臥式連退爐在冷軋硅鋼機(jī)組中的應(yīng)用及故障分析

邢 巍,琚艷軍,周 超,宋振明,黃銀學(xué)

(河南鋼鐵集團(tuán)公司安鋼冷軋作業(yè)部,河南 安陽 455000)

硅鋼也稱電工鋼(Silicon Lamination),是一種含碳量極低的硅鐵軟磁合金,一般含硅量為0.5%～4.5%。按照生產(chǎn)方式可分為熱軋硅鋼和冷軋硅鋼,其中冷軋硅鋼分晶粒無取向和晶粒取向兩種鋼帶。通常晶粒無取向冷軋硅鋼用作電機(jī)或焊接變壓器等的鐵芯;晶粒取向冷軋硅鋼用作電源變壓器、脈沖變壓器和磁放大器等的鐵芯。冷軋硅鋼其實(shí)質(zhì)是將熱軋硅鋼(帶)進(jìn)行再次冷軋退火的深加工工藝,冷軋硅鋼(帶)具有表面平整、厚度均勻、疊裝系數(shù)高和沖片性好等特點(diǎn),且比熱軋硅鋼(帶)磁感高、鐵損低。用冷軋硅鋼(帶)代替熱軋硅鋼(帶)制造電機(jī)或變壓器,其重量和體積可減少25%左右。冷軋取向帶的性能更佳,若用它代替熱軋帶或低檔次冷軋帶,可減少變壓器電能消耗量45%～50%,且變壓器工作性能更可靠。在生產(chǎn)上相較于普通低碳鋼C料(DC01),硅鋼中硅含量較高,冷脆性高,冷軋生產(chǎn)工藝復(fù)雜性高,生產(chǎn)工藝過程控制難度大,損耗大,成材率低。冷軋硅鋼的生產(chǎn)一般采用六機(jī)架六輥冷連軋機(jī)-退火、五機(jī)架六輥冷連軋機(jī)-退火和二十輥軋機(jī)-退火等工藝。

硅鋼(帶鋼)冷軋過程中經(jīng)過塑性變形,在軋制力作用下金屬外形發(fā)生變化,其內(nèi)部晶粒形狀也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。隨著金屬外形的壓扁或拉長,內(nèi)部晶粒也會(huì)被拉長、壓扁。同時(shí)隨著變形的發(fā)生,不僅晶粒外形發(fā)生變化,晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生顯著的變化。由于帶鋼冷軋過程中軋制力較大,帶鋼金屬內(nèi)部晶粒不僅會(huì)出現(xiàn)壓扁或拉長,還會(huì)出現(xiàn)晶粒破碎、位錯(cuò)密度增加。形變愈大,晶粒的碎細(xì)程度愈大,亞晶界的量愈多,位錯(cuò)密度顯著增大;同時(shí)細(xì)碎的亞晶粒也隨著晶粒的拉長而被拉長,金屬的塑性變形抗拉力增大,硬度和強(qiáng)度顯著升高,塑性和韌性下降,產(chǎn)生“加工硬化”現(xiàn)象,性能上趨于各項(xiàng)異性。冷軋后的帶鋼晶格畸變還會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,使帶鋼產(chǎn)生翹曲、浪形等平直度問題。殘余內(nèi)應(yīng)力還會(huì)使金屬耐腐蝕性能降低,故金屬在經(jīng)過冷軋塑性變形后要進(jìn)行退火處理[1-7]。退火處理的目的是通過將帶鋼加熱到Ac1以上溫度并緩慢冷卻,使帶鋼內(nèi)部晶粒回復(fù)、長大、再結(jié)晶,從而消除和降低帶鋼內(nèi)應(yīng)力,降低強(qiáng)度和硬度,提高塑性和韌性,消除冷軋生產(chǎn)的應(yīng)變,將帶鋼中的碳脫出,以保證磁性、硬度和磁時(shí)效。

