工業(yè)退火工序?qū)滠埍砻嫒毕菪纬傻挠绊懛治黾翱刂苾?yōu)化

杜天宇，張才華，劉世偉

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司，河北 邯鄲 056015）

近年來，連續(xù)退火機(jī)組憑借著機(jī)組具有成材率高、機(jī)時(shí)產(chǎn)量高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)所需的車身材料生產(chǎn)中，因此對(duì)冷軋板產(chǎn)品表面質(zhì)量越來越重視[1-6]。冷軋板在連續(xù)退火爐生產(chǎn)過程中，會(huì)經(jīng)過高溫退火、快速冷卻、水淬降溫等工藝流程。然而，冷軋板常常會(huì)因工藝設(shè)置不當(dāng)或退火爐的各個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷及設(shè)備老化等造成不同的缺陷，這些缺陷不僅帶來大量的降級(jí)品，還造成多起質(zhì)量異議，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的正常供應(yīng)和客戶使用滿意度，給公司帶來重大損失。因此，本文探討分析退火爐設(shè)備對(duì)帶鋼表面缺陷形成影響，并采取一定的改善控制及優(yōu)化措施，從而保證帶鋼表面質(zhì)量穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)冷軋產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)創(chuàng)效。

1 表面缺陷的形成原因分析及控制優(yōu)化

1.1 爐內(nèi)劃傷

1.1.1 形成原因及分析

冷軋板表面劃傷缺陷是由于硬物與運(yùn)動(dòng)的鋼帶表面磕蹭而造成的一條或多條連續(xù)或斷續(xù)的直線溝槽，方向沿軋制方向，其長(zhǎng)度不等，有明顯手感，生產(chǎn)實(shí)踐表明，冷軋表面劃傷缺陷主要來自冷卻段的風(fēng)箱。

冷軋板在退火爐內(nèi)經(jīng)過高溫退火后，需要進(jìn)行快速冷卻工藝。連續(xù)退火爐通常采用的冷卻方式為對(duì)流冷卻，即由循環(huán)風(fēng)機(jī)將氮?dú)浠旌蠚鈴臓t內(nèi)抽取，通過管式換熱器冷卻后，形成低溫氮?dú)錃?，?jīng)由冷卻風(fēng)箱，再通過風(fēng)箱噴嘴噴吹到帶鋼表面。根據(jù)對(duì)流換熱原理可知，帶鋼的冷卻速度與氣體的噴吹壓力正相關(guān)。冷速越高，保護(hù)氣體對(duì)帶鋼噴吹壓力越大，此時(shí)帶鋼抖動(dòng)幅度越大。為滿足生產(chǎn)需求，連續(xù)退火爐快速冷卻段的風(fēng)箱設(shè)計(jì)為可移動(dòng)風(fēng)箱。在高速生產(chǎn)狀態(tài)下，為獲得最大的冷卻速率，快冷段移動(dòng)風(fēng)箱需要盡可能接近帶鋼表面，易造成風(fēng)箱噴嘴與帶鋼距離過近。而帶鋼在高壓冷卻氣噴吹和帶鋼快速冷卻收縮的情況下，處于快速冷卻段的帶鋼會(huì)出現(xiàn)大幅度抖動(dòng)。一旦冷軋板抖動(dòng)幅度過大超過警戒值，就會(huì)觸碰到風(fēng)箱噴嘴，抖動(dòng)的帶鋼與兩側(cè)的風(fēng)箱噴嘴出現(xiàn)碰撞和剮蹭，從而導(dǎo)致帶鋼表面劃傷，如圖1 所示。

