酸軋后的冷硬卷進(jìn)行退火熱處理。位于工藝段的連退爐區(qū)是其生產(chǎn)線的重要部位，爐區(qū)分為十個(gè)區(qū)，控制帶鋼各段加熱及冷卻溫度，直接影響帶鋼最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量和物理性能。

1 設(shè)備概況

安鋼集團(tuán)冷軋有限責(zé)任公司冷軋1550 mm連退機(jī)組退火爐由日本新日鐵公司設(shè)計(jì)制造，見圖1。根據(jù)帶鋼走向連退爐由預(yù)熱段(PHF)、加熱段(HF-1、HF-2)、均熱段(SF)、緩冷段(SCF)、1#冷卻段(1C)、過時(shí)效段(OA-1、OA-2)、2#冷卻段(2C)和水淬段(WQ)組成，見圖2。連退爐為立式密閉爐，爐內(nèi)由氮?dú)?、氫氣按照一定比例混合形成還原性保護(hù)氣氛，保證帶鋼在爐內(nèi)加熱退火過程中不被氧化的同時(shí)去除帶鋼表面殘留的氧化物。加熱方式為：封閉式煤氣輻射管加熱和電加熱帶加熱相結(jié)合。爐內(nèi)設(shè)有板溫計(jì)和爐溫計(jì)對爐內(nèi)帶鋼板溫和爐內(nèi)溫度實(shí)時(shí)反饋；各區(qū)域設(shè)有露點(diǎn)測試取樣孔，采用紅外線氣體分析儀連續(xù)自動(dòng)進(jìn)行露點(diǎn)測定；同時(shí)爐內(nèi)控制模式有板溫控制模式和爐溫控制模式兩種，通過爐內(nèi)大數(shù)據(jù)反饋與分析可實(shí)現(xiàn)對爐內(nèi)各區(qū)域段溫度與爐內(nèi)氣氛實(shí)時(shí)監(jiān)控。退火爐設(shè)置有廢氣能源循環(huán)利用系統(tǒng)，可以通過加熱1、2段間的集氣室收集高溫?zé)煔?，?jīng)過6級換熱器分別為機(jī)組清洗段干燥系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、車間管網(wǎng)蒸汽系統(tǒng)及爐子預(yù)熱段提供熱源，并通過負(fù)壓室外空氣使煙氣溫度進(jìn)一步下降，經(jīng)廠房外煙囪排出煙氣(符合國標(biāo)排放要求)。

圖1 冷軋連退爐實(shí)圖Fig.1 Actual drawing of cold rolling continuous annealing furnace

圖2 冷軋連退爐工藝簡圖Fig.2 Schematic diagram of cold rolling continuous annealing process

預(yù)熱段采用高溫?zé)煔鈸Q熱后的氮、氫保護(hù)氣體噴吹帶鋼；加熱段采取輻射管加熱帶鋼；均熱段采用電阻帶加熱帶鋼；緩冷段、1#冷卻段(1C)采用電加熱管加熱帶鋼；過時(shí)效段(OA1、OA2)采用電阻帶加熱帶鋼。

冷軋連退爐區(qū)主要設(shè)備參數(shù)見表1；冷軋連退爐各區(qū)域加熱能力見表2。

表1 連退爐區(qū)主要設(shè)備參數(shù)Table 1 Main equipment parameters of continuous annealing zone

表2 連退爐區(qū)加熱能力Table 2 Heating capacity of continuous annealing area

2 存在的問題

連退機(jī)組自投產(chǎn)以來連退爐區(qū)出現(xiàn)多次事故，其中既有操作事故也有設(shè)備故障問題，如何能夠以較快的速度適應(yīng)連退爐區(qū)設(shè)備，快速消除設(shè)備故障以較穩(wěn)定的狀態(tài)維持生產(chǎn)是目前亟待解決的問題。