1 設(shè)備概況

河南鋼鐵集團(tuán)安鋼冷軋作業(yè)部(以下簡稱:安鋼冷軋)在硅鋼生產(chǎn)上建設(shè)有兩條生產(chǎn)線:五機(jī)架六輥冷連軋機(jī)-退火涂層和二十輥冷軋-退火涂層,根據(jù)硅鋼鋼種(牌號(hào)、取向/無取向)和材質(zhì)分別進(jìn)行生產(chǎn)。其中,退火-涂層機(jī)組是硅鋼生產(chǎn)的一條最主要生產(chǎn)線,設(shè)計(jì)產(chǎn)能為20萬噸/年,由中冶南方公司設(shè)計(jì)安裝。產(chǎn)品定位為高質(zhì)量高中低牌號(hào)和高磁感無取向硅鋼。機(jī)組的工藝段包括脫脂、退火、涂鍍和烘干等工序,采用堿液清洗+臥式連續(xù)退火爐(密閉式)+無驅(qū)動(dòng)兩輥涂層機(jī)+干燥燒結(jié)爐(開放式)進(jìn)行工藝過程控制。在該退火-涂層機(jī)組中,冷軋帶材的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)首先在退火過程中得以調(diào)整,然后在帶材表面涂以絕緣層,其產(chǎn)品主要用于高效電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。

安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機(jī)組工藝流程為:開卷→剪切→焊接→入口活套→堿噴淋→堿刷洗→電解清洗→水刷洗→熱水噴淋→1#吹邊→輻射管加熱→均熱→管冷→循環(huán)氣體噴淋冷卻→水噴淋冷卻→刷洗→擠干→2#吹邊→涂絕緣層→干燥、燒結(jié)→空氣冷卻→出口活套→測(cè)厚及鐵損檢測(cè)→圓盤剪切邊→表面質(zhì)量檢查→出口剪切→卷取。

安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機(jī)組產(chǎn)品參數(shù)見表1。

表1 安鋼冷軋退火-涂層機(jī)組產(chǎn)品參數(shù)

工藝段臥式連續(xù)退火爐采用密閉式,爐內(nèi)采用氮?dú)浔Ｗo(hù)氣,安鋼冷軋新材料(硅鋼)臥式連退爐的工藝流程為:入口密封室→輻射管加熱段(RTF)→均熱段(SF)→隔離器(SEP)→冷卻管段(CTF)→保護(hù)氣體循環(huán)噴射冷卻段(RJC)→出口密封室→最終噴射冷卻段(FJC),工藝簡圖如圖1所示。

圖1 安鋼冷軋新材料(硅鋼)臥式連退爐工藝簡圖

輻射管加熱段(RTF)分13段控制,1～6段加1段,7～13段加2段,各段燒嘴數(shù)量在8～12之間, 燃燒方式為脈沖控制。采用“W”型煤氣(CO)輻射管加熱,如圖2所示,數(shù)量為130根。燒嘴采用抽鼓型自身預(yù)熱式輻射管燒嘴,共有130個(gè),加熱能力為594 MJ/h。

圖2 “W”型煤氣(CO)輻射管示意圖

均熱段(SF)采用電加熱帶進(jìn)行爐溫控制,分7段控制,每段功率均為22 kW。其功能是使帶鋼在恒定溫度下運(yùn)行,確保帶鋼在爐加熱時(shí)間,使加熱的帶鋼晶粒均勻長大。

冷卻管段(CTF) 爐體為碳鋼氣密焊的箱體結(jié)構(gòu),由風(fēng)機(jī)、爐殼、耐火材料、冷卻管、電熱體和排氣管等組成。冷卻管為U型,外徑φ171 mm,靠排廢風(fēng)機(jī)造成的負(fù)壓吸入冷風(fēng)間接冷卻帶鋼,排出的廢氣單獨(dú)排出廠房外。冷卻管布置在帶鋼上,下方電阻帶布置在爐底,通過電阻帶和冷卻管共同控制冷卻速率。其功能是對(duì)高牌號(hào)帶鋼(冷卻速率要求低),通過緩慢冷卻達(dá)到工藝要求。冷卻管對(duì)帶鋼進(jìn)行間接冷卻,可以使帶鋼保持良好的板形。

2 存在的問題

在工藝段臥式連續(xù)退火爐中大量使用的是碳套輥(加熱段、均熱段、爐喉、循環(huán)氣體噴吹冷卻段及出口密封室等),碳套損壞、損耗過大,采購成本高。碳套損壞不僅直接影響到機(jī)組成本控制,同時(shí)更換碳套輥也影響機(jī)組的正常運(yùn)行,影響到機(jī)組的機(jī)時(shí)產(chǎn)量。

另外,碳套輥表面會(huì)形成結(jié)瘤,如圖3所示。冷軋硅鋼常用厚度規(guī)格為0.35、0.5 mm,退火溫度在800 ℃以上,因此帶鋼對(duì)結(jié)瘤點(diǎn)更為敏感,很小的爐輥結(jié)瘤點(diǎn)就會(huì)在帶鋼表面形成凹坑狀缺陷,影響帶鋼表面質(zhì)量,產(chǎn)生大量降級(jí)品,從而影響機(jī)組一級(jí)品率。碳套輥表面結(jié)瘤還會(huì)造成碳套輥設(shè)備損耗增大,縮短碳套輥更換周期,增加采購成本。

