不銹鋼冷軋連續(xù)退火爐冷卻段支撐輥壓入痕缺陷治理

張君平,張 榮,黃種生,楊光平,徐 超,陳飛峰

(中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司德盛不銹鋼有限公司,福建 羅源 350600)

不銹鋼在冷軋連續(xù)退火酸洗線(CAPL)的表面質(zhì)量是產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)程控制的關(guān)鍵,嚴(yán)格控制好帶鋼在退火及冷卻過(guò)程中表面質(zhì)量極其重要,而帶鋼表面壓入缺陷在冷軋連續(xù)退火酸洗線生產(chǎn)過(guò)程中的特定條件下較常見(jiàn),這對(duì)表面產(chǎn)品加工用戶的影響特別大。國(guó)內(nèi)各類鋼鐵生產(chǎn)廠都有對(duì)退火爐加熱段爐內(nèi)支撐輥結(jié)瘤的相關(guān)研究[1-11],對(duì)此也作了大量的創(chuàng)新改進(jìn)措施[12-16],并取得了一定的效果。而對(duì)退火爐冷卻段支撐輥產(chǎn)生的壓入以及輥面結(jié)瘤研究文獻(xiàn)較少。

在不銹鋼冷軋連續(xù)退火爐的加熱段和冷卻段的高溫區(qū)(帶鋼溫度>750 ℃),由于各種原因容易導(dǎo)致輥面氧化鐵屑顆粒嵌入或黏結(jié)在輥面,從而造成帶鋼表面出現(xiàn)支撐輥壓入痕(亦稱麻點(diǎn)或白點(diǎn))等質(zhì)量缺陷,最后導(dǎo)致降速或停機(jī)換輥處理,最終對(duì)機(jī)組產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量均帶來(lái)嚴(yán)重的影響。冷軋廠的不銹鋼直接冷軋連續(xù)退火酸洗線(簡(jiǎn)稱DRAPL)在2019年6～8月偶有發(fā)生退火爐冷卻段支撐輥壓入缺陷,經(jīng)過(guò)綜合分析,并采取相對(duì)應(yīng)的措施進(jìn)行綜合治理,最終消除了該缺陷,2020年6～8月未再發(fā)生此缺陷。

1 DRAPL退火爐及產(chǎn)品特性簡(jiǎn)介

該生產(chǎn)線的連續(xù)退火爐由比利時(shí)的DREVER公司設(shè)計(jì)制造,主體設(shè)備由預(yù)熱、加熱、均熱構(gòu)成的加熱段及由風(fēng)冷1#、2#、3#和水冷構(gòu)成的冷卻段總成。如圖1所示,加熱段采用圓盤(pán)輥和陶瓷纖維支撐輥支撐帶鋼運(yùn)行,共有5只圓盤(pán)輥、10支陶瓷纖維支撐輥和1支不銹鋼支撐輥;而冷卻段采用銅合金涂層輥和其他合金輥,共有6支支撐輥,其中1#和2#為銅合金涂層輥,其他為不銹鋼輥;所有退火爐的支撐輥冷卻采用1套閉循環(huán)間接冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行換熱冷卻,而該冷卻循環(huán)水系統(tǒng)是由板式換熱器通過(guò)凈循環(huán)水進(jìn)行間接冷卻。

圖1 DRAPL退火爐間接冷卻支撐輥圖

該生產(chǎn)線的產(chǎn)品主要規(guī)格厚度為0.3～3.0 mm,寬度為900～1 250 mm;原設(shè)計(jì)TVmax為100 mm·m/min,實(shí)際最高TV值可達(dá)130 mm·m/min;主要生產(chǎn)300系、400系、200系不銹鋼。

2 冷卻段支撐輥壓入缺陷的形成

DRAPL在2019年6～8月期間生產(chǎn)厚度大于1.5 mm、退火材溫高于1 000 ℃、TV值大于110 mm·m/min的帶鋼時(shí),在帶鋼與支撐輥接觸面的邊部便出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的壓入痕缺陷,經(jīng)酸洗平整后,肉眼所見(jiàn)為較明顯的壓入(白點(diǎn)),如圖2所示;生產(chǎn)線停機(jī)后查找該缺陷,發(fā)現(xiàn)退火爐冷卻段的風(fēng)冷1#室出口1#支撐輥的表面有對(duì)應(yīng)狀態(tài)的結(jié)瘤,如圖3所示。