圖1 爐內(nèi)劃傷缺陷

1.1.2 控制及優(yōu)化措施

根據(jù)爐內(nèi)劃傷產(chǎn)生的原理，通過以下措施進(jìn)行控制優(yōu)化：

1）增加一種防止風(fēng)箱噴嘴劃傷帶鋼的預(yù)警及保護(hù)裝置，該裝置包括防撞桿、支撐板、固定桿、連接棒、耐火電纜、報(bào)警與控制裝置，多個(gè)防撞桿平行和橫向交替布置在風(fēng)箱噴嘴間隙處，防撞桿位于風(fēng)箱噴嘴前方，每個(gè)防撞桿的兩端分別與兩個(gè)支撐板的上端垂直焊接連接，兩個(gè)支撐板的下端分別與固定桿相連接，固定桿焊接在風(fēng)箱筋板上，連接棒的一端通過耐火電纜與防撞桿連接，連接棒的另一端通過導(dǎo)線與報(bào)警及控制裝置相連接。當(dāng)帶鋼抖動(dòng)劇烈時(shí)，帶鋼表面就會(huì)接觸防撞桿，通過連接棒觸發(fā)報(bào)警裝置，此時(shí)報(bào)警燈發(fā)光，報(bào)警喇叭發(fā)出聲響，提醒操作工檢查帶鋼劃傷情況。此外，當(dāng)風(fēng)箱之間的帶鋼發(fā)生斷帶事故時(shí)，斷裂的帶鋼會(huì)先與防撞桿接觸，避免了帶鋼對(duì)風(fēng)箱噴嘴的損壞，起到保護(hù)風(fēng)箱的作用。

2）優(yōu)化快冷移動(dòng)風(fēng)箱與帶鋼間的控制距離，根據(jù)帶鋼規(guī)格以及產(chǎn)線速度對(duì)移動(dòng)風(fēng)箱進(jìn)行不同的移動(dòng)，通過調(diào)整風(fēng)箱間距，并利用防止風(fēng)箱噴嘴劃傷帶鋼的預(yù)警及保護(hù)裝置進(jìn)行驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)冷卻速率與表面質(zhì)量達(dá)到兼容的狀態(tài)。具體參數(shù)如表1 所示。

表1 移動(dòng)風(fēng)箱間距與規(guī)格對(duì)應(yīng)關(guān)系

3）要減少板帶抖動(dòng)情況，需要增大風(fēng)箱與板帶間的距離，而對(duì)于較厚規(guī)格的板帶，增大風(fēng)箱與板帶的間距會(huì)導(dǎo)致冷卻速率減小，導(dǎo)致冷卻能力不足。為此，通過提高張力，可以提升板帶抗擊橫向的拉應(yīng)力，以減少或阻礙板帶的抖動(dòng)，優(yōu)化后快冷段張力參數(shù)如表2 所示。

表2 優(yōu)化后快冷段張力參數(shù) kN

1.2 黃斑

1.2.1 形成原因及分析

冷軋板在生產(chǎn)過程中，當(dāng)帶鋼以較高溫度進(jìn)入水淬槽后，會(huì)在帶鋼的上下表面出現(xiàn)不規(guī)則的淺黃色狀缺陷，俗稱黃斑，如圖2 所示。對(duì)其表面進(jìn)行電鏡分析，如圖3 所示，可以發(fā)現(xiàn)帶鋼表面氧含量偏高，說明帶鋼出現(xiàn)微氧化。對(duì)比爐區(qū)各段工藝參數(shù)，未發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)帶鋼存在氧化情況，爐內(nèi)各段氣氛均屬正常狀態(tài)，未出現(xiàn)氧含量超標(biāo)。而通過對(duì)比不同工藝參數(shù)下出現(xiàn)該類黃斑缺陷時(shí)生產(chǎn)情況發(fā)現(xiàn)，只發(fā)生了帶鋼規(guī)格變厚和水淬槽的水溫變化。

圖2 水淬后黃斑缺陷

圖3 黃斑表面SEM 分析

水淬槽是冷卻帶鋼的關(guān)鍵設(shè)備，其主要是利用脫鹽水對(duì)帶鋼進(jìn)行冷卻，將帶鋼由150～200 ℃的高溫冷卻到室溫，防止出爐帶鋼與外界空氣反應(yīng)發(fā)生氧化。在冷卻過程中，由于帶鋼溫度較高，入水后會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣，大量的水蒸氣在槽體內(nèi)積聚無法及時(shí)排出時(shí)，會(huì)與仍處于高溫的帶鋼接觸并發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，造成帶鋼表面的微氧化，從宏觀上呈現(xiàn)為帶鋼表面出現(xiàn)黃色斑跡，即黃斑缺陷。