圖3 碳套輥表面結(jié)瘤

硅鋼性能指標(biāo)包括機(jī)械(力學(xué))性能和磁性能。帶鋼檢測(cè)常用的機(jī)械(力學(xué))性能指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后延伸率和硬度等;磁性能指標(biāo)包括鐵損、磁感應(yīng)強(qiáng)度、碟片系數(shù)和表面絕緣電阻等。安鋼冷軋無取向硅鋼磁性能和力學(xué)性能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表2和表3,存在性能不符合要求的問題。

表2 安鋼冷軋無取向硅鋼磁性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

表3 安鋼冷軋無取向硅鋼機(jī)械(力學(xué))性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3 原因分析

對(duì)安鋼冷軋無取向硅鋼生產(chǎn)中存在問題的原因進(jìn)行了分析。

1)碳套損壞、損耗過大。為了能在爐子中的H2/O2弱氧化氣氛條件下長期使用,碳套在出廠前一般要經(jīng)過特殊浸鉻酸處理。 即將碳套放入專用容器中,再將容器抽成一定程度的真空,然后向容器中注入鉻酸,同時(shí)加壓,用三價(jià)鉻填充其氣孔,進(jìn)行滲Cr處理,最后將碳套取出,自然干燥。經(jīng)過這樣處理后的碳套,其原有的孔隙被氧化鉻填充,在保護(hù)氣氛爐內(nèi)使用時(shí)比沒有進(jìn)行滲Cr處理的碳套更加耐氧化和耐磨。拋開本身設(shè)備工藝原因,碳套損壞的原因有如下幾種: ①與鋼帶長期接觸、摩擦而造成損耗,尤其是邊部損耗大,裝配時(shí)碰到其他物體容易造成斷裂;②在400 ℃以上爐底輥因事故而停止運(yùn)轉(zhuǎn)造成彎曲變形;③退火爐內(nèi)空氣滲入(O2≥2.0%)加快碳套氧化;④碳套輥結(jié)瘤。

2)碳套輥表面形成結(jié)瘤。爐內(nèi)結(jié)瘤按其形成機(jī)理來分主要有粘附型和反應(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(duì)滑動(dòng)時(shí)帶鋼表面氧化物與爐輥?zhàn)陨肀砻嫜趸锞奂纬?這類氧化物結(jié)瘤在高溫下與爐輥會(huì)產(chǎn)生輕微熔融、擴(kuò)散和合金化[8]。對(duì)于碳套輥表面異物粘附形成的碳套結(jié)瘤通過磨輥可以較容易去除;而對(duì)于氧化物聚集及氧化鐵還原后形成的合金化的結(jié)瘤點(diǎn)去除就較為困難,這一類結(jié)瘤去除后也會(huì)在碳套表面形成凹坑(圖4),從而影響正常使用。

從TCMSP數(shù)據(jù)庫中收集到鉤藤散方劑中10味中藥的活性化合物，其中鉤藤65種、陳皮63種、半夏116種、茯苓34種、人參190種、防風(fēng)173種、生姜265種、甘草280種、菊花359種、麥冬8種，TCMID查詢到麥冬成分40種、石膏成分1種，根據(jù)設(shè)置的篩選條件OB≥30%、BBB≥0.3、DL≥0.18，篩選鉤藤散上述化學(xué)成分，其中石膏主要成分硫酸鈣因無有效預(yù)測(cè)靶點(diǎn)被剔除，40種麥冬有效成分沒有AMDE數(shù)據(jù)，從中選擇文獻(xiàn)報(bào)道具有藥物活性的化合物8種[22-24]，最終篩選出鉤藤散的65個(gè)活性化合物進(jìn)行后續(xù)分析，化合物信息見表1。

圖4 碳套輥結(jié)瘤去除后凹坑實(shí)圖

3)硅鋼性能不符合要求。造成硅鋼機(jī)械(力學(xué))性能不符合要求的主要原因有:①硅鋼本身材質(zhì)問題,在硅鋼煉鋼、熱軋及冷軋過程中任何工藝流程控制出現(xiàn)問題,都會(huì)造成最終產(chǎn)品力學(xué)性能產(chǎn)生變化,而且該變化隨著工序的延伸會(huì)逐漸擴(kuò)大化;②退火溫度影響,退火溫度對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能影響較大,特別是在連續(xù)退火過程中,帶鋼在退火爐內(nèi)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài),爐溫與速度的匹配會(huì)影響帶鋼的最終力學(xué)性能。

