密閉立式連續(xù)退火爐輥結(jié)瘤原因分析與控制措施

邢 巍，常志祿，文赫荔，秦 昊，李 波

（安鋼集團冷軋有限責(zé)任公司，河南 安陽 455000）

隨著我國國民經(jīng)濟建設(shè)不斷騰飛，市場（汽車、家電、變壓器等）對冷軋鋼板（帶鋼）產(chǎn)品需求量日益增加。 相較于熱軋鋼板（帶鋼），冷軋在低于鋼材再結(jié)晶溫度以下軋制，軋制過程中帶鋼溫度較低，因此表面氧化程度低，并且可根據(jù)用途不同制造出表面粗糙度和形貌（光面、麻面、印花等）不同的帶鋼。冷軋后帶鋼通過采用不同加熱工藝制度（完全退火、不完全退火等）可獲得物理性能（強度、硬度、塑性等）可控的成品。冷軋帶鋼解決了熱軋過程中溫降和溫度分布不均等問題， 規(guī)格上也彌補了1.80 mm以下熱軋無法生產(chǎn)的空缺。 在冷軋軋制設(shè)備上四輥CVC軋機、六輥HC軋機、森吉米爾二十輥軋機等配置軋制數(shù)學(xué)模型、板形儀反饋等對帶鋼厚度、板形閉環(huán)控制生產(chǎn)，因此冷軋帶鋼同板差、板形（平直度）等指標質(zhì)量更高。

在冷軋帶鋼生產(chǎn)中退火爐內(nèi)爐輥結(jié)瘤是冷軋-連退機組工藝段爐區(qū)常見問題。 爐輥結(jié)瘤的產(chǎn)生在帶鋼表面形成白色點狀硌印或針刺狀亮點缺陷，影響帶鋼表面質(zhì)量。 大量不規(guī)則爐輥結(jié)瘤堆積還會影響爐內(nèi)帶鋼跑偏控制。因此，分析連退爐內(nèi)爐輥結(jié)瘤產(chǎn)生原因并針對性采取控制措施有重要意義。

1 設(shè)備概況

安鋼1 550 mm冷軋薄板工程年產(chǎn)量120萬t（冷軋產(chǎn)品70萬t/a，熱鍍鋅產(chǎn)品30萬t/a，冷硬卷20萬t/a）。主要生產(chǎn)機組有酸軋機組一條，連續(xù)退火機組一條，熱鍍鋅機組一條。 酸軋機組由日本TMEIC公司設(shè)計，采用五機架六輥冷連軋機（HC軋機）。 連退機組由日本新日鐵公司（Nippon Steel Corp）設(shè)計并提供技術(shù)，與鍍鋅機組位于酸軋機組后線， 平行布置在同一個廠房內(nèi)，產(chǎn)品以高級家電板、建筑板為主（見圖1）。

圖1 安鋼1 550 mm冷軋生產(chǎn)工藝流程示意圖

連退機組工藝段爐區(qū)為立式密閉爐， 爐內(nèi)由氮氣（N2）、氫氣（H2）按照一定比例混合形成還原性保護氣氛，保證帶鋼在爐內(nèi)加熱退火過程中不被氧化，同時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與電加熱帶加熱相結(jié)合。 根據(jù)帶鋼走向由預(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 效 段（OA-1、OA-2）、2#冷卻段（2C）及水淬（WQ）組成（見圖2）。 爐內(nèi)設(shè)有板溫計和爐溫計對爐內(nèi)帶鋼板溫和爐內(nèi)溫度實時反饋；各區(qū)域設(shè)有露點測試取樣孔，采用紅外線氣體分析儀連續(xù)自動進行露點測定； 同時爐內(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)反饋與分析可實現(xiàn)對爐內(nèi)各區(qū)域段溫度與爐內(nèi)氣氛實時監(jiān)控[1]。

圖2 安鋼冷軋連退爐工藝簡圖

安鋼冷軋連退爐區(qū)主要設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 連退爐區(qū)主要設(shè)備參數(shù)

