硅鋼連退爐爐底輥結(jié)瘤影響因素及控制措施

馬云龍，楊忠杰，高振宇，林剛，劉立新

（鞍鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠，遼寧鞍山114021）

為了保證冷軋硅鋼的表面質(zhì)量和電磁性能，現(xiàn)冷軋硅鋼廠大多采用連續(xù)退火機(jī)組。碳套爐底輥在連續(xù)退火機(jī)組運(yùn)行時(shí)起支撐作用，然而在碳套的使用過程中，由于碳套本身的特點(diǎn)和爐內(nèi)的高溫狀態(tài)，其表面會(huì)附著結(jié)瘤。在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)結(jié)瘤在鋼板表面形成不同程度的硌印，這對(duì)鋼板的外觀質(zhì)量、出廠產(chǎn)品疊裝系數(shù)、用戶沖片后的鐵芯組裝，鐵芯的激磁狀態(tài)，及用戶生產(chǎn)的機(jī)電產(chǎn)品都有一定的影響。因此，分析結(jié)瘤原因，控制和減少結(jié)瘤產(chǎn)生，具有重要生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

1 連續(xù)退火機(jī)組簡介

硅鋼晶粒的回復(fù)、再結(jié)晶或脫碳、再結(jié)晶過程是在連續(xù)退火機(jī)組中完成的，該過程能夠保證硅鋼的電磁性能及產(chǎn)品的機(jī)械性能。其工藝流程如下：開卷→剪切→焊接→入口活套→堿洗→水洗→退火→控冷→快冷→水噴淋→涂層→干燥→風(fēng)冷→出口活套→剪切→卷取。

在該流程中主要有三大工藝：

（1）堿洗（脫脂），目的是洗掉帶鋼從前工序帶來的軋制油污，保證帶鋼清潔，降低帶鋼表面雜質(zhì)對(duì)連退爐內(nèi)氣氛的影響，降低鋼板表面缺陷和減少爐輥結(jié)瘤產(chǎn)生。

（2）退火，消除帶鋼在冷加工下產(chǎn)生的加工硬化，使帶鋼完成回復(fù)、再結(jié)晶過程，獲得所需的鐵損、磁感等主要應(yīng)用性能指標(biāo)，滿足用戶需要。

（3）涂絕緣涂層，在帶鋼表面附著一層薄的絕緣涂層，在鐵芯疊片過程中保證片間的絕緣性，降低磁化進(jìn)程中的渦流損耗。

機(jī)組其他方面的設(shè)備設(shè)置與功能能夠保證這三個(gè)工藝段功能穩(wěn)定實(shí)施，滿足機(jī)組整體運(yùn)行連續(xù)性要求。

2 結(jié)瘤產(chǎn)生的影響因素

很多人對(duì)結(jié)瘤物成分做過檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示結(jié)瘤的成分為單質(zhì)鐵[1]，形貌一般為3 mm以下的粒狀物（如圖1所示）。經(jīng)長期生產(chǎn)實(shí)踐摸索，得出如下結(jié)論，結(jié)瘤產(chǎn)生經(jīng)歷三個(gè)過程，即氧化鐵皮的聚集、氧化鐵皮的還原及氧化鐵皮還原后的堆積成球粒。在生產(chǎn)過程中，只要對(duì)這三個(gè)過程中的各個(gè)影響因素進(jìn)行有效控制，防止結(jié)瘤物生成或長大，就能有效解決結(jié)瘤問題。文中針對(duì)上述三個(gè)過程的影響因素進(jìn)行了分析。

圖1 碳套結(jié)瘤圖片

2.1 產(chǎn)生氧化鐵皮的影響因素

氧化鐵皮的來源分為爐外帶入和爐內(nèi)氧化兩種。前者是鋼板在運(yùn)行時(shí)將氧化鐵皮帶入爐內(nèi)產(chǎn)生的。在硅鋼生產(chǎn)過程中，運(yùn)行的鋼板分為兩種，一種是生產(chǎn)準(zhǔn)備過程中可多次運(yùn)行的調(diào)整材鋼板，另外一種是正常生產(chǎn)時(shí)只一次通過的正品材鋼板。此兩種鋼板的鐵皮帶入機(jī)制略有不同，調(diào)整材的鐵皮主要由表面的氧化鐵皮帶入，因鋼板本身的氧化鐵皮較厚，在多次運(yùn)行后氧化逐漸加重，當(dāng)其在爐內(nèi)運(yùn)行時(shí)，氧化鐵皮在爐內(nèi)脫落或反應(yīng)，并逐漸聚集，造成爐內(nèi)氧化鐵皮的富集，該氧化鐵皮是結(jié)瘤產(chǎn)生的基礎(chǔ)產(chǎn)物。

