臥式連退爐在冷軋硅鋼機組中的應用及故障分析

邢 巍,琚艷軍,周 超,宋振明,黃銀學

(河南鋼鐵集團公司安鋼冷軋作業部,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。冷軋硅鋼其實質是將熱軋硅鋼(帶)進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、疊裝系數高和沖片性好等特點,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,冷軋生產工藝復雜性高,生產工藝過程控制難度大,損耗大,成材率低。冷軋硅鋼的生產一般采用六機架六輥冷連軋機-退火、五機架六輥冷連軋機-退火和二十輥軋機-退火等工藝。

硅鋼(帶鋼)冷軋過程中經過塑性變形,在軋制力作用下金屬外形發生變化,其內部晶粒形狀也會發生相應的變化。隨著金屬外形的壓扁或拉長,內部晶粒也會被拉長、壓扁。同時隨著變形的發生,不僅晶粒外形發生變化,晶粒內部的亞結構也會發生顯著的變化。由于帶鋼冷軋過程中軋制力較大,帶鋼金屬內部晶粒不僅會出現壓扁或拉長,還會出現晶粒破碎、位錯密度增加。形變愈大,晶粒的碎細程度愈大,亞晶界的量愈多,位錯密度顯著增大;同時細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,硬度和強度顯著升高,塑性和韌性下降,產生“加工硬化”現象,性能上趨于各項異性。冷軋后的帶鋼晶格畸變還會產生內應力,使帶鋼產生翹曲、浪形等平直度問題。殘余內應力還會使金屬耐腐蝕性能降低,故金屬在經過冷軋塑性變形后要進行退火處理[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,使帶鋼內部晶?；貜?、長大、再結晶,從而消除和降低帶鋼內應力,降低強度和硬度,提高塑性和韌性,消除冷軋生產的應變,將帶鋼中的碳脫出,以保證磁性、硬度和磁時效。

1 設備概況

河南鋼鐵集團安鋼冷軋作業部(以下簡稱:安鋼冷軋)在硅鋼生產上建設有兩條生產線:五機架六輥冷連軋機-退火涂層和二十輥冷軋-退火涂層,根據硅鋼鋼種(牌號、取向/無取向)和材質分別進行生產。其中,退火-涂層機組是硅鋼生產的一條最主要生產線,設計產能為20萬噸/年,由中冶南方公司設計安裝。產品定位為高質量高中低牌號和高磁感無取向硅鋼。機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+臥式連續退火爐(密閉式)+無驅動兩輥涂層機+干燥燒結爐(開放式)進行工藝過程控制。在該退火-涂層機組中,冷軋帶材的內部微觀結構首先在退火過程中得以調整,然后在帶材表面涂以絕緣層,其產品主要用于高效電動機和發電機。

安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機組工藝流程為: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→空氣冷卻→出口活套→測厚及鐵損檢測→圓盤剪切邊→表面質量檢查→出口剪切→卷取。

安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機組產品參數見表1。

表1 安鋼冷軋退火-涂層機組產品參數

工藝段臥式連續退火爐采用密閉式,爐內采用氮氫保護氣,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)→保護氣體循環噴射冷卻段(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,數量為130根。燒嘴采用抽鼓型自身預熱式輻射管燒嘴,共有130個,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行,確保帶鋼在爐加熱時間,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構,由風機、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,靠排廢風機造成的負壓吸入冷風間接冷卻帶鋼,排出的廢氣單獨排出廠房外。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。其功能是對高牌號帶鋼(冷卻速率要求低),通過緩慢冷卻達到工藝要求。冷卻管對帶鋼進行間接冷卻,可以使帶鋼保持良好的板形。

2 存在的問題

在工藝段臥式連續退火爐中大量使用的是碳套輥(加熱段、均熱段、爐喉、循環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組成本控制,同時更換碳套輥也影響機組的正常運行,影響到機組的機時產量。