圖2 帶鋼表面的支撐輥壓入痕

圖3 風(fēng)冷1#支撐輥輥面結(jié)瘤

3 冷卻段支撐輥壓入缺陷產(chǎn)生原因分析

不銹鋼帶進(jìn)入冷卻段后的換熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的熱傳遞過(guò)程,對(duì)于空冷段的傳熱分析,可認(rèn)為是射流沖擊傳熱。從加熱段進(jìn)入風(fēng)冷1#室的帶鋼熱量將直接通過(guò)輻射和接觸傳導(dǎo)給1#支撐輥,而支撐輥的熱量只能通過(guò)冷風(fēng)和輥內(nèi)的冷卻循環(huán)水進(jìn)行熱傳遞。而當(dāng)冷風(fēng)機(jī)和排煙風(fēng)機(jī)均達(dá)到最大負(fù)荷時(shí),支撐輥的熱量只能通過(guò)閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與凈循環(huán)水進(jìn)行最終換熱,而閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻換熱能力受到原設(shè)計(jì)最大值限制。冷卻段1#支撐輥材質(zhì)為銅合金涂層輥,其涂層軟化溫度低。當(dāng)帶鋼溫度過(guò)高或高速生產(chǎn)帶到冷卻段的熱量過(guò)多、在輥面冷卻不良時(shí),導(dǎo)致涂層軟化,當(dāng)帶鋼與涂層銅合金支撐輥局部呈面接觸而非線接觸時(shí),涂層破損,最終導(dǎo)致萌生結(jié)瘤。由此對(duì)相關(guān)誘因進(jìn)行了分析和查找。

3.1 產(chǎn)品及生產(chǎn)條件的影響

通過(guò)查閱生產(chǎn)質(zhì)量缺陷數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),該質(zhì)量缺陷集中在厚度1.5～3.0 mm、TV值大于110 mm·m/min的各個(gè)鋼種,并有相同規(guī)律:厚度越厚、TV值越大、相對(duì)工藝速度較快,該缺陷發(fā)生率越高;退火材溫越高(>1 000 ℃),該缺陷發(fā)生率越高。然后進(jìn)行降速(降低TV值)生產(chǎn)試驗(yàn),當(dāng)TV值降低至100 mm·m/min后發(fā)現(xiàn)該缺陷有明顯的減少,降至90 mm·m/min時(shí)基本消除,對(duì)應(yīng)的針壓也有十分明顯的改善,這主要是受到退火爐熱能[17-18]和爐輥冷卻能力的影響[19],但降速生產(chǎn)直接影響產(chǎn)量和生產(chǎn)成本,以及生產(chǎn)效率。

通過(guò)測(cè)量不同帶鋼溫度與對(duì)應(yīng)冷卻段1#、2#支撐輥冷卻水溫度(見(jiàn)表1),可以確定帶鋼溫度直接影響到支撐輥內(nèi)冷卻循環(huán)水溫度及閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻水溫度的變化。

表1 冷卻段支撐輥輥芯冷卻水溫度和帶鋼溫度

3.2 環(huán)境氣溫的影響

查看相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表2)發(fā)現(xiàn),該質(zhì)量缺陷出現(xiàn)在5～10月之間,其中6～9月較突出,而且集中在白天,晚上基本沒(méi)有發(fā)生;查閱當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),5～10月白天氣溫明顯較高,而且廠房?jī)?nèi)室溫會(huì)比氣溫高3～8 ℃,由此帶來(lái)對(duì)傳熱、導(dǎo)熱,輻射以及凈循環(huán)水溫變化的較大影響,因此,最終導(dǎo)致?tīng)t輥冷卻水隨氣溫而變化(表3),最終導(dǎo)致退火爐支撐輥輥面溫度產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變化。這也是產(chǎn)生退火爐支撐輥壓入缺陷以及針壓的一個(gè)重要因素,為此降低生產(chǎn)速度會(huì)有效,其實(shí)相當(dāng)于在單位時(shí)間內(nèi)減少退火爐支撐輥的熱負(fù)荷量。

表2 發(fā)生壓入缺陷歷史情況統(tǒng)計(jì)

表3 2019年?duì)t輥閉循環(huán)系統(tǒng)冷卻水溫(最高值)統(tǒng)計(jì)

3.3 設(shè)備狀態(tài)影響

3.3.1 支撐輥內(nèi)部冷卻水循環(huán)結(jié)構(gòu)影響

冷卻段支撐輥主要采用了兩種冷卻水進(jìn)水結(jié)構(gòu)的輥型,主要區(qū)別為進(jìn)水管長(zhǎng)短及輥芯結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4、5。該兩種支撐輥,其中短進(jìn)水管的冷卻效果會(huì)明顯優(yōu)于長(zhǎng)進(jìn)水管的輥?zhàn)?因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)1較結(jié)構(gòu)2減少了1次間接換熱。但結(jié)構(gòu)1的進(jìn)水管接頭處在安裝不到位或磨損嚴(yán)重的情況下,會(huì)導(dǎo)致部分冷卻水未經(jīng)輥身直接回流,從而造成輥身冷卻不良;而結(jié)構(gòu)2的冷卻水流速會(huì)受到通道和輥身的影響,并增加了1次進(jìn)水管的間接換熱,從而影響輥身的冷卻效果。