安鋼冷軋無取向硅鋼生產(chǎn)中磁性能指標(biāo)中經(jīng)常出現(xiàn)問題的是鐵損值和磁感應(yīng)強(qiáng)度。鐵損值指每單位質(zhì)量的鐵磁材料在交變和脈動(dòng)磁場(chǎng)中的磁滯損耗和渦流損耗之和。影響鐵損的主要原因有:①硅鋼帶微觀晶粒尺寸對(duì)鐵損的影響。晶界越多,磁滯損耗和矯頑力就越大,隨著晶粒的長大,晶界數(shù)量減少,疇壁移動(dòng)的阻力減小,磁滯損耗降低。但隨著晶粒的長大,磁疇尺寸增大,經(jīng)典渦流損耗和反常渦流損耗增加,因此要獲得最低的鐵損必然要有一個(gè)最佳的臨界尺寸[9]。②尺寸精度和內(nèi)應(yīng)力的影響。鋼板厚度減薄,磁滯損耗增高,但厚度減薄,渦流損耗明顯降低。鋼板內(nèi)應(yīng)力會(huì)使矯頑力增加,磁滯損耗增大,磁感降低,因此要盡可能減少內(nèi)應(yīng)力的存在。③帶鋼表面質(zhì)量對(duì)鐵損性能影響也較大。鋼板表面光滑平整,表面自由磁極減少,靜磁能降低,疇壁移動(dòng)的阻力減小,則磁滯損耗和矯頑力也會(huì)降低。

4 措施

對(duì)于碳套輥損耗過大的問題主要有以下幾方面措施:1)加強(qiáng)碳套裝配規(guī)范操作,減少碳套裝配過程中出現(xiàn)的機(jī)械碰撞產(chǎn)生碳套損壞;2)碳套輥輥芯按照材質(zhì)和耐熱不同分為高溫輥芯和低溫輥芯,在碳套輥更換過程中低溫輥裝入高溫區(qū)則會(huì)發(fā)生基輥(輥芯)變形,從而損壞碳套;3)生產(chǎn)中事故停車會(huì)使?fàn)t輥長時(shí)間保持一個(gè)狀態(tài),導(dǎo)致輥面受熱不均也是造成碳套輥損壞的重要原因,因此要減少事故停車,出現(xiàn)停車及時(shí)采用爐輥擺動(dòng)模式;4)適當(dāng)提高爐壓,控制爐內(nèi)露點(diǎn),減少爐內(nèi)氧氣分壓,降低氧含量,減少碳套表面氧化也是降低消耗的重點(diǎn);5)控制和減少爐輥結(jié)瘤。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐,對(duì)連退爐內(nèi)爐輥進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)結(jié)瘤主要出現(xiàn)在加熱段(RTF)和均熱段(SF),而整個(gè)爐區(qū)這兩段溫度最高,即爐輥結(jié)瘤主要出現(xiàn)在高溫段。進(jìn)一步對(duì)爐輥結(jié)瘤物進(jìn)行采樣化驗(yàn)分析,得出碳套輥結(jié)瘤物是以Fe為主的硬質(zhì)點(diǎn),鑲嵌在軟滑的石墨基體上。結(jié)瘤點(diǎn)與鋼帶間的摩擦系數(shù)在0.5以上,如結(jié)瘤碳套輥與運(yùn)行的鋼帶發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí),結(jié)瘤物就會(huì)受鋼帶摩擦力作用在石墨基體上滾動(dòng)脫落[10-12]。因此,出現(xiàn)爐輥結(jié)瘤印后采取的最有效措施就是磨輥。安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機(jī)組設(shè)計(jì)了在線磨輥功能,其原理就是通過調(diào)整爐輥運(yùn)轉(zhuǎn)速度使?fàn)t輥表面線速度與帶鋼運(yùn)行速度產(chǎn)生速度差,從而進(jìn)行磨輥。在線磨輥一般采用C料(DC01)進(jìn)行磨輥,C料成本較低,作為開機(jī)料返工卷為硅鋼生產(chǎn)做調(diào)試料可實(shí)現(xiàn)低成本磨輥。另一種磨輥方式是利用低牌號(hào)無取向硅鋼(AGW1300/AGW800)進(jìn)行磨輥,低牌號(hào)無取向硅鋼成分中硅含量較低,磨輥過程中也不易產(chǎn)生表面質(zhì)量問題。

