何建鋒,王 魯,李慶勝

(寶鋼新日鐵汽車板有限公司,上海 201900)

連續(xù)退火機組將帶鋼的預熱(PHF)、加熱(HF)、均熱(SF)、緩慢冷卻(SCF)、快速冷卻(1C)、過時效(OA)、終冷(2C)、淬水(WQ)等工藝集于一體,具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品品種多樣化、表面質(zhì)量優(yōu)良、生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)勢,成為冷軋生產(chǎn)的主力機組。

隨著連退機組生產(chǎn)的冷軋汽車板規(guī)格越來越薄(一般板厚在1.0 mm以下),且退火溫度越來越高(如超深沖軟鋼均熱溫度830 ℃以上),為保證帶鋼在退火爐內(nèi)穩(wěn)定運行,爐輥一般設計成正凸度。但冷軋薄板在退火爐內(nèi)高溫高速下運行,受鋼卷規(guī)格切換、生產(chǎn)速度變化、機組張力波動、退火爐溫度變化等諸多因素影響,板帶如果溫度分布不均勻或與爐輥摩擦力不均勻時,會導致板帶橫向受力發(fā)生變化,容易發(fā)生瓢曲缺陷,嚴重影響生產(chǎn)和質(zhì)量。

1 研究內(nèi)容及試驗方法

1.1 帶鋼瓢曲缺陷觀察及規(guī)律

一段時期以來,寶鋼某單元連續(xù)退火機組接連發(fā)生薄板輕微熱瓢曲。通過調(diào)查,熱瓢曲多呈現(xiàn)“微八字形”左右兩條,中間間距約為300～400 mm,如圖1所示,且有約2 500 mm的周期。結合生產(chǎn)線輥子的周長,推測是直徑800 mm的退火爐輥子產(chǎn)生。

1.2 帶鋼瓢曲缺陷研究方法

為確定帶鋼瓢曲缺陷是否由于帶鋼表面加熱溫度不均勻產(chǎn)生橫向受力變化引起,設計系列現(xiàn)場試驗,如表1,進行再現(xiàn)試驗調(diào)查。

以上調(diào)查沒有發(fā)現(xiàn)帶鋼瓢曲的直接原因,通過降低退火溫度、降低張力等試驗,瓢曲仍然出現(xiàn),改善效果不明顯,而且還有惡化的趨勢,開始時是厚度小于0.65 mm的薄料易出現(xiàn),后來板厚0.8 mm的窄料也出現(xiàn)瓢曲印。

為確定缺陷是再結晶退火前還是退火后發(fā)生的,取瓢曲缺陷的板帶截面試樣,采用光學金相顯微鏡分析,如圖2所示。

表1 帶鋼瓢曲的調(diào)查試驗

比較缺陷位置與正常位置晶粒大小,未發(fā)現(xiàn)兩個位置基體晶粒之間的差異,從而排除再結晶退火前發(fā)生熱瓢曲的可能性。由此可以推測帶鋼瓢曲缺陷是在再結晶退火后的冷卻段發(fā)生。

為了進一步確認帶鋼瓢曲缺陷與冷卻段的相關性,跟蹤了3卷發(fā)生熱瓢曲的鋼卷,在退火溫度和速度穩(wěn)定的情況下,分析它們在退火爐各區(qū)域的張力情況。發(fā)現(xiàn)如果緩冷段和快速冷卻段張力較大,容易發(fā)生瓢曲;減小張力,瓢曲改善,如表2。從而進一步將瓢曲發(fā)生區(qū)域縮小到冷卻段。

在生產(chǎn)薄帶鋼時通過緩冷段入口的工業(yè)攝像機仔細辨別帶鋼表面,最后確認帶鋼瓢曲缺陷發(fā)生在緩冷爐(SCF)的頂輥上。連續(xù)退火機組冷卻段爐輥布置簡圖如圖3所示,實際帶鋼發(fā)生輕微熱瓢曲如圖4所示。