圖4 冷卻段支撐輥結(jié)構(gòu)1

3.3.2 閉循環(huán)冷卻循環(huán)系統(tǒng)中換熱器影響

換熱器采用板式換熱器,主要介質(zhì)為支撐輥冷卻水和凈循環(huán)冷卻水。其中,支撐輥冷卻水為脫鹽水,非常干凈,只有極少的管道和輥內(nèi)脫落的小于1 mm的金屬顆粒物;凈循環(huán)水源為工業(yè)水,而且多處使用,處理流程中會(huì)帶有很多雜質(zhì),在管道過(guò)濾器中會(huì)有如圖6所示較多較大的雜質(zhì)。在經(jīng)過(guò)板式換熱器時(shí)在一定的溫度條件下,換熱過(guò)程中產(chǎn)生結(jié)垢和黏糊物并逐漸累積。如圖7所示,發(fā)現(xiàn)板式換熱器通道有明顯的堵塞,而板式換熱器的支撐輥冷卻水通道側(cè)無(wú)任何結(jié)垢和黏糊物,如圖8所示。

圖5 冷卻段支撐輥結(jié)構(gòu)2

圖6 凈循環(huán)水管道過(guò)濾器雜質(zhì)

圖7 板式換熱器凈循環(huán)水通道側(cè)結(jié)垢和黏糊物

圖8 板式換熱器支撐輥冷卻水通道側(cè)

3.3.3 閉循環(huán)冷卻水流量分配影響

原設(shè)計(jì)圖紙(圖1)設(shè)計(jì)冷卻水流量分配為:加熱段各圓盤(pán)輥(共5只)供冷卻水為10 m3/h,每只圓盤(pán)輥配置2支支撐輥,各支供冷卻水5 m3/h;退火爐入口1支支撐輥+冷卻段(風(fēng)冷1#～3#室)5支支撐輥各供冷卻水5 m3/h;其他設(shè)備冷卻供水為高溫計(jì)3.2 m3/h,各圓盤(pán)輥密封2 m3/h,退火爐入、出口密封水冷梁各5 m3/h,退火爐出口提升梁3 m3/h。實(shí)際流量分配會(huì)受到與泵的距離近遠(yuǎn)、壓力、阻力、溫度等產(chǎn)生變化。根據(jù)退火爐各段各區(qū)的帶鋼溫度和爐內(nèi)溫度不同,退火爐入口和冷卻段末端溫度較低,均小于300 ℃,因此,可以適當(dāng)減少對(duì)退火爐工作環(huán)境溫度小于300 ℃的區(qū)域的支撐輥以及其他設(shè)備所用冷卻水流量,而增大其他工作環(huán)境溫度較高區(qū)域的支撐輥冷卻水流量。

3.3.4 閉循環(huán)冷卻水供水壓力影響

原設(shè)計(jì)退火爐閉循環(huán)冷卻水供水工作壓力為0.35～0.5 MPa,一般正常工作水壓為0.38～0.45 MPa,因此,可將其供水工作壓力穩(wěn)定到0.40～0.48 MPa,從而保證冷卻水穩(wěn)定且高流速運(yùn)動(dòng),也有利于提高冷卻效率,但會(huì)受換熱器的換熱能力的影響。

3.4 工藝條件的影響

在相同TV值條件生產(chǎn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)退火材溫較高(帶鋼溫度>1 000 ℃)時(shí)更容易產(chǎn)生退火爐支撐輥壓入缺陷,冷卻段風(fēng)冷1#室出口支撐輥結(jié)瘤時(shí),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量該位置帶鋼材溫度≥750 ℃。

4 冷卻段支撐輥壓入缺陷綜合治理

4.1 生產(chǎn)計(jì)劃管控

結(jié)合天氣變化,在每年的5～10月之間,特別是6～9月期間,將規(guī)格厚度大于1.5 mm和退火材溫大于1 000 ℃的產(chǎn)品按排在22∶00～8∶00時(shí)間段生產(chǎn),生產(chǎn)實(shí)踐證明,既不會(huì)產(chǎn)生壓入缺陷,保證產(chǎn)量和成本,同時(shí)還可以減少針壓發(fā)生率,并降低陶瓷纖維輥的磨損量。

4.2 生產(chǎn)應(yīng)急措施

當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)壓入缺陷時(shí),首先降低生產(chǎn)節(jié)奏及生產(chǎn)速度,直到該缺陷消失,然后逐步向厚度較薄(<1.5 mm)的規(guī)格切換后再緩慢升速,減少產(chǎn)能、速度、成本等方面的損失。

