連續(xù)退火機組碳套輥結(jié)瘤原因分析及查找方法

尹開波

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000)

前言

連續(xù)退火爐是硅鋼產(chǎn)品生產(chǎn)線中的重要設(shè)備之一，其作用是通過冷軋硅鋼在連續(xù)高溫下進行爐內(nèi)退火、脫碳和再結(jié)晶。石墨碳套是爐輥的重要設(shè)備，廣泛用于各類臥式退火爐及連退生產(chǎn)線［1］。生產(chǎn)過程中碳套輥一旦出現(xiàn)結(jié)瘤，需要立即處理,從而降低硅鋼產(chǎn)品的質(zhì)量損失。機組通過上過渡卷進行磨輥或者對結(jié)瘤碳套輥進行更換的方法，既影響生產(chǎn)效率，同時停爐升降溫的過程中也會造成能源浪費。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有應(yīng)對爐輥結(jié)瘤的各種處理預(yù)案，針對不同生產(chǎn)線的設(shè)備、生產(chǎn)工藝都各有特點。就馬鋼硅鋼連續(xù)退火生產(chǎn)線，分析爐輥輥結(jié)瘤的產(chǎn)生原因和改善的措施,同時研究一種快速查找鎖定碳套輥結(jié)瘤的方法。

1 碳套輥結(jié)瘤分析

1.1 典型碳套輥結(jié)瘤剖析

碳套結(jié)瘤是碳套表面在爐內(nèi)高溫環(huán)境下，產(chǎn)生一種凸?fàn)町愇?。碳套輥與帶鋼接觸后在帶鋼表面會造成凹狀缺陷。根據(jù)結(jié)瘤物的位置、吸附能力和成分大致分為三類。第Ⅰ類是碳套輥的凹坑深度比較深，凹坑不易消除，且結(jié)瘤物顏色以橙色為主，主要是因為氧化鐵粉在爐內(nèi)熔融反應(yīng)被還原為鐵和鐵的氧化物吸附在碳套表層，稱為反應(yīng)型結(jié)瘤。第Ⅱ類是在碳套輥凹坑內(nèi)鑲嵌的深度較淺，不易吸附在凹坑中，表面形貌呈塔尖狀，和碳粉顏色比較接近，成分跟碳套輥本身的材質(zhì)相似，稱為腐蝕型結(jié)瘤。第Ⅲ類是主要是表層碳粉、粉塵、氧化鐵皮等積累而成，在不斷的摩擦和外壓力作用下粘附在碳套輥表面稱為粘附型結(jié)瘤［2］（如圖1所示）。

圖1 三種典型的碳套結(jié)瘤形貌

1.2 結(jié)瘤原因分析

碳套輥石墨含量正常情況下超過60%，為多孔材料，經(jīng)表面修磨、加工滲鉻，增加光整度。在高溫環(huán)境下工作一段時間后碳套表面會出現(xiàn)氧化層、凹坑，出現(xiàn)表層孔隙。帶鋼表層殘存的鐵粉與碳套輥接觸研磨后，氧化鐵、粉塵等雜質(zhì)在孔隙中堆積，隨爐內(nèi)還原氣氛的反應(yīng)長大成結(jié)瘤。帶鋼在運動過程中部分結(jié)瘤脫落，在碳套輥表面形成更大的凹坑，成為二次結(jié)瘤的空間（如圖2所示）。

圖2 碳套凹坑的表面形貌

碳套輥結(jié)瘤有兩個必備條件：（1）在碳套輥表層有顯著的凹坑或者間隙，從而提供有利環(huán)境；（2）爐內(nèi)有鐵粉、碳粉、粉塵等雜質(zhì)吸附在碳套輥表層，為碳套輥結(jié)瘤提供原材料。

1.2.1 碳套表面凹坑形成機理

碳套輥生產(chǎn)時，為了提高碳套輥優(yōu)良的機械強度和表層抗氧化性，通過浸潤加工促使氧化物擴散到表層孔隙中［3］。硅鋼連退生產(chǎn)線的保護氣氛是H2+N2的雙組份混合氣體，碳套表層的氧化物在還原性氣氛的作用下被還原，發(fā)生如反應(yīng)式（1）的化學(xué)反應(yīng)，在碳套輥表層浸潤的氧化物被H2還原致使表層出現(xiàn)不規(guī)格的孔隙。為表層結(jié)瘤提供有利條件。