正品材鋼卷鐵皮的帶入主要為鋼板在軋制后表面會(huì)有微量的粘附，在軋后放置過程中還會(huì)輕微氧化，在連退堿洗過程中，堿液的鐵份會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的延長逐漸增加。在連退生產(chǎn)過程中主要是控制堿洗的清洗能力，以減少表面的固體顆粒粘附。

正品材在爐內(nèi)的氧化對(duì)爐底輥結(jié)瘤影響很大，由于連退線的作業(yè)率在90%以上，所以機(jī)組絕大部分時(shí)間在運(yùn)行正品材。根據(jù)連退爐工藝和設(shè)備特點(diǎn)，氧化主要發(fā)生在無氧化加熱爐段（NOF）、輻射管加熱爐段（RTF）、循環(huán)噴射冷卻段（RJC），其中在NOF段、RTF段氧化過程，摩擦和爐內(nèi)反應(yīng)對(duì)結(jié)瘤的影響比較直接，RJC段氧化后有少量氧化鐵皮飄散到加熱段，對(duì)結(jié)瘤產(chǎn)生間接影響，在生產(chǎn)過程中，此段氧化鐵皮對(duì)結(jié)瘤的影響不大。

NOF段燃燒方式為明火加熱，火焰直接和帶鋼表面接觸，其氧化源于燒嘴及燃燒狀態(tài)，NOF段為5段式分段控制，設(shè)置空燃比小于1，每段8個(gè)燒嘴為一個(gè)系統(tǒng)，8個(gè)燒嘴之間相互影響。NOF段氧化方式主要有兩種：

（1）當(dāng)某個(gè)燒嘴有缺陷時(shí)，會(huì)造成其燃燒不好，局部空氣過剩，過剩的空氣和爐內(nèi)帶鋼反應(yīng)，導(dǎo)致帶鋼氧化，從而在表面形成氧化鐵皮。燒損燒嘴見圖2。

圖2 燒損的燒嘴

（2）如果在同一段中的8個(gè)燒嘴中有一個(gè)或幾個(gè)燒嘴的空燃比控制不好，即使整體的空燃比為無氧化狀態(tài)，局部也會(huì)出現(xiàn)空氣過剩狀態(tài)，導(dǎo)致帶鋼氧化，表面形成氧化鐵皮，其氧化情況見圖3。圖中左側(cè)為氧化后的鋼板，右側(cè)為正常鋼板。

圖3 氧化鋼板和正常鋼板對(duì)比圖

RTF段的燃燒方式為輻射管加熱，正常情況下，火焰不和帶鋼直接接觸，燃燒的煤氣和助燃的空氣不進(jìn)入爐內(nèi)，不會(huì)影響爐內(nèi)的氣氛或造成帶鋼氧化。但如果輻射管發(fā)生破損，如圖4所示，情況將大不一樣。由于此段采取的空燃比大于1，一般在1.2～1.4，如果此段輻射管破損，將有大量的過剩空氣進(jìn)入爐內(nèi)，造成帶鋼在此段嚴(yán)重氧化，對(duì)結(jié)瘤產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖4 破損的輻射管

RJC段為氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下的冷卻，一般情況下，由于爐殼和換熱器的密閉性不足，造成鋼板在爐內(nèi)輕微氧化，這種氧化不會(huì)對(duì)爐內(nèi)結(jié)瘤產(chǎn)生影響。但當(dāng)氣密性發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，鋼板表面氧化嚴(yán)重，在查找和處理氣密性問題時(shí)，運(yùn)行調(diào)整材會(huì)產(chǎn)生一定量的氧化鐵皮，由于爐內(nèi)氣體流動(dòng)的方向與鋼帶運(yùn)行方向相反，有一定量的氧化鐵皮被吹到加熱段。此外，在爐子升溫和降溫過程中，機(jī)組會(huì)運(yùn)行一定量的調(diào)整材，其表面的氧化鐵皮也會(huì)在爐內(nèi)產(chǎn)生一定的堆積，這些氧化鐵皮同樣會(huì)被吹到前段。氧化鐵皮堆積情況如圖5所示。

圖5 RJC處堆積的氧化鐵皮

2.2 氧化鐵皮還原的影響因素

爐前帶入的氧化鐵皮以Fe3O4為主，爐內(nèi)前段輕微氧化的產(chǎn)物為FeO與Fe3O4的混合物，通過控制帶鋼在爐內(nèi)氧化鐵皮的還原，能有效控制結(jié)瘤。爐內(nèi)氣氛為保護(hù)性氣氛氮?dú)猓欢窟€原性氣體H2及氧化性的水蒸氣，混合物氧化鐵皮的還原反應(yīng)方程如下：

