馮 偉，鄧 峰，熊開艷

（攀鋼集團(tuán) 攀鋼釩軌梁廠，四川 攀枝花 617000）

關(guān)鍵字：加熱爐；墊塊；啃傷；優(yōu)化升級(jí)

目前大部分軋鋼步進(jìn)式加熱爐的水冷支撐梁均采用鈷基材質(zhì)的耐熱合金墊塊作為坯料直接支撐部件，長時(shí)間在高溫下使用，墊塊易燒損、結(jié)瘤，從而形成不規(guī)則的接觸表面。鑄坯在爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中，表面易出現(xiàn)明顯的啃傷。通過我廠鋼軌軋制仿真軟件分析（見圖1），若鑄坯被墊塊啃傷的位置在鑄坯楞角附近處，且深寬比小于1∶6，軋制過程中通過軋機(jī)對(duì)鑄坯的反復(fù)碾壓和拉伸，成品易產(chǎn)生折疊、軋疤或線紋等缺陷，最終影響鋼材質(zhì)量。該問題成為一直困擾各大型材廠的一個(gè)技術(shù)難題。

圖1 仿真分析軋機(jī)軋制缺陷鑄坯角部凹坑位置演變規(guī)律圖

1 改造前期的可行性論證

1.1 2#加熱爐墊塊的現(xiàn)狀

2017年，2#爐進(jìn)行了原樣恢復(fù)性大修，使用的墊塊為鈷基材料墊塊，且高溫段的墊塊采用交替布置。

這樣的設(shè)計(jì)形式存在的問題是：第一，墊塊為鈷基材質(zhì)，在1 200～1 300℃的高溫環(huán)境下燒損嚴(yán)重，使用一段時(shí)間后，墊塊表面不平整（見圖2）；第二，在高溫條件下，墊塊紅硬性不夠，且成分中含有鐵，容易與鑄坯產(chǎn)生的氧化鐵皮黏接形成結(jié)瘤（見圖3）；第三，墊塊交替布置，使得包扎水梁墊塊的耐火材料無法形成坡度較大的傾斜面，鑄坯氧化鐵皮不易掉落到爐內(nèi)，大大提高水梁結(jié)瘤的機(jī)率（見圖4）；第四，安裝墊塊的卡塊焊接在水梁的側(cè)面，由于長期受力，在長時(shí)間使用后有脫落的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致整個(gè)墊塊脫落，從而影響橫向同一水平線上其它墊塊的使用。這四個(gè)問題造成加熱爐水梁墊塊很容易結(jié)瘤，導(dǎo)致鑄坯啃傷較為嚴(yán)重。

圖2 燒損嚴(yán)重的墊塊形貌圖

圖3 爐內(nèi)水梁墊塊結(jié)瘤的典型形貌圖

圖4 墊塊使用12個(gè)月后的形貌圖

1.2 改進(jìn)的機(jī)理性論證

墊塊之所以采取交替布置，主要是為了減輕鑄坯加熱過程中的“黑印”。這是最早從日本引進(jìn)的一種設(shè)計(jì)方式。實(shí)際上對(duì)鋼坯黑印溫差影響不大，原因有以下幾點(diǎn)：

（1）當(dāng)加熱爐的水梁直徑、冷卻水的流量、墊塊的高度以及加熱溫度確定后，意味著在鑄坯持續(xù)不斷的加熱過程中，局部每一塊墊塊傳遞給冷卻水的熱量是固定的，因此與墊塊接觸的鑄坯的熱量傳遞在長時(shí)間加熱過程中會(huì)維持一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，也就是說鑄坯與墊塊接觸的部位不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的長短而發(fā)生明顯變化。生產(chǎn)時(shí)，在鑄坯間隙處實(shí)測(cè)加熱爐均熱段墊塊表面溫度一直保持1 050～1 090℃之間也可以印證這一點(diǎn)。