2.1 爐內(nèi)帶鋼跑偏

爐內(nèi)帶鋼跑偏是指在運(yùn)行過程中帶鋼中心線與爐輥中心線發(fā)生偏離的現(xiàn)象。根據(jù)2019年度連退機(jī)組爐區(qū)事故統(tǒng)計(jì)：爐內(nèi)帶鋼跑偏以及由爐內(nèi)帶鋼跑偏引起的掛壁、斷帶、爐內(nèi)設(shè)備損壞等事故，在爐區(qū)事故中占比達(dá)75%以上，見表3。發(fā)生爐內(nèi)帶鋼跑偏后一般會(huì)發(fā)生以下后果：1)生產(chǎn)線降速。發(fā)生跑偏后為防止帶鋼進(jìn)一步嚴(yán)重跑偏導(dǎo)致停車，不得不降速運(yùn)行，而由于爐內(nèi)存在加熱慣性，當(dāng)帶鋼運(yùn)行速度發(fā)生變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)退火溫度波動(dòng)起伏，從而影響帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量；2)帶鋼糾偏裝置達(dá)到極限值會(huì)觸發(fā)停車或?yàn)榉乐箮т搾鞝t壁主動(dòng)停車，停車會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量；3)帶鋼跑偏嚴(yán)重、跑偏速度過快，糾偏裝置未能及時(shí)響應(yīng)或糾偏能力不足時(shí)，帶鋼剮蹭到爐墻襯板發(fā)生爐內(nèi)斷帶，發(fā)生這種情況后連退爐必須停車切快冷降溫，打開爐蓋處理斷帶，修復(fù)爐內(nèi)受損的設(shè)施，然后重新吹掃、升溫恢復(fù)生產(chǎn)，此處理過程一般需要1～3班次約5～20 h左右。

表3 冷軋連退機(jī)組2019年?duì)t區(qū)事故統(tǒng)計(jì)Table 3 Accident statistics on the furnace area of coldrolling continuous annealing unit at 2019

2.2 物理性能不合

根據(jù)國家規(guī)定薄規(guī)格冷軋卷板質(zhì)量檢驗(yàn)一般有：屈服強(qiáng)度(Rel、RP0.2)、抗拉強(qiáng)度(Rm)、斷后延伸率等指標(biāo)檢測。

屈服強(qiáng)度又稱屈服極限，指的是金屬產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)所承受的應(yīng)力，單位為MPa。彈性極限試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力，國際上通常以Rel表示。應(yīng)力超過Rel時(shí)即認(rèn)為材料開始屈服。屈服強(qiáng)度以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)，如通常以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，符號為RP0.2。

抗拉強(qiáng)度(Rm)是金屬由均勻塑性形變向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力，反映了材料的斷裂抗力。

斷后延伸率指金屬材料受外力(拉力)作用斷裂時(shí)，試樣伸長的長度與原來長度的百分比，是帶鋼塑性測定指標(biāo)。拉伸試樣標(biāo)距L0根據(jù)ISO(國際標(biāo)準(zhǔn))、ASTM(美國材料與實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn))、DIN(德國標(biāo)準(zhǔn))、JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))和GB(國標(biāo))等標(biāo)準(zhǔn)一般有A80、A50、R90、N90等幾種[1]。

安鋼集團(tuán)冷軋有限責(zé)任公司冷軋產(chǎn)品性能檢測放行標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 冷軋產(chǎn)品性能檢測放行標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Release standards for perfo rance testing of cold rolling products

2.3 帶鋼氧化色

帶鋼氧化色缺陷在生產(chǎn)中也是爐區(qū)常見故障，其特征為帶鋼上下表面局部或全部呈現(xiàn)逐漸變淡的黃褐色、蘭色或灰黑色印跡，無明顯的輪廓線，一般邊部較嚴(yán)重，圖3。