判斷還原反應(yīng)是否發(fā)生的一個(gè)主要條件是控制氫氣和水蒸氣的比例。氫氣為還原性氣體而水蒸氣是氧化性氣體，控制兩者的比例（H2/H2O），相當(dāng)于控制H2+H2O混合氣相的氧分壓[2-3]。

反應(yīng)平衡時(shí)，吉布斯自由能為零，氧分壓如下：

式中pO2、pH2O、pH2分別為氧氣、水蒸氣和氫氣的分壓；△G0為反應(yīng)式吉布斯自由能；R為氣體平衡常數(shù)；T為反應(yīng)發(fā)生的溫度。從式（4）中可以看出，爐內(nèi)氧化性氣氛和水蒸氣分壓的平方成正比，和氫氣分壓的平方成反比。

2.3 氧化鐵還原后的聚集

氧化鐵還原后為單質(zhì)鐵，單質(zhì)鐵在爐溫下不斷聚集，粘結(jié)熔融在一起，幾何尺寸不斷變大，達(dá)到一定大小后粘附于爐輥表面。當(dāng)帶鋼在爐輥上運(yùn)行時(shí)，鋼板表面會(huì)形成硌印，影響鋼板的外觀質(zhì)量，進(jìn)而降低鋼板的疊裝系數(shù)。

3 結(jié)瘤的控制措施

針對(duì)產(chǎn)生結(jié)瘤的各個(gè)環(huán)節(jié)及影響因素，在生產(chǎn)中通過實(shí)踐逐步制定相應(yīng)的控制措施。

3.1 氧化鐵皮聚集的控制

防止調(diào)整材的氧化鐵皮帶入的措施：

（1）過渡調(diào)整材鋼卷在高溫爐運(yùn)行速度不少于60 m/min，減少其下次進(jìn)爐運(yùn)行時(shí)鋼卷表面的氧化程度。

（2）帶鋼表面目視氧化較重或運(yùn)行次數(shù)達(dá)到15次則下線判廢，禁止再次上線使用。

（3）在運(yùn)行調(diào)整材時(shí)，堿洗系統(tǒng)正常投入，保證其堿洗能力，減少鐵皮等雜物粘附。

防止正品材鐵皮帶入的控制措施：

（1）嚴(yán)格控制堿洗堿液的鐵份，堿噴鐵份控制在600 mg/l以下，堿刷鐵份控制在200 mg/l以下，保證堿洗設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和投入，提高帶鋼出堿洗時(shí)的表面質(zhì)量，減少鐵份帶入爐內(nèi)。

（2）保證堿噴、堿刷磁過濾器正常投入，使一定量的鐵份能夠從磁過濾器排除，以減少鋼板上的粘附量。

（3）保證擠干輥的狀態(tài)，如有帶水現(xiàn)象及時(shí)更換，減少鐵皮帶入量。

防止NOF段氧化的控制措施：

（1）在檢修時(shí)，通過觀察燒嘴完整性、燃燒火焰顏色及爐內(nèi)火焰燃燒痕跡，及時(shí)更換有缺陷的燒嘴。

（2）在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)氧化可以采取分段停燒嘴的方法確認(rèn)氧化段，分燒嘴停煤氣、空氣，確認(rèn)燒嘴的氧化方式進(jìn)行確認(rèn)。在生產(chǎn)時(shí)，可以采取對(duì)氧化燒嘴進(jìn)行暫時(shí)單獨(dú)關(guān)閉，減少氧化鐵皮的產(chǎn)生，檢修時(shí)再進(jìn)行更換。

（3）按周期更換燒嘴，不允許燒嘴無限期使用，具體周期應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐確定。

防止RTF段氧化的控制措施：RTF段氧化的原因?yàn)檩椛涔艿钠茡p，通過停爐目視檢查輻射管，及時(shí)更換破損的輻射管。當(dāng)目視檢查無結(jié)果時(shí)，也可采取打壓的方式進(jìn)行詳細(xì)查找，但打壓的工作量比較大，不建議做為常規(guī)的處理辦法。

RJC段鐵皮的控制措施：每次停爐檢修時(shí)，對(duì)氧化鐵皮進(jìn)行進(jìn)爐清理，減少爐內(nèi)氧化鐵皮的聚集量，進(jìn)一步減少被吹到加熱段內(nèi)的氧化鐵皮量，從而有效的控制結(jié)瘤。減少由于RJC氣密性不好造成的鋼板氧化，減少氧化鐵皮的產(chǎn)生量。