另外,提高爐壓,降低爐內(nèi)露點(diǎn)(DP≤-30 ℃),控制加熱/均熱(RTF/SF段)氫氣用量,減少連退爐內(nèi)高溫段還原反應(yīng)也是控制和減少爐輥結(jié)瘤的有效措施。連退爐內(nèi)加熱/均熱段(RTF/SF段)通入H2作為保護(hù)氣體,其含量在20%左右,帶鋼表面未清洗干凈的氧化物在加熱/均熱段會(huì)發(fā)生還原反應(yīng),

FeO+H2→Fe+H2O

(1)

4H2+Fe3O4→3Fe+4H2O

(2)

對(duì)于碳套輥結(jié)瘤較為嚴(yán)重的情況,在線磨輥無法去除或去除后在碳套表面形成較大凹坑,影響到帶鋼表面質(zhì)量的爐輥則要定時(shí)進(jìn)行開爐檢查更換碳套。

在硅鋼機(jī)械(力學(xué))性能和磁性能方面,除了要加強(qiáng)原料煉鋼、熱軋、冷軋工藝過程的控制以提高厚度精確度和降低帶鋼同板差以外,還要通過優(yōu)化退火工藝參數(shù)(工藝速度、溫度)以消除帶鋼內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行控制。安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機(jī)組優(yōu)化后的工藝參數(shù)見表4。

表4 安鋼冷軋新材料退火-涂層連退爐工藝參數(shù)

5 效果

通過制定碳套輥安裝規(guī)范制度,優(yōu)化連退爐工藝參數(shù),安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機(jī)組在2023年第一季度碳套輥消耗明顯下降,見表5。

表5 2023年第一季度碳套輥消耗記錄

采用在線磨輥、提高爐壓、降低露點(diǎn)和控制H2用量等措施,減少了爐輥結(jié)瘤情況,對(duì)于結(jié)瘤嚴(yán)重的碳套進(jìn)行更換,帶鋼表面結(jié)瘤印(凹坑)顯著降低,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。通過調(diào)整退火工藝參數(shù)(工藝速度、溫度),優(yōu)化工藝過程控制,硅鋼機(jī)械(力學(xué))性能和磁性能有顯著提高。安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機(jī)組的成材率和一級(jí)品率均有較大幅度提高,見圖5。

圖5 安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機(jī)組一季度生產(chǎn)指標(biāo)

6 結(jié)語

在帶鋼生產(chǎn)中相較于立式退火爐,臥式退火爐主要有以下幾方面特點(diǎn)。

1)爐區(qū)操作工藝控制難度低。臥式退火爐張力較小(立式退火爐張力為200 kN左右,臥式退火爐張力為8～10 kN)。保證了帶鋼在較高溫度下能夠得到較大延展變形從而減少爐內(nèi)帶鋼瓢曲,進(jìn)而減少因帶鋼瓢曲而造成的爐區(qū)帶鋼運(yùn)行中跑偏、掛壁事故。

2)臥式退火爐采用的分段式輻射管加熱+電加熱帶的控溫模式,爐溫控制更為精確。其中,輻射管加熱根據(jù)功率設(shè)定要求,計(jì)算機(jī)基于模糊理論建立控制模型,三種控制模式分為HMI設(shè)定控制模式、數(shù)學(xué)模型控制模式和目標(biāo)溫度控制模式,隨機(jī)對(duì)區(qū)段內(nèi)煤氣輻射管電控?zé)爝M(jìn)行點(diǎn)燃,從而使區(qū)段內(nèi)輻射管加熱更為均勻,爐溫控制更加精準(zhǔn),爐區(qū)帶鋼受熱更為均勻,機(jī)械性能更為優(yōu)良。

3)爐輥采用小輥徑碳套輥(金屬鋼質(zhì)輥芯+石墨碳套)在爐內(nèi)傳送帶鋼時(shí)能避免帶鋼表面劃傷,減少鋼輥結(jié)瘤情況,降低帶鋼表面結(jié)瘤印。

4)HMI畫面控制中增加“在線磨輥”模式,通過控制爐輥線速度與帶鋼運(yùn)行速度產(chǎn)生速度差,可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)在線磨爐輥,減少爐輥結(jié)瘤印,提高帶鋼表面質(zhì)量。