安鋼冷軋連退爐各區(qū)域加熱能力見表2。

表2 連退爐區(qū)加熱能力

2 存在問題

安鋼連退機組出口冷軋卷成品立式檢查臺頻閃儀下成品帶鋼表面出現(xiàn)白色點狀或針刺式亮點印記，該印在水平檢查臺上停車檢查后有光感無手感。對該表面缺陷從出口成品段向上道工序進行追蹤，最終鎖定發(fā)現(xiàn)帶鋼出爐區(qū)即存在該情況。經(jīng)過對連退爐開爐檢查，發(fā)現(xiàn)爐輥表面出現(xiàn)大量結(jié)瘤，爐輥結(jié)瘤位置主要集中在加熱段（HF1/HF2）和均熱段（SF），爐內(nèi)帶鋼表面點狀印也是在均熱后出現(xiàn)， 以此認定爐輥結(jié)瘤是導(dǎo)致該缺陷產(chǎn)生的主要原因。 爐輥結(jié)瘤是指爐輥表面點狀凸起，分為兩類：一類是非金屬異物粘附形成；另一類是金屬鐵（Fe）在高溫熔融狀態(tài)下在爐輥輥面上與爐輥的機體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成。

機組連續(xù)生產(chǎn)中隨著爐輥工作溫度的升高，爐輥與鋼帶之間的滑動促進結(jié)瘤生成。 這些結(jié)瘤物在輥面會越長越大，凸起高度可以達到0.5 mm。結(jié)瘤凸起在與帶鋼接觸運行時會產(chǎn)生硌印， 從而在帶鋼表面形成點狀印， 造成帶鋼表面產(chǎn)生嚴重的質(zhì)量缺陷（見圖3）。

圖3 爐輥結(jié)瘤示意圖

3 原因分析

爐內(nèi)爐輥結(jié)瘤按其形成機理分為粘附型和反應(yīng)型兩大類。粘附型結(jié)瘤主要是爐內(nèi)異物落入輥面（如爐內(nèi)耐火保溫纖維顆粒），受到帶鋼與爐輥擠壓后粘附在輥面上形成的結(jié)瘤。 反應(yīng)型結(jié)瘤是高溫下帶鋼與爐輥相對滑動時帶鋼表面氧化物與爐輥自身表面氧化物聚集形成， 這類氧化物結(jié)瘤在高溫下與爐輥會產(chǎn)生輕微熔融、擴散和合金化[2]。 對于第二類爐輥結(jié)瘤形成過程進行分析可以得出：來自于帶鋼表面的氧化鐵皮（Fe2O3、FeO）是造成結(jié)瘤的主要原因。 這類結(jié)瘤的產(chǎn)生要經(jīng)過以下三個過程：①氧化鐵皮（粉）聚集；②爐內(nèi)氧化鐵還原；③還原后單質(zhì)鐵與爐輥表面氧化物結(jié)合堆積成點狀顆粒。

氧化鐵皮的來源分為爐外帶入和爐內(nèi)氧化兩種。 前者是在機組運行生產(chǎn)過程中帶鋼表面氧化物帶入爐內(nèi)產(chǎn)生的。 帶鋼在酸洗軋制過程中由于帶鋼在酸洗槽內(nèi)停留時間（過短或過長）和酸液濃度（摩爾濃度）變化會造成帶鋼表面欠酸洗和過酸洗，進而造成帶鋼表面殘留氧化鐵粉和鐵。 帶鋼表面殘留的氧化鐵粉和鐵經(jīng)軋制殘留在帶鋼表面， 而且鐵粉被乳化液中的軋制油包裹，殘留在成品板帶上。

帶鋼爐內(nèi)氧化原因：

（1）爐體密封性差，爐外氧氣滲漏進入爐內(nèi)，爐內(nèi)氧含量過高， 高溫下帶鋼基體與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。造成爐內(nèi)氧含量過高的原因除去爐殼存在裂縫、漏點等設(shè)備原因外， 也跟爐內(nèi)外存在巨大的氧含量差有關(guān)。盡管爐內(nèi)屬于正壓操作系統(tǒng)，但是在爐壁漏洞的邊沿上仍然會發(fā)生氧氣的對流滲透。 氧氣之所以能逆著氣流穿過漏洞滲入爐內(nèi)，主要原因有兩個：①爐內(nèi)爐外有極大的氧氣濃度差， 爐內(nèi)氣氛的氧氣分壓幾乎等于零，而爐外在一個標準大氣壓下，空氣中的氧氣含量為21%， 這是氧氣滲入爐內(nèi)的主要動力；②爐壁的漏洞往往是非常不規(guī)則的（像孔道彎曲、孔壁粗糙等）。 保護氣體從爐內(nèi)流出時就遭受很大的阻力，而使流速大大減慢。特別是在流體和爐壁接觸的界面上，由于存在極大的摩擦力，使流速下降到很低的限度， 這就形成了氧氣滲入爐內(nèi)的有利條件，當具備以上有利條件，氧氣就可以滲入正壓系統(tǒng)的爐內(nèi)（見圖4）。