3.2 氧化鐵皮的還原

從式（4）可以看出，爐內(nèi)氧化性氣氛的決定性因素是水蒸氣和氫氣的分壓比，所以在生產(chǎn)中，根據(jù)爐況和連退爐各段的特點(diǎn)，控制氫氣和水的比例，對(duì)控制結(jié)瘤能夠起到明顯效果。但調(diào)整的幅度要以完成爐內(nèi)鋼板光亮退火為原則，在爆炸極限條件內(nèi)，爐內(nèi)還是還原性氣氛，只是還原性控制在一定范圍內(nèi)，達(dá)到既不結(jié)瘤又能滿足光亮退火的板面要求。通過現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)，正常爐況下，生產(chǎn)低牌號(hào)硅鋼，氫氣控制在18%～20%，露點(diǎn)控制在20℃左右，能夠?qū)Y(jié)瘤的控制取得滿意的效果。

當(dāng)爐況發(fā)生劣化時(shí)，包括加熱段的燃燒未達(dá)到平衡，造成局部輕微氧化，通過調(diào)整氫氣和水蒸氣的比例也可取得很好的效果，此時(shí)，把氫氣控制在16%～17%,露點(diǎn)控制在30℃，能很好地控制結(jié)瘤，同時(shí)還能保證得到表面光亮的鋼板。根據(jù) van’t Hoff近似規(guī)則,溫度每上升 10℃，反應(yīng)速度提高到原來的2～4倍[4],所以爐內(nèi)溫度對(duì)結(jié)瘤的影響非常明顯。在有結(jié)瘤傾向時(shí)，可對(duì)該爐段的溫度適當(dāng)降低30～50℃，還原反應(yīng)的速度會(huì)成指數(shù)下降，對(duì)控制結(jié)瘤物的產(chǎn)生也起到意想不到的效果。

3.3 氧化鐵還原后的聚集

控制單質(zhì)鐵的聚集，在現(xiàn)場(chǎng)采取調(diào)整爐內(nèi)張力的方法，取得了明顯的效果。當(dāng)生產(chǎn)高牌號(hào)硅鋼鋼板或有結(jié)瘤傾向時(shí)，可適當(dāng)降低爐內(nèi)張力，張力調(diào)整見表1。

表1 爐內(nèi)張力調(diào)整表

通過降低爐內(nèi)張力，增加了帶鋼和爐輥的包角，提高了單質(zhì)鐵微粒粘附鋼板表面被帶出爐內(nèi)的概率，對(duì)減少單質(zhì)鐵在爐內(nèi)和爐輥上的聚集有積極作用。對(duì)有結(jié)瘤傾向的爐輥采取在線磨輥的方法，即將在線爐輥的速度提高或降低5%左右，爐輥和帶鋼之間產(chǎn)生的相對(duì)摩擦可以使結(jié)瘤小塊脫落，避免結(jié)瘤物的聚集。

措施采取后，有效地控制了結(jié)瘤的發(fā)生，使結(jié)瘤周期由原來的2周時(shí)間改變到基本無結(jié)瘤發(fā)生，提高了機(jī)組產(chǎn)能，每月每條連退機(jī)組產(chǎn)能提高了400 t，降低了無謂的能源介質(zhì)消耗，保證了鋼板的質(zhì)量和生產(chǎn)的連續(xù)性，延長了碳套使用周期。

4 結(jié)語

硅鋼產(chǎn)品作為鋼鐵產(chǎn)品，其表面質(zhì)量至關(guān)重要。在生產(chǎn)過程中，連退機(jī)組爐底輥造成的結(jié)瘤不僅影響表面質(zhì)量和疊裝系數(shù)等功能特性，還對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏、產(chǎn)能有重要影響。通過分析及實(shí)踐，連續(xù)退火爐結(jié)瘤的產(chǎn)生與爐內(nèi)氧化鐵皮的帶入和產(chǎn)生、氧化鐵皮在爐內(nèi)的還原及還原產(chǎn)物的聚集有直接關(guān)系。在生產(chǎn)中通過調(diào)整NOF燒嘴燃燒狀態(tài)、控制RTF輻射管的泄漏，控制調(diào)整材和堿洗，能控制爐內(nèi)氧化鐵皮的產(chǎn)生和帶入；通過控制爐內(nèi)氫氣和水蒸氣的比例，對(duì)爐內(nèi)溫度的局部調(diào)整可以控制氧化鐵皮在爐內(nèi)的還原；通過調(diào)整爐內(nèi)張力和在線磨輥能減少還原產(chǎn)物的聚集。

通過采取有效的措施，能夠有效控制結(jié)瘤的發(fā)生，提高機(jī)組產(chǎn)能，降低能源介質(zhì)消耗，保證鋼板的質(zhì)量和生產(chǎn)的連續(xù)性，延長碳套的使用周期。