圖3 帶鋼氧化色缺陷Fig.3 Oxidation color defects of strip steel

3 原因分析

3.1 爐內(nèi)帶鋼跑偏原因

爐內(nèi)帶鋼跑偏在行業(yè)內(nèi)有普遍性，日本川崎制鐵早在20世紀(jì)80年代就有相關(guān)研究，國內(nèi)趙永生等、李文科等也提出過一些改善措施[2-3]。結(jié)合連退機(jī)組生產(chǎn)情況分析，主要有以下幾方面原因：

1)張力分布不均。當(dāng)帶鋼的張力分布發(fā)生變化時(shí)，張力的合力與帶鋼的幾何中心不能重合，這時(shí)帶鋼對輥?zhàn)邮┘恿艘粋€(gè)力矩，由于爐輥是軸向固定的，爐輥對帶鋼就會(huì)有一個(gè)反向力矩，使帶鋼產(chǎn)生偏移趨勢，通常不同的張力下跑偏的程度不同，張力越小跑偏越嚴(yán)重[4]。

2)爐輥結(jié)瘤。連退爐區(qū)長期運(yùn)行過程中帶鋼表層殘留氧化鐵皮、雜質(zhì)等受到高溫加熱會(huì)在爐輥表面形成點(diǎn)狀凸起即“結(jié)瘤”。結(jié)瘤一般在加熱段(加1、加2)爐輥表現(xiàn)比較明顯。爐內(nèi)結(jié)瘤不僅對帶鋼表面質(zhì)量有較大影響而且由于結(jié)瘤分布不均和凸起程度不同在生產(chǎn)中會(huì)造成帶鋼爐內(nèi)跑偏。

3)原料板形差，平直度低。有嚴(yán)重的邊浪時(shí)，會(huì)造成帶鋼進(jìn)爐后第一道次就開始跑偏。邊浪分為：單邊浪和雙邊浪，其中又以單邊浪對爐內(nèi)跑偏影響更大。其特征是原料帶鋼開卷后帶鋼一側(cè)或兩邊呈可見波浪缺陷。原料帶鋼的鐮刀彎和“S”彎也會(huì)造成帶鋼跑偏，帶鋼的鐮刀彎會(huì)使帶鋼向曲率中心的反方向跑偏，“S”彎會(huì)使帶鋼在輥道上左右偏移，從理論上講，跑偏量與鐮刀彎的程度相一致[5]。

4)原料表面及爐輥表面粗糙度低。爐內(nèi)帶鋼運(yùn)行過程中，在張力作用下帶鋼表面與爐輥面形成半周緊密貼合的狀態(tài)，見圖4。由于帶鋼和爐輥表面有較高的粗糙度在運(yùn)行過程中形成相互制約的關(guān)系，爐輥在爐內(nèi)沿運(yùn)行方向位置相對固定從而也保證帶鋼中心線位置與爐輥中心線位置基本重合，進(jìn)而控制帶鋼不會(huì)發(fā)生跑偏。在生產(chǎn)中出現(xiàn)的爐內(nèi)跑偏故障可發(fā)現(xiàn)窄帶鋼相較于寬帶鋼更容易跑偏，其原因是窄帶鋼表面與爐輥接觸面較小，爐輥對帶鋼制約性也較小。

圖4 帶鋼與爐輥貼合示意圖Fig.4 Schematic diagram of bonding strip steel and furnace roll

5)設(shè)備精度，包括爐輥及爐內(nèi)糾偏輥底座安裝精度等。各種爐輥輥面不均勻，底座輕微晃動(dòng)、磨損等因素均會(huì)造成帶鋼橫向跑偏。

3.2 物理性能不合原因

帶鋼在再結(jié)晶退火過程中金屬晶粒要經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個(gè)過程(圖5)，這三者又重疊交織在一塊。這個(gè)過程的控制直接影響到成品帶鋼的物理(機(jī)械)性能指標(biāo)(屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率等)[6]。