4.3 設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)

4.3.1 科學(xué)選用較優(yōu)的輥身冷卻水結(jié)構(gòu)的支撐輥

優(yōu)先選用支撐輥輥身冷卻水結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)1(圖4)的輥型為風(fēng)冷1#、2#輥,同時(shí)確認(rèn)進(jìn)水管管頭磨損情況,并安裝到位,如果旋轉(zhuǎn)接頭發(fā)生偏轉(zhuǎn),須及時(shí)更換新接頭,確保冷卻水全部進(jìn)入輥芯內(nèi)并從另一側(cè)返流。

4.3.2 優(yōu)化風(fēng)冷1#支撐輥冷卻水旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)水管管徑

將原變徑(DN32變DN25,如圖9所示)接頭改為同徑(DN32)接頭(見(jiàn)圖10)。

圖9 進(jìn)水管原變徑接頭

圖10 改進(jìn)后的同徑進(jìn)水管接頭

經(jīng)改進(jìn)后,原設(shè)計(jì)為5.0 m3/h的進(jìn)水流量監(jiān)測(cè)計(jì)由59%增漲至74%,有較明顯的提高;風(fēng)冷1#輥處可承受帶鋼材溫最高可達(dá)810 ℃而無(wú)壓入缺陷產(chǎn)生。

4.3.3 退火爐所有支撐輥冷卻水水量分配優(yōu)化

將退火爐入口支撐輥、密封水冷梁和風(fēng)冷4#、5#支撐輥的水量各減少5%～10%后,風(fēng)冷1#支撐輥流量由74%增漲至85%,又有明顯的效果;在此狀態(tài)下,1#輥處可承受帶鋼材溫最高850 ℃,無(wú)壓入缺陷產(chǎn)生。

4.3.4 退火爐閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水壓控制優(yōu)化

通過(guò)程序進(jìn)行冷卻水壓力穩(wěn)定控制,將壓力設(shè)定限值范圍調(diào)整到0.42～0.48 MPa,當(dāng)壓力低于該限值范圍時(shí),將自動(dòng)補(bǔ)加脫鹽水進(jìn)行增壓至該壓力范圍內(nèi)。

4.3.5 閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)周期優(yōu)化

對(duì)換熱器以及過(guò)濾器的維護(hù)周期進(jìn)行優(yōu)化,見(jiàn)表4。

表4 設(shè)備維護(hù)周期

5 治理效果

經(jīng)過(guò)以上綜合治理后,2019年8月以后至今未發(fā)生過(guò)退火爐冷卻段支撐輥壓入缺陷。

6 結(jié)論

(1)退火爐冷卻段支撐輥壓入缺陷直接原因?yàn)轱L(fēng)冷1#支撐輥輥面與高溫帶鋼接觸在冷卻不良情況下,輥面溫度過(guò)高,達(dá)到或超過(guò)結(jié)瘤的臨界溫度,最終導(dǎo)致輥面結(jié)瘤,對(duì)運(yùn)行帶鋼接觸的表面產(chǎn)生壓入質(zhì)量缺陷。而導(dǎo)致1#支撐輥冷卻不良的根本原因有:環(huán)境溫度過(guò)高、產(chǎn)能(TV值)提高、退火材溫高、冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及配置、支撐輥結(jié)構(gòu)、凈循環(huán)水質(zhì)量及溫度變化以及設(shè)備維護(hù)管理等。

(2)退火爐閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的冷卻能力不能滿足全年全天候的滿負(fù)荷和超極限(TV值≥110 mm·m/min)生產(chǎn),因此支撐輥冷卻水系統(tǒng)與產(chǎn)能設(shè)計(jì)具有舉足輕重的作用,其冷卻能力及冷卻效率直接影響到生產(chǎn)線的產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際優(yōu)化退火爐閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備,提高個(gè)別支撐輥冷卻效率可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效地消除或減輕支撐輥壓入缺陷的產(chǎn)生,但會(huì)受限于原冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的冷卻能力、氣溫變化、產(chǎn)品及工藝。

(4)所屬地區(qū)的氣溫條件是影響退火爐設(shè)備冷卻的重要因素。

(5)掌握并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際中的特性,比如環(huán)境特性、設(shè)備特性、產(chǎn)品特性和生產(chǎn)工藝特性等,然后實(shí)施科學(xué)合理經(jīng)濟(jì)有效的生產(chǎn)計(jì)劃和應(yīng)急方案,可以避免或減少壓入缺陷的發(fā)生。

(6)調(diào)整退火爐爐輥閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中換熱器換熱能力和改變間接冷卻換熱水源(凈循環(huán)水)水溫、流量和流速,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻能力調(diào)整。