1.2.2 控制及優(yōu)化措施

由于冷軋板表面黃斑缺陷主要由帶鋼與水淬槽內(nèi)的蒸汽在高溫環(huán)境下發(fā)生微氧化導(dǎo)致，所以為了將水淬槽產(chǎn)生的水蒸氣及時(shí)排出，避免其與高溫帶鋼反應(yīng)產(chǎn)生黃斑缺陷，通過增加采樣管道、排放管道、露點(diǎn)分析儀、變頻排放風(fēng)機(jī)、采樣電磁閥、采樣泵和電氣控制系統(tǒng)裝置進(jìn)行控制。在正常生產(chǎn)時(shí)，打開取樣閥，通過電氣控制系統(tǒng)打開采樣電磁閥并啟動(dòng)采樣泵，樣氣經(jīng)過濾器過濾后，經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入露點(diǎn)分析儀，由露點(diǎn)分析儀對(duì)樣氣中水蒸氣含量進(jìn)行分析，將分析結(jié)果送給電氣控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量的露點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)變頻排放風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在露點(diǎn)分析儀監(jiān)測(cè)到水淬槽內(nèi)的中水蒸氣（露點(diǎn)）含量增加時(shí)，變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，增大水淬槽內(nèi)的蒸汽排放量，從而降低水淬槽內(nèi)水蒸氣濃度，避免帶鋼氧化；露點(diǎn)分析儀監(jiān)測(cè)到水淬槽內(nèi)的中水蒸氣（露點(diǎn)）含量減少時(shí)，變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，在保證水蒸氣及時(shí)外排的同時(shí)，避免蒸汽排放風(fēng)機(jī)抽走爐內(nèi)保護(hù)氣體而導(dǎo)致保護(hù)氣體能源的浪費(fèi)。通過該裝置很好地實(shí)現(xiàn)了水淬槽中水蒸氣的及時(shí)外排，避免因水蒸氣在槽體內(nèi)聚集與帶鋼反應(yīng)造成的黃斑缺陷。

1.3 麻點(diǎn)

1.3.1 形成原因及分析

冷軋板表面麻點(diǎn)缺陷是每一條連退線運(yùn)行一段時(shí)間后必然會(huì)出現(xiàn)的缺陷問題，其表現(xiàn)為冷軋板上下表面布滿密密麻麻的小凹坑，呈不規(guī)則分布，凹坑直徑0.2～1 mm 不等，如圖4 所示。通過生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該缺陷具有生產(chǎn)厚規(guī)格帶鋼、軟鋼時(shí)等麻點(diǎn)大、有手感，而生產(chǎn)薄規(guī)格帶鋼、高強(qiáng)鋼時(shí)表面麻點(diǎn)少的特點(diǎn)，根據(jù)其特性分析發(fā)現(xiàn)，該缺陷由爐輥結(jié)瘤所致，如圖5 所示，而爐輥結(jié)瘤主要是由于帶鋼在惡化的爐況下，以及高溫狀態(tài)下發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)形成的細(xì)小氧化鐵黏附到爐輥表面產(chǎn)生，或者是錳元素在退火工藝中析出而吸附到爐輥表面導(dǎo)致。

圖4 麻點(diǎn)缺陷

圖5 爐輥結(jié)瘤

1.3.2 控制及優(yōu)化措施

為消除或減輕爐輥結(jié)瘤，常采用的方法有：

1）建立爐輥生命周期臺(tái)賬。對(duì)每一根爐輥的參數(shù)進(jìn)行記錄，包括表面粗糙度、爐輥表面結(jié)瘤位置和嚴(yán)重程度。

2）優(yōu)化爐輥涂層。針對(duì)爐輥結(jié)瘤出現(xiàn)的結(jié)瘤種類，將爐輥表面涂層由原來的LCO56 涂層（涂層特點(diǎn)是耐高溫、壽命長(zhǎng)但抗錳鐵結(jié)瘤差）調(diào)整為DPC74（涂層特點(diǎn)是耐高溫、壽命長(zhǎng)且抗錳鐵結(jié)瘤效果好），提高了爐輥?zhàn)陨淼目範(fàn)t輥結(jié)瘤能力，從而可以有效減少和減緩爐輥的結(jié)瘤情況。