圖4 爐子漏洞邊沿的氧氣分子對流滲透示意圖

（2）爐內(nèi)氣氛不穩(wěn)定，含水量過高。 爐內(nèi)保護氣體（H2、N2）的脫水系統(tǒng)發(fā)生異常將促成保護器本身的水分含量突然增高或者保護氣體中雜質(zhì)含量較高引起的氣氛變化。 爐內(nèi)高溫下水蒸汽（H2O）與帶鋼（Fe）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Fe3O4，見式（1）。

爐內(nèi)還原性氣體氫氣（H2）與帶鋼表面氧化亞鐵（FeO）/四氧化三鐵（Fe3O4）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就會生成單質(zhì)鐵（見式（2），式（3）），而這些還原后的單質(zhì)鐵聚集在一起與爐輥表面結(jié)合堆積最終形成爐輥表面點狀結(jié)瘤。

判斷還原反應(yīng)是否發(fā)生的主要因素是氫氣和水蒸汽的比例。 控制兩者的比例（H2/H2O）相當于H2+H2O的混合氣體分壓[3-4]。 反應(yīng)平衡時，吉布斯自由能為零，氧分壓如下：

式中：pO2、pH2O、pH2分別是氧氣分壓、水蒸氣分壓、氫氣分壓，Pa；ΔG0為反應(yīng)發(fā)生式吉布斯自由能，J；R為氣體平衡常數(shù)；T為反應(yīng)發(fā)生溫度，℃。 從式（4）中可以看出，爐內(nèi)氧化性氣氛和水蒸氣分壓成正比，和氫氣分壓的平方成反比[5]。

4 措施

結(jié)合爐輥結(jié)瘤形成原因， 采取相應(yīng)控制措施減少和抑制結(jié)瘤產(chǎn)生對改善帶鋼表面質(zhì)量有較大的作用。 控制結(jié)瘤的措施主要分為減少結(jié)瘤形成的條件從而影響到結(jié)瘤產(chǎn)生以及對已形成結(jié)瘤采用相應(yīng)措施去除結(jié)瘤和控制結(jié)瘤進一步生長兩個方面。

（1）嚴格控制帶鋼入爐前清洗段工藝流程，適度提高堿液濃度，增加帶鋼在清洗段停留時間，保證刷輥正常運行，從而提高清洗質(zhì)量。對清洗后帶鋼入爐前測定反射率（反射率法，也稱貼膜法、粘貼法或Scotch膠帶反射率法，用L值表示；測定反射率時用一種專門的粘帶貼在需檢測的帶鋼表面, 把帶鋼表面的殘污物粘到粘帶上，用反射率檢測儀測粘帶的反射率，將測得的樣品數(shù)值和標樣對比即可得到帶鋼表面潔凈度；L值越大，反射率越高，表面越清潔），確保軋制后帶鋼表面殘留物清理干凈。

（2）對于粘附類結(jié)瘤通過修磨爐輥可有效進行去除。爐輥修磨一般分為在線修磨和停爐修磨兩種。在線磨爐輥是指在生產(chǎn)中通過改變爐內(nèi)帶鋼運行速度， 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（安鋼連退機組在線磨爐輥時爐內(nèi)運行帶鋼一般選用1.0～1.5 mm規(guī)格， 該規(guī)格帶鋼爐內(nèi)易于控制同時厚規(guī)格帶鋼變形抗力、強度、硬度較大磨輥效果更好）； 停爐磨爐輥一般是利于機組檢修停爐期間，人工用油石對爐輥表面結(jié)瘤修磨。相較于在線修磨，停爐人工修磨直接接觸爐輥結(jié)瘤，針對性強、修磨效果更佳，缺點是需要停爐、開爐蓋等一系列工作，影響機組運行，職工勞動強度大。