（2）李接峰運(yùn)用數(shù)值模擬的手段對(duì)加熱爐內(nèi)鑄坯和熱墊塊的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。黑印溫差在整個(gè)加熱過程中不斷波動(dòng)（見圖5），這是因?yàn)樵谝粋€(gè)步進(jìn)周期內(nèi)，鑄坯接觸墊塊時(shí)，黑印溫差會(huì)隨時(shí)間不斷增加，當(dāng)開始上升、前進(jìn)和下降動(dòng)作過程中，鋼坯不接觸熱滑塊，黑印處溫度升高很快，黑印溫差減小，進(jìn)入下個(gè)周期后，重復(fù)前面的過程。由圖5還可以看出，黑印溫差整體變化趨勢(shì)是先增加后減小，這是因?yàn)閯傞_始加熱時(shí)，鋼坯溫度較低，溫差較大，溫度上升速率大，當(dāng)吸熱到一定程度時(shí)，溫度上升速率下降，低于黑印處溫度上升的速率，因此黑印溫差就會(huì)減小。最終黑印溫差在鋼坯加熱8 000 s以后就基本達(dá)到平衡。這與前文的推論和測(cè)量結(jié)果也是吻合的。

圖5 正常情況下黑印溫差隨時(shí)間的變化圖

（3）加熱爐的水梁設(shè)計(jì)本身就不是一條直線，在加熱段與均熱段分界處就已經(jīng)錯(cuò)開，非直線的設(shè)計(jì)本身就可以有效減輕黑?。ㄒ妶D6）。

圖6 加熱爐單根水梁走向示意圖

（4）宋曉娜等人運(yùn)用數(shù)值模擬的手段對(duì)加熱爐內(nèi)鋼坯和熱墊塊的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，得出結(jié)果：隨熱滑塊高度的增加，鋼坯黑印溫差逐漸減?。ㄒ妶D7）。模擬墊塊長度為50～400 mm，墊塊間距150 mm，得到的黑印溫差曲線如圖8所示，墊塊高度≥80 mm就可以有效降低黑印溫差。當(dāng)墊塊長度分別為0 mm、150 mm、400 mm時(shí)，黑印溫差為0.08℃、29℃、35℃?？梢钥闯觯弘S著墊塊長度增加，黑印溫差不斷增大，當(dāng)長度與墊塊間距相當(dāng)時(shí)，黑印溫差隨著長度增加速率顯著降低。

圖7 墊塊高度對(duì)黑印溫差的影響曲線圖

圖8 黑印溫差隨墊塊長度的變化曲線圖

綜上所述，加熱爐高溫段墊塊的交替布置并不能有效消除鋼坯加熱過程中的黑印，不是主要因素。鑄坯最終的黑印程度與墊塊的高度、長度及間距有著直接的關(guān)系。由于耐材包扎結(jié)構(gòu)形式存在缺陷,這種交替布置反而會(huì)加劇墊塊的結(jié)瘤程度。

2 具體實(shí)施方案

2.1 墊塊布置及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

將墊塊的布置方式由交錯(cuò)布置改為居中布置，墊塊的高度不變，外形尺寸隨之做相應(yīng)的調(diào)整，如圖9、圖10所示。改進(jìn)后，墊塊的布置與水梁中心線重合，這樣墊塊更容易安裝在一個(gè)水平標(biāo)高上。在水平標(biāo)高一致的前提條件下，墊塊的安裝標(biāo)高的誤差精度由原來的0～3 mm提高到了0～1 mm。減小高差不平帶來的啃傷的同時(shí)，墊塊的穩(wěn)固性提高，水梁的受力更均勻。因?yàn)楣潭▔|塊的卡塊在使用過程中只是起到穩(wěn)定墊塊的作用，而不受側(cè)向支撐墊塊的力，同等條件下墊塊脫落的機(jī)率也大大降低。

圖9 改進(jìn)前的墊塊結(jié)構(gòu)及布置方式示意圖

圖10 改進(jìn)后的墊塊結(jié)構(gòu)及布置方式示意圖

2.2 墊塊材質(zhì)的改進(jìn)

中國冶金行業(yè)的加熱爐耐熱墊塊材料選擇是完全克隆歐美和日本的選擇，但是材質(zhì)的選擇沒有與加熱爐裝備技術(shù)更新同步進(jìn)行。上世紀(jì)70～80年代國內(nèi)的加熱爐以推鋼式加熱爐為主，水梁上的滑軌與鋼坯之間存在摩擦運(yùn)動(dòng)，因此在選擇熱滑軌材質(zhì)時(shí)要考慮熱滑軌的抗拉強(qiáng)度，由于鈷基材質(zhì)在高溫下有潤滑功能，且有較好塑性和韌性，選擇鈷基材質(zhì)作鑄造滑塊是可行的。