其中：MO為浸潤在碳套輥中的氧化物。

（1）相同爐溫和爐內(nèi)氣氛條件下，H2含量為零時碳套表面有輕微弱氧化的現(xiàn)象，未出現(xiàn)明顯裂痕；H2含量10%時，碳套輥表面形貌較為完整且無明顯的顆粒狀凹坑；H2含量20%時，表面凹坑明顯增多，凹坑密集變大，且碳套輥邊部出現(xiàn)有疏松脫落的現(xiàn)象（見表1）。

表1 不同氫氣含量碳套情況對比

（2）在相同爐溫和H2含量下，爐膛內(nèi)濕氣氛的碳套輥表面完整度有明顯改善。

（3）在相同爐內(nèi)氣氛下，爐溫950 ℃時與850 ℃時進行對比，碳套輥表面平整度變差，同時凹坑更密集。

此外，碳套輥安裝精度對結(jié)瘤也有一定影響。碳套輥在組裝時，碳套的內(nèi)徑與輥芯間隙較大（高溫?zé)崦浝淇s后間隙無法消除）、碳套輥兩端不能有效固定，與帶鋼之間形成差速，相對摩擦導(dǎo)致碳粉在爐輥上堆積，從而加重碳套表面結(jié)瘤。在現(xiàn)場安裝碳套輥時，碳套表層未采取有效措施，表面有劃痕、凹坑、撞傷等缺陷（圖3），碳套表面浸潤層受到嚴(yán)重破壞致使內(nèi)部多孔組織裸露在爐內(nèi)高溫還原環(huán)境中，為鐵粉的堆積提供了條件。

圖3 碳套輥表面劃傷

1.2.2 結(jié)瘤反應(yīng)機理

正常情況下，爐殼與冷卻段換熱器的連接處密閉性會存在一定缺陷，在氮氣循環(huán)冷卻時，造成帶鋼在爐內(nèi)有微量氧化，不會對爐內(nèi)碳套輥輥面產(chǎn)生破壞性后果。隨著爐內(nèi)氣密性不斷降低，帶鋼表面氧化程度逐漸加重。在處理爐體的氣密性問題時，會使用過渡卷，過渡卷會產(chǎn)生氧化鐵皮。爐內(nèi)氣體流動是從退火爐出口流往入口方向，反向吹向帶鋼表面，爐區(qū)加熱段部分氧化鐵皮會被氣流帶入［4］。此外，在退火爐升降溫過程中，重復(fù)使用過渡卷，過渡卷表面的氧化鐵皮在爐內(nèi)氣氛作用下剝落，氧化鐵皮在爐內(nèi)氣流的作用下會被吹到爐膛前加熱段,造成爐內(nèi)有氧化鐵及鐵的氧化物增加。

當(dāng)熱軋卷下線時溫度高、?；嵯磿r酸洗效果不良，使得帶鋼表面氧化鐵粉剩余量較多；清洗段狀況不佳造成清洗效果不理想，鋼板表面的殘留氧化鐵粉被帶入到爐內(nèi)，都會在碳套輥表面堆積［5］。

在H2作用下，鐵的氧化物經(jīng)過發(fā)生式（2）的化學(xué)反應(yīng)，其中部分氧化物被還原成Fe，從而會形成反應(yīng)型結(jié)瘤。

1.2.3 碳套輥結(jié)瘤改善措施

根據(jù)產(chǎn)生結(jié)瘤的原因和現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況進行分析，制定了以下改善措施。

(1)調(diào)整連退機組的H2含量，將H2含量降低至5%～10%，可降低鐵的氧化物在碳套表面進行還原反應(yīng)對碳套的腐蝕。減少結(jié)瘤產(chǎn)生的位置。

(2)優(yōu)化清洗段清洗工藝，調(diào)整刷輥電流，電解電流，脫脂劑溫度、濃度等工藝參數(shù)，定期清理電磁過濾器刮板，定期排放堿刷洗循環(huán)罐。將沉積的鐵粉排出，減少殘余鐵粉對碳套輥表面的侵蝕。

(3)合理制定過渡卷的使用頻次和表面質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)，減少氧化鐵皮的在退火爐內(nèi)的剩余量，減少結(jié)瘤產(chǎn)生所需要的原料。

