寬厚板熱處理爐爐底輥結(jié)瘤成因及對策

沈彬彬

（山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪分公司技術(shù)中心，山東 濟(jì)南 271104）

0 引言

輥底式熱處理爐被廣泛應(yīng)用于中厚板的淬火、正火及回火等熱處理生產(chǎn)。但目前在輥底式熱處理爐的生產(chǎn)過程中，輥面結(jié)瘤導(dǎo)致鋼板下表面出了現(xiàn)輥印，造成鋼板大面積修磨甚至報(bào)廢，嚴(yán)重影響了鋼板產(chǎn)品的表面質(zhì)量。因此，輥面結(jié)瘤問題嚴(yán)重影響熱處理產(chǎn)品的正常生產(chǎn)，也一直困擾著工業(yè)爐公司和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)。為保證鋼板下表面質(zhì)量，不得不增加檢修時(shí)間，清除輥面結(jié)瘤，加大拖輥頻次，以減少輥印的產(chǎn)生，從而極大地影響了熱處理行業(yè)的作業(yè)率和產(chǎn)能[1-2]。

該文結(jié)合離線淬火前鋼板表面氧化鐵皮、拋丸用丸料和爐底輥上的結(jié)瘤物的掃描電鏡和能譜檢測，系統(tǒng)研究了熱處理爐爐底輥結(jié)瘤物的產(chǎn)生原因及形成機(jī)理。采取優(yōu)化拋丸工藝以及控制熱處理爐內(nèi)氧含量等措施，減少爐底輥結(jié)瘤[3]。

1 爐底輥結(jié)瘤形成機(jī)理分析

筆者收集了離線淬火前鋼板表面氧化鐵皮、拋丸用丸料以及爐底輥上的結(jié)瘤物，通過掃描電鏡和能譜檢測分析了爐底輥結(jié)瘤物質(zhì)的主要來源以及形成機(jī)理。

1.1 鋼板表面氧化鐵皮檢測及分析

將淬火前的鋼板進(jìn)行氧化鐵皮取樣，進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析。如圖1所示，鋼板表面氧化鐵皮呈現(xiàn)致密態(tài)的片狀結(jié)構(gòu)，對鋼板表面氧化鐵皮進(jìn)行能譜分析，其譜圖結(jié)果如圖2所示。淬火前鋼板表面氧化鐵皮成分如表1所示。

圖1 鋼板表面氧化鐵皮掃描照片

圖2 鋼板表面氧化鐵皮能譜

由表1可知，淬火前鋼板表面氧化鐵皮成分中O元素含量為22.07%，氧元素主要來源于鋼板在加熱及軋制過程中的氧化。在結(jié)果中還檢測出6.46%的Ca元素，0.18%的Mg。這主要是因?yàn)閷捄癜遘埦€高壓除磷和軋后冷卻時(shí)使用的冷卻水中含有鈣、鎂離子。其中鈣、鎂離子以Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2的形式存在，Ca（HCO3）2和Mg（HCO3）2的濃度約為700mg/L～1000mg/L。 軋線高壓除磷和軋后冷卻過程中，Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2遇到熱鋼板以CaCO3和MgCO3的形式發(fā)生沉淀，殘留在鋼板表面。

1.2 拋丸機(jī)丸料檢測及分析

對拋丸機(jī)丸料取樣，進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析。如圖3所示，鋼板表面氧化鐵皮呈現(xiàn)致密態(tài)結(jié)構(gòu)，對丸料進(jìn)行能譜分析，其結(jié)果如圖4所示。拋丸機(jī)丸料成分如表2所示。從丸料成分可以發(fā)現(xiàn)，丸料中未發(fā)現(xiàn)Mg、Cl、Ca、Cr等元素成分。Fe含量約為77.3%，氧含量約為23.84%，錳含量約為1.2%。

圖3 拋丸機(jī)丸料掃描照片

表2 拋丸機(jī)丸料成分

1.3 爐底輥結(jié)瘤物檢測及分析

對爐底輥結(jié)瘤物進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析。其形貌如圖5所示，該結(jié)瘤呈現(xiàn)層狀堆積，其原因是鋼板帶入的以及鋼板在爐內(nèi)產(chǎn)生的氧化鐵皮積累疊加，并在近乎熱熔的狀態(tài)下發(fā)生高溫氧化而逐步增大的。圖6為爐底輥結(jié)瘤物成分能譜分析。分析了其化學(xué)成分，其結(jié)果如表3所示。