（3）爐內(nèi)氣氛控制。 爐內(nèi)氣氛直接影響到帶鋼在爐內(nèi)的氧化還原狀態(tài)， 進而影響到爐輥結(jié)瘤的產(chǎn)生。爐內(nèi)氣氛監(jiān)控要點主要集中在爐壓、露點、氮氣氫氣混合比三方面。爐壓反饋與監(jiān)控主要是防止爐外大氣中氧氣的滲漏，適度保持爐內(nèi)正壓可減少爐外氧氣進入爐內(nèi)與爐內(nèi)帶鋼產(chǎn)生氧化反應(yīng)。露點是爐內(nèi)保護氣體中含水量的標志，通過爐內(nèi)露點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)，露點偏高時要考慮制氮站和制氫站氮氣與氫氣干燥情況，同時也要確認爐殼泄漏狀態(tài)（爐外氧氣進入爐內(nèi)與帶鋼氧化反應(yīng)）。氮氫混合比主要是控制爐內(nèi)帶鋼氧化鐵還原情況。氫氣屬于還原性氣體，具有極高的還原性，提高氫氣含量可促進氧化鐵還原反應(yīng)，提高反應(yīng)速率；相反提高氮氣含量則會抑制氧化鐵還原反應(yīng)速率。

（4）爐內(nèi)張力控制。連退機組運行時為保證爐內(nèi)帶鋼不發(fā)生跑偏，爐內(nèi)帶鋼都處于建張狀態(tài)，其張力的大小是通過爐輥電機帶動爐輥轉(zhuǎn)速差控制。 建張狀態(tài)下帶鋼與爐輥緊密接觸形成一定壓力， 這也是形成結(jié)瘤的誘因。因此，在生產(chǎn)中適當減少張力也能減少爐輥結(jié)瘤的產(chǎn)生。

結(jié)合理論分析和2020年連退機組爐區(qū)結(jié)瘤情況，在2021年對機組帶鋼入爐前反射率明確了具體要求：酸軋出口不低于50，連退入口清洗段不低于85。 同時對工藝段爐區(qū)相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整（見表3，表4）。

表3 爐區(qū)優(yōu)化前參數(shù)（2020年）

表4 爐區(qū)優(yōu)化后參數(shù)（2021年）

5 效果

隨著安鋼冷軋-連退機組的高效穩(wěn)定運行，爐輥結(jié)瘤帶來的板面表面質(zhì)量問題成為生產(chǎn)中的關(guān)注重點。在理論分析基礎(chǔ)上不斷摸索和優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，最終取得了較好的效果。

2020年度安鋼冷軋-連退機組成品帶鋼表面爐輥印在安鋼冷軋卷產(chǎn)品質(zhì)量缺陷比例為9%左右（見圖5）。

圖5 2020年安鋼冷軋卷產(chǎn)品質(zhì)量缺陷比例扇形圖

通過技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備參數(shù)優(yōu)化，2021年度帶鋼表面爐輥印在安鋼冷軋卷產(chǎn)品質(zhì)量缺陷比例下降到3%左右（見圖6）。 結(jié)合目前國內(nèi)鋼材市場冷軋卷價格情況， 采用工藝優(yōu)化后安鋼冷軋卷綜合降本增效在85萬元左右。

圖6 2021年安鋼冷軋卷產(chǎn)品質(zhì)量缺陷比例扇形圖

6 結(jié)語

分段密閉立式連續(xù)退火爐內(nèi)爐輥結(jié)瘤會在帶鋼表面形成有光感白點（嚴重的會形成針刺狀亮點），直接影響成品冷軋卷表面質(zhì)量， 該缺陷甚至還會影響到下游深加工用戶的產(chǎn)品表面質(zhì)量。 同時大量分布不均的爐輥結(jié)瘤還會影響到爐內(nèi)帶鋼跑偏。因此，爐輥結(jié)瘤形成原因的研究與控制在冷軋帶鋼生產(chǎn)中有一定的意義。 通過測量酸軋出口和連退清洗出口反射率，控制清洗堿液濃度，提高了入爐前帶鋼表面清洗質(zhì)量，減少了爐內(nèi)結(jié)瘤產(chǎn)生必要條件。同時對爐內(nèi)露點跟蹤控制在-85 ℃左右， 從而控制爐內(nèi)氣氛及爐內(nèi)帶鋼表面氧化物還原反應(yīng)程度。 爐壓適度調(diào)高到150 Pa左右， 爐內(nèi)帶鋼張力適度降低到600 kN左右，減少了爐輥結(jié)瘤形成的機理條件。經(jīng)過生產(chǎn)工藝過程管控和爐區(qū)工藝參數(shù)優(yōu)化后， 安鋼冷軋卷產(chǎn)品質(zhì)量有較大幅度提升， 帶鋼表面爐輥印缺陷下降明顯，可供國內(nèi)同類型機組參考借鑒。