(4)開爐檢修時定期安排爐內(nèi)清灰工作，減少爐內(nèi)粉塵淤積板結(jié)，降低結(jié)瘤所需原料來源，降低碳套輥結(jié)瘤風(fēng)險。

2 碳套輥結(jié)瘤查找方法

2.1 常規(guī)方法

由于退火爐爐體較長，爐內(nèi)碳套輥在160～250根左右，準(zhǔn)確定位結(jié)瘤輥的位置很困難。常規(guī)方法是：在結(jié)瘤較嚴(yán)重時，在連退線上一卷新過渡卷，將此卷停在爐中，轉(zhuǎn)動爐輥，使碳套輥與帶鋼產(chǎn)生滑動摩擦，每根碳套輥會在帶鋼上留下一個摩擦印記。然后將爐內(nèi)帶鋼拖出退火爐查看每根碳套輥在帶鋼上留下的印記，根據(jù)印記形貌判斷哪根碳套輥產(chǎn)生結(jié)瘤。

這個方法存在問題：一是用時較長，判斷一次需要4個小時左右；二是磨輥時間不好掌控，磨出的印記較輕時很難判斷出結(jié)瘤輥位置；三是過渡卷消耗大、停機能耗成本高。

2.2 差速法

經(jīng)現(xiàn)場跟蹤研究，研發(fā)出利用差速法快速查找碳套結(jié)瘤輥。例如碳套輥的直徑為D，如某根碳套輥上產(chǎn)生一個結(jié)瘤，此結(jié)瘤會導(dǎo)致板面上產(chǎn)生周期性的麻點，周期間距為碳套輥周長L=πD。此時帶鋼運行速度為S，碳套輥的線速度也為S。通過控制電機轉(zhuǎn)速提高結(jié)瘤輥線速度30%，此時結(jié)瘤輥在帶鋼表面產(chǎn)生的麻點周期間距會縮短30%，變?yōu)椋?/p>

通過電氣改造，實現(xiàn)退火爐內(nèi)所有碳套輥傳動電機可單獨進行速度控制，并通過爐內(nèi)區(qū)域遞減篩選，快速確認(rèn)結(jié)瘤輥位置。

常見的碳套輥直徑有150 mm和180 mm兩種規(guī)格。以直徑為150 mm 碳套輥為例，正常轉(zhuǎn)速下，碳套輥周長為471 mm。為鎖定結(jié)瘤輥位置，將一個爐區(qū)的碳套輥輥系的轉(zhuǎn)速減少30%，待修正轉(zhuǎn)速后的帶鋼運行至測量位置。若帶鋼表面麻點間距為471 mm，則說明結(jié)瘤輥不在此爐區(qū)，換下一個爐區(qū)再改變輥系轉(zhuǎn)速進行測試。若帶鋼表面麻點間距為330 mm，則說明結(jié)瘤輥在此爐區(qū)，將此爐區(qū)的爐輥再一分為二進行判斷，若帶鋼表面麻點間距為471 mm，則說明結(jié)瘤輥不在調(diào)整轉(zhuǎn)速的區(qū)域，換另外二分之一的爐輥再改變輥系轉(zhuǎn)速進行測試。若帶鋼表面麻點間距為330 mm，則說明結(jié)瘤輥在此爐區(qū)。依次減少范圍，最終鎖定結(jié)瘤爐輥。

3 結(jié)論

（1）碳套輥結(jié)瘤原因：碳套輥在還原性氣氛下被腐蝕留下孔隙或凹坑缺陷、安裝精度不足，以及防護措施不當(dāng)產(chǎn)生輥面劃傷都會結(jié)瘤提供附著位置；氧化鐵粉、碳粉、殘留氧化鐵、粉塵等雜質(zhì)元素為結(jié)瘤提供所需原材料。

（2）提出了碳套輥結(jié)瘤的改善措施：將氫氣含量降低至5%～10%、定期爐內(nèi)清理、修訂過渡卷的使用制度、優(yōu)化清洗段生產(chǎn)工藝、改良碳套輥更換護具。降低碳套輥結(jié)瘤產(chǎn)生幾率。

（3）通過現(xiàn)場研究，研究一種快速鎖定查找爐內(nèi)碳套結(jié)瘤輥位置的方法，為快速更換結(jié)瘤碳套，減少質(zhì)量損失提供有效技術(shù)手段。