圖5 退火再結(jié)晶過程Fig.5 Annealing recrystallization process

生產(chǎn)實(shí)踐表明：均熱段(SF)的溫度對帶鋼的屈服強(qiáng)度有明顯的影響，而過時(shí)效段(OA)的溫度對帶鋼的影響不十分明顯。為了研究退火工藝對帶鋼抗拉強(qiáng)度的影響，選擇典型規(guī)格產(chǎn)品的DC01帶鋼進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，分析其在不同工藝條件下的性能情況。在相同速度下，均熱(SF)溫度對帶鋼的性能影響明顯，但在溫度達(dá)到700 ℃以上繼續(xù)提高溫度，性能變化不明顯，說明此時(shí)帶鋼已處于晶粒長大期，再結(jié)晶已經(jīng)完成；在一定的規(guī)格條件下，在機(jī)組速度較快時(shí)，即均熱時(shí)間較短，強(qiáng)度值趨于上限。當(dāng)機(jī)組速度減慢，即延長均熱時(shí)間時(shí)，強(qiáng)度值有所下降。

3.3 帶鋼氧化色形成原因

氧化色缺陷的產(chǎn)生主要是受退火爐內(nèi)環(huán)境氣氛影響，冷軋帶鋼在退火過程中由于某種原因(密封輥密閉性差、爐殼破裂或爐蓋密封不嚴(yán)等)退火氣氛中存在O2、H2O含量偏高時(shí)，而保護(hù)氣體中還原性氣體H2含量不足以充分還原由于帶鋼被O2、H2O氧化成鐵的氧化物時(shí)就會(huì)造成氧化色：

4Fe+2H2O+3O2=2Fe2O3·H2O

造成爐內(nèi)環(huán)境氣氛變化的原因，除了爐子漏氣，還應(yīng)考慮生產(chǎn)保護(hù)氣體(H2、N2)的脫水系統(tǒng)發(fā)生異常，促成保護(hù)器本身的水分含量突然增高或者保護(hù)氣體中雜質(zhì)含量較高引起的氣氛變化。

4 措施

對于爐內(nèi)跑偏主要采取以下措施：

1)優(yōu)化張力設(shè)置。溫度較高的區(qū)域帶鋼表面與爐輥易產(chǎn)生打滑，采用較大的張力；反之，低溫區(qū)采用小張力。另外，不同規(guī)格及品種的帶鋼在張力設(shè)置上也應(yīng)有所區(qū)分。厚規(guī)格以大張力為主，薄規(guī)格以小張力為主。品種鋼區(qū)分：高強(qiáng)鋼變形抗力較大，采用大張力控制；而對于DC03/DC04等軟鋼變形采用小張力控制為主。

2)提高酸洗/堿洗清洗質(zhì)量，減少帶鋼表面殘留物帶入爐內(nèi)附著于爐輥上形成結(jié)瘤，同時(shí)生產(chǎn)中采用板溫/爐溫模式相結(jié)合控制爐溫不出現(xiàn)大幅升降，減少爐內(nèi)帶鋼過熱、過冷產(chǎn)生熔融與凝固形成的爐輥結(jié)瘤，定期利用檢修對爐輥進(jìn)行人工修磨，在生產(chǎn)中通過改變爐內(nèi)帶鋼運(yùn)行速度，利用帶鋼與爐輥速度差產(chǎn)生的相對滑移磨掉爐輥結(jié)瘤。

3)通過查看軋制曲線圖了解原料鋼卷的基本信息，掌握帶鋼浪形位置和浪形類型(單邊浪、雙邊浪、肋浪等)做出預(yù)判采取相應(yīng)的措施(張力、溫度等參數(shù)控制)，對帶鋼帶頭帶尾板形較差的位置上卷前要給予切除。