根據(jù)大部分運(yùn)行熱網(wǎng)的調(diào)研分析，并參照多數(shù)供熱企業(yè)的運(yùn)營管理和考核模式，提出的工程后評(píng)價(jià)主要從供熱熱耗、水耗、電耗、熱費(fèi)回收率、投訴率、群體事件共6個(gè)方面進(jìn)行工程節(jié)能效益計(jì)算和綜合評(píng)定。

但是隨著我國鋼鐵工業(yè)的飛速發(fā)展，軋鋼加熱爐已經(jīng)向大型化、機(jī)械化、自動(dòng)化快速升級(jí)，步進(jìn)式加熱爐成為業(yè)界的主流，由于鋼坯在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方式不同，軋鋼加熱爐內(nèi)墊塊受力狀態(tài)只受壓應(yīng)力，不承受拉應(yīng)力，因此在高溫環(huán)境下墊塊的抗蠕變性能、抗氧化性能應(yīng)該是墊塊的主要性能指標(biāo)。而選用鈷基的耐熱合金的金相組織均為奧氏體，且熔點(diǎn)均為1 380～1 420℃，奧氏體鋼在1 100℃以上有良好塑性，這就意味鈷基材質(zhì)的墊塊在面壓強(qiáng)度及加熱溫度較高的軋鋼加熱爐（如硅鋼加熱爐、型鋼加熱爐）中應(yīng)用時(shí)有明顯的弱點(diǎn)。我廠通過燒蝕試驗(yàn)也證明國內(nèi)幾家企業(yè)生產(chǎn)的鈷基墊塊存在一定的缺陷，試驗(yàn)在馬弗爐中把樣塊（1#，2#）從常溫加熱到1 350℃，從1 000℃開始每隔50℃恒溫加熱20 min進(jìn)行在爐觀察，在1 250～1 300℃之間樣塊表面開始出現(xiàn)大顆粒鼓泡，試驗(yàn)結(jié)果如下。

從圖11、圖12可以看出在1 350℃加熱后墊塊出現(xiàn)了結(jié)瘤，冷卻后將結(jié)瘤清除，出現(xiàn)明顯的孔洞，如此則說明試樣內(nèi)有夾雜或是氣孔等缺陷，導(dǎo)致內(nèi)部膨脹而把低熔點(diǎn)物質(zhì)從墊塊內(nèi)部滲透到上表面與鋼坯氧化皮黏結(jié)成堅(jiān)硬瘤子。若在高溫加熱爐內(nèi)也有可能墊塊局部被高溫火焰燒蝕表面長合金瘤子，導(dǎo)致墊塊燒損加劇，使用壽命大大縮短。

圖11 1 350℃內(nèi)墊塊加熱20 min出現(xiàn)鼓包實(shí)物圖

圖12 冷卻后墊塊形貌圖

從金相圖13、圖14和表1可以得出以下結(jié)論：

表1 墊塊質(zhì)點(diǎn)成分分析

圖13 墊塊微觀組織圖

圖14 墊塊電鏡掃描圖

（1）枝晶組織比較粗大，且連續(xù)分布；

（2）在鈷基基體及枝晶上均有密集的雜質(zhì)黑點(diǎn)，主要是由S、O、C等元素富積而突顯；

（3）在枝晶上的雜質(zhì)點(diǎn)，則表現(xiàn)為以C、Cr元素的超常富集；

（4）雜質(zhì)主要以晶界進(jìn)行富集，呈現(xiàn)大片的點(diǎn)狀分布。

取樣多家生產(chǎn)的鈷基墊塊，得到類似的結(jié)果，這說明國內(nèi)一些廠家生產(chǎn)的鈷基墊塊，沒有遵循真空冶煉真空鑄造工藝，而且有可能用冶金行業(yè)用過的墊塊直接生產(chǎn)，經(jīng)過實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，用爐內(nèi)的舊墊塊為原料生產(chǎn)的墊塊質(zhì)量更差。