3）建立爐輥扭矩在線跟蹤系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，定期對(duì)爐輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化和維護(hù)。消除爐輥因速度偏差引起的結(jié)瘤缺陷，以及有效減少因帶鋼在爐輥表面打滑造成的鐵粉堆積而生成的爐輥結(jié)瘤缺陷。

4）優(yōu)化生產(chǎn)工藝，主要是批量生產(chǎn)高強(qiáng)鋼，調(diào)整低合金和雙相鋼生產(chǎn)順序，將每批次計(jì)劃質(zhì)量控制在800～1 200 t。計(jì)劃編排高猛鋼后，安排打磨程序?qū)t輥進(jìn)行在線打磨。

1.4 網(wǎng)紋

1.4.1 形成原因及分析

冷軋板水淬網(wǎng)紋缺陷呈現(xiàn)為黃褐色，其形態(tài)與黃斑缺陷截然不同，通常不規(guī)則分布在帶鋼上下表面，形狀為條形，如圖6 所示。由于前道酸軋軋制工藝中會(huì)產(chǎn)生軋制鐵粉，在連退線經(jīng)清洗工序后仍有少量鐵粉吸附在帶鋼表面進(jìn)入退火爐內(nèi)。當(dāng)帶鋼表面的鐵粉經(jīng)過整個(gè)退火工藝后，吸附力有所下降，在帶鋼進(jìn)入水淬槽后，會(huì)脫落進(jìn)入水淬槽內(nèi)的水中。由于水淬槽與外界大氣相通，水淬槽內(nèi)脫鹽水的溫度通常控制在35～60 ℃之間，槽內(nèi)水中所含的鐵粉長(zhǎng)期處于空氣、高溫、水的環(huán)境下，會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化鐵，在生產(chǎn)線長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中，少量的鐵粉源源不斷地積聚在水淬槽內(nèi)形成氧化鐵，其中一部分呈懸浮狀混合在水中，另外一部分析出積聚在水淬輥，如圖7 所示。

圖6 水淬網(wǎng)紋缺陷

圖7 水淬輥表面網(wǎng)紋

1.4.2 控制及優(yōu)化措施

為改善水淬槽水質(zhì)，消除冷軋板表面水淬網(wǎng)紋缺陷，采取自動(dòng)更換、補(bǔ)充水槽水，改善水質(zhì)的方式進(jìn)行控制優(yōu)化，具體操作是在生產(chǎn)線運(yùn)行過程中，增加電導(dǎo)率實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，通過電導(dǎo)率計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水淬槽內(nèi)水的電導(dǎo)率，當(dāng)電導(dǎo)率超過設(shè)定的上限值時(shí)，打開補(bǔ)水電動(dòng)截止閥和排水電動(dòng)截止閥，開始水淬槽換水過程，當(dāng)水淬槽內(nèi)水的電導(dǎo)率降低到設(shè)定的下限值時(shí)，關(guān)閉補(bǔ)水電動(dòng)截止閥和排水電動(dòng)截止閥，換水過程結(jié)束。

2 控制效果

通過分析連退生產(chǎn)中爐區(qū)工藝段幾種缺陷，并針對(duì)性地進(jìn)行控制及優(yōu)化，降低了冷軋板劃傷缺陷，解決了冷軋板黃斑缺陷，控制了冷軋板表面麻點(diǎn)缺陷，消除了冷軋板水淬網(wǎng)紋缺陷，在車間高效生產(chǎn)背景下，退火爐帶出品總量由8 281 t 降低到1 189 t，明顯改善了冷軋板表面質(zhì)量，直接或間接創(chuàng)效350 萬元/年，取得了良好的效果，擴(kuò)大了生產(chǎn)窗口期，鞏固并開拓了市場(chǎng)份額，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)廠批量汽車板的穩(wěn)定供貨。