另外,碳套輥表面會形成結瘤,如圖3所示。冷軋硅鋼常用厚度規格為0.35、0.5 mm,退火溫度在800 ℃以上,因此帶鋼對結瘤點更為敏感,很小的爐輥結瘤點就會在帶鋼表面形成凹坑狀缺陷,影響帶鋼表面質量,產生大量降級品,從而影響機組一級品率。碳套輥表面結瘤還會造成碳套輥設備損耗增大,縮短碳套輥更換周期,增加采購成本。

圖3 碳套輥表面結瘤

硅鋼性能指標包括機械(力學)性能和磁性能。帶鋼檢測常用的機械(力學)性能指標有抗拉強度、屈服強度、斷后延伸率和硬度等;磁性能指標包括鐵損、磁感應強度、碟片系數和表面絕緣電阻等。安鋼冷軋無取向硅鋼磁性能和力學性能的技術標準見表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標準

表3 安鋼冷軋無取向硅鋼機械(力學)性能技術標準

3 原因分析

對安鋼冷軋無取向硅鋼生產中存在問題的原因進行了分析。

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,同時加壓,用三價鉻填充其氣孔,進行滲Cr處理,最后將碳套取出,自然干燥。經過這樣處理后的碳套,其原有的孔隙被氧化鉻填充,在保護氣氛爐內使用時比沒有進行滲Cr處理的碳套更加耐氧化和耐磨。拋開本身設備工藝原因,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轉造成彎曲變形;③退火爐內空氣滲入(O2≥2.0%)加快碳套氧化;④碳套輥結瘤。

2)碳套輥表面形成結瘤。爐內結瘤按其形成機理來分主要有粘附型和反應型兩大類。粘附型結瘤主要是爐內異物落入輥面(如爐內耐火保溫纖維顆粒),受到帶鋼與爐輥擠壓后粘附在輥面上形成的結瘤。反應型結瘤是高溫下帶鋼與爐輥相對滑動時帶鋼表面氧化物與爐輥自身表面氧化物聚集形成,這類氧化物結瘤在高溫下與爐輥會產生輕微熔融、擴散和合金化[8]。對于碳套輥表面異物粘附形成的碳套結瘤通過磨輥可以較容易去除;而對于氧化物聚集及氧化鐵還原后形成的合金化的結瘤點去除就較為困難,這一類結瘤去除后也會在碳套表面形成凹坑(圖4),從而影響正常使用。

從TCMSP數據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，根據設置的篩選條件OB≥30%、BBB≥0.3、DL≥0.18，篩選鉤藤散上述化學成分，其中石膏主要成分硫酸鈣因無有效預測靶點被剔除，40種麥冬有效成分沒有AMDE數據，從中選擇文獻報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個活性化合物進行后續分析，化合物信息見表1。

圖4 碳套輥結瘤去除后凹坑實圖

3)硅鋼性能不符合要求。造成硅鋼機械(力學)性能不符合要求的主要原因有:①硅鋼本身材質問題,在硅鋼煉鋼、熱軋及冷軋過程中任何工藝流程控制出現問題,都會造成最終產品力學性能產生變化,而且該變化隨著工序的延伸會逐漸擴大化;②退火溫度影響,退火溫度對產品的力學性能影響較大,特別是在連續退火過程中,帶鋼在退火爐內處于連續運行狀態,爐溫與速度的匹配會影響帶鋼的最終力學性能。

安鋼冷軋無取向硅鋼生產中磁性能指標中經常出現問題的是鐵損值和磁感應強度。鐵損值指每單位質量的鐵磁材料在交變和脈動磁場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,晶界數量減少,疇壁移動的阻力減小,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最佳的臨界尺寸[9]。②尺寸精度和內應力的影響。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。鋼板內應力會使矯頑力增加,磁滯損耗增大,磁感降低,因此要盡可能減少內應力的存在。③帶鋼表面質量對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,疇壁移動的阻力減小,則磁滯損耗和矯頑力也會降低。