鑒于以上的結(jié)論，我廠需要尋找性能更好的墊塊，即在高溫環(huán)境下強(qiáng)度更高、燒損更小的墊塊來滿足生產(chǎn)的需求。通過在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，最終我們選擇了北京科技大學(xué)京都高新技術(shù)有限公司“高溫金屬玻璃”材質(zhì)墊塊。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的性能對(duì)比指標(biāo)見表2。

表2 不同材質(zhì)墊塊性能對(duì)比

對(duì)比主要性能指標(biāo)，金屬玻璃墊塊的性能明顯好于目前普遍使用的鈷基材質(zhì)墊塊，很適合我廠現(xiàn)在加熱爐高溫、高面壓的生產(chǎn)條件。于是在我廠1#加熱爐相同位置分別布置了兩種材質(zhì)墊塊進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。使用一年后，墊塊的形貌如圖15、圖16所示?？梢钥闯觯Ａт搲|塊氧化鐵皮的黏接明顯少于鈷基墊塊，從而降低加熱爐結(jié)瘤的風(fēng)險(xiǎn)。

圖15 使用一年的鈷基墊塊形貌圖

圖16 使用一年的玻璃鋼墊塊形貌圖

再繼續(xù)使用一年后，從圖17、圖18的對(duì)比可以看出，金屬玻璃墊塊的燒損明顯比鈷基材質(zhì)要低，實(shí)際測(cè)量墊塊高度，鈷基墊塊降低0.3～4.5 mm，而金屬玻璃墊塊幾乎忽略不計(jì)。通過以上的檢測(cè)和實(shí)際使用效果對(duì)比，金屬玻璃材質(zhì)的墊塊性能遠(yuǎn)優(yōu)于鈷基材質(zhì)的墊塊，具有大面積推廣使用的價(jià)值。

圖17 使用兩年的鈷基墊塊形貌圖

圖18 使用兩年的玻璃鋼墊塊形貌圖

2.3 墊塊及水梁包扎方式的改進(jìn)

圖19 圓圈標(biāo)注的部位所示為改進(jìn)前水梁耐材包扎的斜面，改進(jìn)后的水梁包扎耐火材料斜度比改進(jìn)前增加15°（見圖20），鑄坯在加熱過程中產(chǎn)生的氧化鐵皮不易堆積在梁上，相應(yīng)在水梁上的結(jié)瘤機(jī)率就會(huì)更低，對(duì)改善鑄坯的加熱質(zhì)量、減少啃傷會(huì)有很大幫助。

圖19 改進(jìn)前水梁包扎示意圖

圖20 改進(jìn)后水梁包扎示意圖

其次，國外做過一些研究（如圖21所示），鑄坯與水梁之間的遮蔽系數(shù)α與改善鑄坯的黑印有直接關(guān)系。來自熱源的輻射熱Q1，受到水梁及包扎的遮擋，角度α越小，輻射熱Q1被遮擋的比例越大。改進(jìn)后的安裝方式，鑄坯與水梁之間的熱輻射傳熱因α的增大會(huì)增加6%~10%，熱輻射及交換更充分，因此鑄坯的黑印會(huì)得到一定的改善。國內(nèi)寧寶林、馮明杰等設(shè)計(jì)黑印計(jì)算模型也得出了計(jì)算墊塊設(shè)計(jì)高度的依據(jù)，說明墊塊高度增加，會(huì)影響遮蔽系數(shù)，因此是影響黑印的主要依據(jù)。肖楠在此基礎(chǔ)上又進(jìn)一步研究得出結(jié)論，預(yù)熱段、均熱段水梁的遮蔽系數(shù)對(duì)黑印有明顯影響，這也為改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。