帶鋼瓢曲發(fā)生位置鎖定后,通過定修更換SCF02爐輥后,瓢曲缺陷消除。

2 帶鋼瓢曲的調(diào)查結果

通過對連續(xù)退火機組的薄帶鋼瓢曲的研究,確認瓢曲缺陷是由輥徑800 mm的退火爐爐輥引起的周期缺陷;對影響退火爐帶鋼瓢曲因素的調(diào)查,特別是生產(chǎn)速度、加熱爐溫度、帶鋼張力、風機負荷變化等相關參數(shù)的調(diào)查和板帶截面試樣金相分析,比較缺陷位置與正常位置晶粒大小,推測帶鋼瓢曲缺陷是在再結晶退火后的冷卻段發(fā)生。進而對帶鋼瓢曲缺陷與冷卻段的相關性設計針對性生產(chǎn)試驗,進一步將瓢曲發(fā)生區(qū)域縮小到冷卻段。最終在工業(yè)攝像機輔助下仔細辨別帶鋼表面,最后確認帶鋼瓢曲缺陷發(fā)生在緩冷爐(SCF)的頂輥上。通過定修更換SCF02爐輥后,瓢曲缺陷消除。

3 帶鋼瓢曲缺陷原因分析

3.1 緩冷爐頂輥輥型調(diào)查

通過測量更換下來的SCF02爐輥輥型,發(fā)現(xiàn)輥面變形嚴重,尤其輥面中線及偏兩側400～ 500 mm位置,變形最大。最大跳動0.2 mm,中線最大跳動0.8 mm,如圖5所示。

對SCF02爐輥輥型進行檢查,分兩條母線(0°和90°)測量輥型,見圖6。輥面變形嚴重,尤其輥面中線及偏兩側400～500 mm位置變形最大。

另外,對SCF02緩冷爐爐輥材質(zhì)進行分析,在舊爐輥的端部和中部分別取樣,在光鏡和電鏡下檢驗微觀組織,分析爐輥變形的原因,詳見圖7。

金相微觀組織顯示在晶界碳化物處有孔洞出現(xiàn),部分區(qū)域的孔洞有連接成鏈的趨勢。從孔洞出現(xiàn)的情況判斷,大體認為其達到壽命后期。

對爐輥中部晶粒進行元素定量分析,結果如圖8所示。

從析出物成分分析可判斷,爐輥晶粒為Cr 的碳化物;從晶界和晶粒中間C含量對比可知,晶界C含量明顯大大高于晶粒,滲碳體析出嚴重,發(fā)生了明顯蠕變。

3.2 分析與討論

高溫環(huán)境下運行的爐輥主要受到軋制鋼板的交變工作應力、熱應力及自身重力的作用。研究表明,爐輥運行數(shù)年后,其輥面通常會發(fā)生變形,其組織也會發(fā)生顯著變化,如組織退化、沿晶界碳化物聚集和蠕變孔洞的萌生與擴大等。爐輥材料在長期服役中發(fā)生的蠕變過程,在微觀上存在著晶界的滑動,隨著晶界滑動的積累,孔洞得以萌生和發(fā)展;同時,沿晶界碳化物的析出和偏聚會導致材料晶界發(fā)生脆化,晶界連接強度降低,導致材料中萌生的孔洞大多沿晶界、碳化物以及三角晶界結點分布[1]。圖9為耐熱不銹鋼的失效規(guī)律,如果材料微觀孔洞聚集達到一定程度,如圖9的C階段及以上的D階段,極易導致材料變形失效。

該爐輥自2005年2月開工以來一直不斷循環(huán)修復使用,連續(xù)使用時間超過10年,該輥材質(zhì)為SCH22(25Cr20Ni),經(jīng)與制造廠家咨詢交流,廠家也認為這根SCF02爐輥金相已經(jīng)到達了圖9中C階段,容易出現(xiàn)爐輥材料變形等劣化現(xiàn)象。

金相分析雖然準確,但是需要破壞檢查,為此采用金相覆膜法比對金相分析結果。金相覆膜可以在爐輥基體表面簡單的獲取,用于現(xiàn)場快捷檢測。圖10為采用金相覆膜法獲得的金相圖片,與電鏡下金相圖片顯示的結果一致。以后可以在修復爐輥噴涂前用覆膜法獲取金相圖片判斷其壽命。

4 結論

(1) 連續(xù)退火機組緩冷爐爐輥輥型不良會導致連退機組帶鋼發(fā)生瓢曲,要及時測量輥型。

(2) 對連續(xù)使用超過10年的退火爐爐輥要密切關注爐輥材質(zhì)的變化。根據(jù)金相圖片結合耐熱鋼的材質(zhì)特點判斷壽命,如果已經(jīng)屬于壽命后期的,建議不再繼續(xù)噴涂使用。

(3) 對爐輥表面采用金相覆膜法進行取樣,分析爐輥的金相是可行的。