4)對于設(shè)備精度原因造成的帶鋼跑偏，制定爐輥設(shè)備定檢周期進(jìn)行定期檢查，增強(qiáng)設(shè)備安裝精度調(diào)整外，采用比例積分效應(yīng)輥進(jìn)行糾偏。 出現(xiàn)帶鋼物理性能不合情況，要根據(jù)試樣性能實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行分析，優(yōu)化加熱過程控制中工藝參數(shù)(尤其是均熱段的溫度控制參數(shù)調(diào)整)。以鋼種CQ，牌號DC01，規(guī)格1.0 mm×1250 mm的帶鋼為例。優(yōu)化前、優(yōu)化后工藝參數(shù)如表5所示。

表5 優(yōu)化前后工藝參數(shù)表(℃)Table 5 Process parameter table before and after optimization

對于氧化色缺陷可以采取以下措施：1)建立爐區(qū)點(diǎn)、巡檢制度，對(出入口)密封輥、爐(頂、底)蓋、爐殼利用氣體分析儀進(jìn)行檢查；2)出現(xiàn)氧化色缺陷后要適時(shí)提高爐壓和爐內(nèi)H2含量，目的是通過提高爐壓保持爐內(nèi)壓力相較于爐外呈正壓狀態(tài)加強(qiáng)爐內(nèi)密閉性，提高H2含量則是改善爐內(nèi)環(huán)境氣氛加強(qiáng)爐內(nèi)帶鋼還原反應(yīng)：Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O；3)提高保護(hù)氣體的來氣質(zhì)量，減少氣體中含水量和雜質(zhì)含量；4)生產(chǎn)過程中密切關(guān)注露點(diǎn)變化(露點(diǎn)是保護(hù)氣體中含水量的標(biāo)志，通過爐內(nèi)露點(diǎn)的測試和分析可以間接推斷出爐內(nèi)環(huán)境氣氛變化狀態(tài))，出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)應(yīng)及時(shí)采取措施。

5 效果

對比近兩年連退爐區(qū)故障缺陷數(shù)據(jù)(圖6)，在生產(chǎn)中通過優(yōu)化爐內(nèi)各區(qū)域段控制溫度、張力，建立板形監(jiān)控和爐輥結(jié)瘤磨輥、爐區(qū)巡檢制度以及爐內(nèi)環(huán)境氣氛和露點(diǎn)監(jiān)控等措施，連退爐內(nèi)跑偏、加熱性能不合、氧化色等故障缺陷得到有效控制。改善了冷軋帶鋼物理性能和表面質(zhì)量，保證了生產(chǎn)的連續(xù)高效運(yùn)行。

圖6 2019年(a)和2020年(b)連退爐區(qū)故障缺陷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Fig.6 Statistical data of fault defects in continuous annealing area at 2019(a) and 2020(b)

6 結(jié)語

分段密閉式連退爐相較于熱軋中常見的開放式加熱爐和冷軋罩式退火爐主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)爐內(nèi)充滿保護(hù)氣體(氮、氫)，因而避免鋼板表面氧化層的出現(xiàn)(Fe2O3/FeO)，其中保護(hù)氣體中氫氣具有還原性，在爐區(qū)高溫下能夠更充分的把帶鋼表面殘留氧化鐵還原為鐵和水，從而保證了帶鋼表面更加美觀。

2)爐內(nèi)溫度控制更為精準(zhǔn)，通過設(shè)制于不同區(qū)域的爐內(nèi)板溫計(jì)/爐溫計(jì)反饋可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各區(qū)域段溫度并跟據(jù)工藝要求自動(dòng)調(diào)整燃?xì)饬颗c電加熱帶控制溫度形成閉環(huán)控制(板溫模式/爐溫模式)，必要時(shí)還可以人工干預(yù)調(diào)節(jié)煤氣和空氣量(空燃比)、電加熱帶啟停以達(dá)到爐溫/板溫最佳控制狀態(tài)。

3)相較于罩式退火爐在帶鋼連續(xù)性方面又有較大優(yōu)勢，能夠保證機(jī)組連續(xù)生產(chǎn)，大幅提高生產(chǎn)效率。