4 措施

對于碳套輥損耗過大的問題主要有以下幾方面措施:1)加強碳套裝配規范操作,減少碳套裝配過程中出現的機械碰撞產生碳套損壞;2)碳套輥輥芯按照材質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則會發生基輥(輥芯)變形,從而損壞碳套;3)生產中事故停車會使爐輥長時間保持一個狀態,導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,出現停車及時采用爐輥擺動模式;4)適當提高爐壓,控制爐內露點,減少爐內氧氣分壓,降低氧含量,減少碳套表面氧化也是降低消耗的重點;5)控制和減少爐輥結瘤。

根據生產實踐,對連退爐內爐輥進行檢查,發現結瘤主要出現在加熱段(RTF)和均熱段(SF),而整個爐區這兩段溫度最高,即爐輥結瘤主要出現在高溫段。進一步對爐輥結瘤物進行采樣化驗分析,得出碳套輥結瘤物是以Fe為主的硬質點,鑲嵌在軟滑的石墨基體上。結瘤點與鋼帶間的摩擦系數在0.5以上,如結瘤碳套輥與運行的鋼帶發生相對滑動時,結瘤物就會受鋼帶摩擦力作用在石墨基體上滾動脫落[10-12]。因此,出現爐輥結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-涂層機組設計了在線磨輥功能,其原理就是通過調整爐輥運轉速度使爐輥表面線速度與帶鋼運行速度產生速度差,從而進行磨輥。在線磨輥一般采用C料(DC01)進行磨輥,C料成本較低,作為開機料返工卷為硅鋼生產做調試料可實現低成本磨輥。另一種磨輥方式是利用低牌號無取向硅鋼(AGW1300/AGW800)進行磨輥,低牌號無取向硅鋼成分中硅含量較低,磨輥過程中也不易產生表面質量問題。

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

FeO+H2→Fe+H2O

(1)

4H2+Fe3O4→3Fe+4H2O

(2)

對于碳套輥結瘤較為嚴重的情況,在線磨輥無法去除或去除后在碳套表面形成較大凹坑,影響到帶鋼表面質量的爐輥則要定時進行開爐檢查更換碳套。

在硅鋼機械(力學)性能和磁性能方面,除了要加強原料煉鋼、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,還要通過優化退火工藝參數(工藝速度、溫度)以消除帶鋼內應力進行控制。安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機組優化后的工藝參數見表4。

表4 安鋼冷軋新材料退火-涂層連退爐工藝參數

5 效果

通過制定碳套輥安裝規范制度,優化連退爐工藝參數,安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機組在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、降低露點和控制H2用量等措施,減少了爐輥結瘤情況,對于結瘤嚴重的碳套進行更換,帶鋼表面結瘤印(凹坑)顯著降低,提高了產品質量。通過調整退火工藝參數(工藝速度、溫度),優化工藝過程控制,硅鋼機械(力學)性能和磁性能有顯著提高。安鋼冷軋新材料(硅鋼)退火-涂層機組的成材率和一級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-涂層機組一季度生產指標

6 結語

在帶鋼生產中相較于立式退火爐,臥式退火爐主要有以下幾方面特點。

1)爐區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帶鋼瓢曲,進而減少因帶鋼瓢曲而造成的爐區帶鋼運行中跑偏、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,輻射管加熱根據功率設定要求,計算機基于模糊理論建立控制模型,三種控制模式分為HMI設定控制模式、數學模型控制模式和目標溫度控制模式,隨機對區段內煤氣輻射管電控燒嘴進行點燃,從而使區段內輻射管加熱更為均勻,爐溫控制更加精準,爐區帶鋼受熱更為均勻,機械性能更為優良。

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

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行速度產生速度差,可實現不停機在線磨爐輥,減少爐輥結瘤印,提高帶鋼表面質量。