圖5 結(jié)瘤物掃描照片

圖6 結(jié)瘤物能譜

表3 爐底輥結(jié)瘤物成分

爐底輥結(jié)瘤物中檢測出24.75%的O元素，0.27%的Mg元素，4.49%的Ca元素以及63.39%的Fe元素。

1.4 爐底輥結(jié)瘤形成機(jī)理分析

熱處理爐底輥材質(zhì)為爐輥（DIN1.4826），其成分為Cr含量25%，F(xiàn)e含量38.5%，Ni含量35%，Nb含量1.5%，爐底輥成分中不含Ca元素。且除去鋼板表面氧化鐵皮中因冷卻水沉淀的Ca元素外，鋼板基體不含有Ca元素。通過丸料能譜分析可知，丸料中不含有Ca元素。因此，結(jié)瘤物中的Ca元素來源于拋丸后在鋼板表面未被拋凈的氧化鐵皮。從Ca元素的檢測分析結(jié)果可知，爐底輥結(jié)瘤物主要是由于鋼板在熱軋過程中表面形成的氧化鐵皮在拋丸時(shí)未被徹底拋干凈，帶入爐內(nèi)，在熱處理爐高溫狀態(tài)下，在近乎熱熔的狀態(tài)下黏附到爐底輥表面。

對比鋼板表面氧化鐵皮和結(jié)瘤物成分可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)瘤物成分中的Fe元素和O元素的含量較鋼板表面氧化鐵皮中的Fe元素和O元素的含量有所增加。同時(shí)，結(jié)瘤物成分中的Ca元素較鋼板表面氧化鐵皮中的Ca元素含量有所降低。這主要是由于，鋼板表面氧化鐵皮主要由Fe2O3，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)eO組成，鋼板表面氧化鐵皮中的FeO和鋼板基體的Fe在高溫狀態(tài)下，與熱處理爐內(nèi)的少量氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)：6FeO+O2=2Fe3O4，3Fe+2O2=Fe3O4。在爐內(nèi)新生成的Fe3O4在熱處理爐高溫狀態(tài)下，在近乎熱熔的狀態(tài)下黏附到爐底輥表面，導(dǎo)致結(jié)瘤物中的Fe元素和O元素的含量有所增加，Ca元素的含量有所降低。

在高溫狀態(tài)下，輥?zhàn)颖砻骛そY(jié)的氧化鐵皮經(jīng)鋼板反復(fù)碾壓形成層片狀或尖銳結(jié)瘤。在高溫狀態(tài)下鋼板表面軟化，在自重作用下壓出輥印。該掃描電鏡照片結(jié)果與現(xiàn)場生產(chǎn)中鋼板下表面輥壓壓痕逐漸嚴(yán)重的事實(shí)相符合。

根據(jù)熱處理爐爐底輥的成分和形成機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備和工藝情況發(fā)現(xiàn)，輥底式熱處理爐爐輥結(jié)瘤的原因主要有以下幾個(gè)：1）鋼板下表面拋丸不徹底，軋制過程中的氧化鐵皮未有效去除，導(dǎo)致氧化鐵皮在爐內(nèi)結(jié)瘤。2）爐內(nèi)氧含量過高，鋼板高溫狀態(tài)下發(fā)生氧化，造成結(jié)瘤加劇。

2 爐底輥結(jié)瘤控制措施

2.1 提高鋼板拋丸后表面清潔度

鋼板表面氧化鐵皮的清潔度根據(jù)GB8923-88進(jìn)行判定。鋼材拋丸后表面清潔度的四個(gè)等級分別用Sa1、Sa2、Sa2.5、Sa3表示。其中Sa3.0為表面清潔度最高標(biāo)準(zhǔn)。要求為鋼板表面無可見的油脂、污垢、氧化鐵皮等附著物，該表面應(yīng)顯示均勻的金屬色澤。鋼板表面清潔度主要取決于鋼板拋丸速度，拋丸電流2個(gè)因素。