圖21 水梁墊塊與加熱鑄坯的位置關(guān)系示意圖

3 效果及結(jié)論

（1）按照以上的方案，對(duì)軌梁廠2#加熱爐的墊塊結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)及包扎方式等進(jìn)行了優(yōu)化改造，改造后的墊塊如圖22所示。使用5個(gè)月后，加熱鑄坯產(chǎn)生的缺陷情況如圖23所示，通過對(duì)再熱坯翻鋼檢查，與改進(jìn)前再熱坯產(chǎn)生的啃傷缺陷相比（見圖24）明顯減輕。再持續(xù)跟蹤，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)所有再熱坯的下表面的缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表3），基本上均是一些啃傷的印記，通過軋鋼技術(shù)人員評(píng)估和模擬仿真，升級(jí)改造后的墊塊產(chǎn)生的鑄坯缺陷，已經(jīng)不對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生影響。鑄坯的啃傷缺陷得到有效控制，加熱爐鑄坯的加熱質(zhì)量整體受控。

圖22 改造后加熱爐水梁形貌圖

圖23 改造后加熱鑄坯啃傷形貌圖

圖24 改造前加熱鑄坯啃傷形貌圖

（2）目前軌梁廠二線有兩座加熱爐，其中1#爐墊塊采用交錯(cuò)布置，2#爐墊塊采用居中布置。收集同等加熱條件下，相鄰兩支鑄坯BD1軋制時(shí)第二道次軋制力曲線，了解水梁“黑印”給軋制帶來的區(qū)別。對(duì)比如圖25、圖26所示。

圖25 交錯(cuò)布置加熱鑄坯軋制力曲線圖

圖26 居中布置加熱鑄坯軋制力曲線圖

可以看出，兩種布置方式對(duì)軋制沒有明顯影響，甚至居中布置的鑄坯軋制曲線更平緩，說明“黑印”溫差和面積更小，對(duì)軋制帶來彈性抗力更小。

（3）在鋼質(zhì)、均熱溫度、加熱時(shí)間和均熱時(shí)間相近的前提條件下，兩種布置方式對(duì)開坯機(jī)各道次軋制力的影響進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析（見表3）?？梢钥闯?，在加熱工況基本一致的前提下，墊塊是交替還是居中布置對(duì)軋制力的影響沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3 鑄坯缺陷統(tǒng)計(jì) （mm×mm）

鋼質(zhì)IS，加熱時(shí)間（245±5）min，均熱時(shí)間（90±2）min，均熱溫度（1 248±6）℃條件下兩種墊塊不同布置方式鑄坯加熱后軋制力對(duì)比情況見圖27?？梢钥闯鱿噜弮芍т摬顒e不大，且居中布置軋制力降低的趨勢(shì)更為明顯。利用Minitab軟件分析，在數(shù)據(jù)正態(tài)且等方差的條件下，檢驗(yàn)1~5道次兩種布置方式的軋制力均值，由于概率P=0.786>0.05，說明不能拒絕原來均值相等的假設(shè)，及兩種布置的軋制力均值沒有顯著差異，見圖28（其它道次統(tǒng)計(jì)結(jié)果類似，圖略）。從箱線圖（圖29~圖33）可以看出除第二道次居中布置的軋制力略大于交替布置，其它道次的軋制力均值居中布置都小于交替布置。因此墊塊居中布置的效果總體優(yōu)于交替布置。

圖27 兩種墊塊不同布置方式鑄坯加熱后軋制力對(duì)比圖

圖28 交替與居中布置，鑄坯第二道軋制力統(tǒng)計(jì)分析圖

圖29 鑄坯1道次軋制力箱線圖

圖33 鑄坯5道次軋制力箱線圖

（4）加熱爐墊塊的改進(jìn)在攀鋼軌梁廠2#加熱爐上得到成功應(yīng)用，加熱爐墊塊結(jié)瘤現(xiàn)象得到有效控制，解決了加熱爐加熱過程中造成的鑄坯啃傷缺陷。

圖30 鑄坯2道次軋制力箱線圖

圖31 鑄坯3道次軋制力箱線圖

（5）該項(xiàng)技術(shù)研究證明，通過提高墊塊在高溫下的硬度，可以減輕結(jié)瘤程度；將墊塊居中布置，由于改變了水梁與墊塊之間的遮蔽系數(shù)，鑄坯的黑印有所緩解；墊塊交錯(cuò)布置與減輕加熱鑄坯黑印沒有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖32 鑄坯4道次軋制力箱線圖