如圖7（a）所示，當(dāng)輥道速度為2m/min時(shí)，鋼板表面基本無色差，無明顯氧化鐵皮，丸料打擊均勻鋼板表面清潔度達(dá)到Sa3。如圖7（b）所示，當(dāng)輥道速度增加為4m/min，鋼板表面紅銹較多，氧化鐵皮明顯未拋干凈鋼板表面清潔度達(dá)到Sa2.0。這主要是因?yàn)?，輥道速度較小且拋頭電流大時(shí)，鋼板運(yùn)行慢，單位時(shí)間內(nèi)打擊到鋼板表面的丸料相對較多，打擊效果較好，能較好地保證拋丸后鋼板表面清潔度。鋼板表面氧化鐵皮清除徹底后，能夠有效減少帶入熱處理爐的氧化鐵皮，減少爐底輥結(jié)瘤的發(fā)生。

圖7 不同拋丸工藝對鋼板表面清潔度的影響

2.2 熱處理爐內(nèi)氧含量控制

寬厚板熱處理線一號熱處理爐為氮?dú)廨伒资綗崽幚頎t，氮?dú)馔ㄟ^熱處理爐傳動(dòng)側(cè)的主進(jìn)氣管送入。根據(jù)結(jié)瘤物成分檢測及形成機(jī)理分析，降低熱吹爐內(nèi)氧含量，可以有效防止鋼板在爐內(nèi)受熱導(dǎo)致的鋼板二次氧化，減少爐底輥結(jié)瘤的產(chǎn)生。

2.2.1 調(diào)整熱處理爐爐壓設(shè)定

氮?dú)獾臎_入量與熱處理爐爐壓連鎖，當(dāng)熱處理爐爐壓低于設(shè)定值時(shí)，氮?dú)鉀_入；當(dāng)熱處理爐爐壓高于設(shè)定值時(shí)，氮?dú)馔Ｖ箾_入。因此，提高熱處理爐爐壓設(shè)定，可以增加爐內(nèi)氮?dú)夂?，在開關(guān)爐門時(shí)能夠防止?fàn)t外的空氣進(jìn)入爐內(nèi)，同時(shí)能夠?qū)t內(nèi)的氧氣趕到爐外。

淬火爐共三個(gè)氮?dú)饪刂泣c(diǎn)，按外方原工藝，熱處理爐壓設(shè)定為0.2hPa，由于氮?dú)馐褂昧颗c爐壓進(jìn)行連鎖，當(dāng)爐壓高于0.2hPa不進(jìn)行沖氮。為保證出爐側(cè)氮?dú)獬淙氤渥?，降低爐內(nèi)氧含量，將熱處理爐入爐口壓力設(shè)定為0.2hPa，中間位置壓力設(shè)定為0.25hPa，出爐側(cè)壓力設(shè)定為0.3hPa，從而增加氮?dú)獬淙肓?，降低爐內(nèi)氧含量。

2.2.2 降低爐門限位

通過上述分析，熱處理爐出鋼過程中，爐門開啟時(shí)間越長，開啟高度越高，由于爐內(nèi)氣氛外溢，導(dǎo)致爐內(nèi)壓力降低，爐外空氣進(jìn)入爐內(nèi)越多，外界氧氣進(jìn)入爐內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致熱處理爐內(nèi)氧含量急劇增加且氧含量降低過程更加緩慢。為減少熱處理爐外空氣進(jìn)入爐內(nèi)，需要減少出鋼過程中的爐門開啟高度。

熱處理爐目前爐門限位高度為300mm，為降低爐內(nèi)氧含量數(shù)值，將爐門限位降低為200mm。減少氣體外溢，保持爐內(nèi)壓力，減少氧氣進(jìn)入。

3 結(jié)論

該文結(jié)合離線淬火前鋼板表面氧化鐵皮、拋丸用丸料和爐底輥上的結(jié)瘤物的掃描電鏡和能譜檢測，系統(tǒng)地研究了熱處理爐爐底輥結(jié)瘤物的產(chǎn)生原因及形成機(jī)理。爐底輥結(jié)瘤物中的Ca元素來源于拋丸后在鋼板表面未被拋凈的氧化鐵皮。從Ca元素的檢測分析結(jié)果可知，爐底輥結(jié)瘤物產(chǎn)生的主要原因是鋼板在熱軋過程中表面形成的氧化鐵皮在拋丸時(shí)未被徹底拋干凈，帶入爐內(nèi)，在熱處理爐高溫狀態(tài)下（近乎熱熔狀態(tài)），黏附到爐底輥表面。通過優(yōu)化拋丸工藝、提高鋼板表面清潔度以及控制熱處理爐內(nèi)氧含量等措施，可以有效防止熱處理爐爐底輥結(jié)瘤。