王向宇

（山西太鋼不銹鋼精密帶鋼有限公司，太原 030003）

厚度為0.05 mm以下極薄不銹鋼帶的光亮熱處理對退火后表面光亮度、平整度、微觀組織結(jié)構(gòu)均勻有著極高要求。爐內(nèi)氣氛是精密不銹鋼退火最重要的工藝參數(shù)之一。爐內(nèi)氣氛的控制對鋼帶的退火性能有著決定性影響。爐內(nèi)氣氛參數(shù)包含氫氣露點、氧含量、含塵量及爐內(nèi)壓力等[1]。這些參數(shù)的波動容易使鋼帶在退火后出現(xiàn)表面氧化、性能不均以及鋼帶變形等質(zhì)量缺陷。良好的設(shè)備控制能夠保證各個氣氛參數(shù)處于最佳的退火狀態(tài)。

1 精密不銹鋼退火爐內(nèi)氣氛的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備要求

重點探討精密不銹鋼在光亮退火中的瓶頸問題，即因爐內(nèi)氣氛參數(shù)配置不合理造成的表面氧化、性能不良等質(zhì)量問題，以及精密不銹鋼較高的爐內(nèi)氣氛標(biāo)準(zhǔn)對退火設(shè)備的要求和各個部位設(shè)備的控制要點。

鉻鎳合金精密不銹鋼帶材在氫氣工藝氣氛下進行再結(jié)晶或奧氏體化。CrNi鋼需要高達1 180 ℃的高溫退火和快速冷卻，以獲得完美的奧氏體晶粒而沒有晶界沉淀。在氫氣氣氛下進行光亮退火的優(yōu)點，主要是能保持帶鋼表面的光滑和光亮。因此，在后處理過程中很少甚至不需要刷洗或拋光。最重要的是，與氧化表面退火材料相比，使用該方法材料的耐腐蝕性能有所提高。在氫氣氣氛中進行熱處理比需進行酸洗的氧化退火更加經(jīng)濟，因為酸洗退火需要遵守嚴(yán)格的環(huán)境規(guī)定。

過高的退火溫度對爐內(nèi)氣氛質(zhì)量尤其是氫氣質(zhì)量有著苛刻要求。依據(jù)爐體加熱段和冷卻段設(shè)備的功能和特點，爐內(nèi)氣氛重點控制如下幾個部位[2]。第一，氫氣入口。氫氣來源的質(zhì)量決定整個爐內(nèi)氣氛的質(zhì)量。第二，加熱段。此區(qū)域氫氣露點和氧含量的高低直接決定不銹鋼退火過程中是否被氧化。第三，緩冷段和冷卻段。此區(qū)域由氫氣循環(huán)風(fēng)機直吹鋼帶表面，氣氛的質(zhì)量對退火后性能產(chǎn)生直接影響。各區(qū)域布置如圖1所示。

圖1為立式光亮退火爐結(jié)構(gòu)簡圖，帶鋼自底部退火爐入口處進入爐體，經(jīng)過加熱段高溫區(qū)域進行去應(yīng)力退火，再經(jīng)過緩冷段、一級冷卻段及二級冷卻段進行冷卻，最后經(jīng)過冷卻出口后完成退火過程。爐內(nèi)氣氛為純氫氣，在退火爐入口和冷卻出口處由氮氣進行保護。新鮮氫氣經(jīng)過管道輸送，由一級冷卻段和二級冷卻段進入爐內(nèi)。退火爐的氣氛控制主要針對上述幾個部位。

圖1 退火爐各區(qū)域分布示意圖

以SUS304精密不銹鋼（厚度0.035 mm，寬度610 mm）為例，原料要求鋼帶平整、光滑、無破損、無折皺，含脂量小于245 mg·m-2（單面），脫脂完成后表面殘油量小于3.5 mg·m-2。退火完成后成品要求厚度為0.035 mm，寬度為610 mm，表面無折皺、無劃傷、無氧化和色差，硬度和性能均勻。

為滿足成品退火要求，爐內(nèi)氣氛應(yīng)達到如表1所示的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 SUS304退火爐內(nèi)氣氛各參數(shù)要求

2 設(shè)備控制要點

為達到各區(qū)域氣氛標(biāo)準(zhǔn)值，需對影響氣氛質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備進行重點控制。下面對各個氣氛指標(biāo)和重點控制設(shè)備分別進行討論。

2.1 氫氣露點的控制

精密不銹鋼的光亮退火對爐內(nèi)氫氣的露點有著極高要求。在高溫狀態(tài)下，不銹鋼表面產(chǎn)生一層氧化膜，爐內(nèi)鋼帶處于純氫氣狀態(tài)保護下，不銹鋼表面的氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，此反應(yīng)式為Me+H2O?MeO+H2。

反應(yīng)式的反應(yīng)方向取決于氧化物的分解壓和爐內(nèi)氣氛的含水量（用露點表示）。金屬氧化物的分解壓隨溫度的升高而增大，這就要求爐內(nèi)氫氣露點要保持在很低的狀態(tài)，才能保證反應(yīng)式向左，以達到還原的目的。

設(shè)備控制要點分為新鮮氫氣、加熱段、緩冷段、一級冷卻段、二級冷卻段和冷卻出口6個部位。新鮮氫氣一般由水電解制氫獲得。制氫設(shè)備的純化裝置主要處理氫氣內(nèi)所含的水分，此設(shè)備不在退火爐設(shè)備之列。加熱段的氫氣露點主要取決于爐體的密封性、氫氣來源的質(zhì)量狀況和鋼帶表面殘油量。加熱段的結(jié)構(gòu)一般為爐體內(nèi)設(shè)馬弗。馬弗外為燃燒室，內(nèi)部為氫氣，底部為油槽密封，同時由氮氣進行密封保護。因此，底部油槽的密封性能和氮氣的密封保護效果對爐內(nèi)氫氣氣氛的露點影響較大。脫脂設(shè)備能夠去除帶鋼表面軋制油，而殘留的油在爐內(nèi)經(jīng)過高溫分解后會直接影響露點的高低，因此脫脂段設(shè)備的控制尤為重要。脫脂液的壓力和流量控制、刷輥的轉(zhuǎn)速和壓力控制、擠干輥的表面和壓力控制、清洗段清水的電導(dǎo)率控制等，都會影響帶鋼脫脂后的表面殘油量。

冷卻段分為4個區(qū)域，設(shè)備控制要點基本相同。在保證爐壓穩(wěn)定的前提下，盡可能增加氣體流量，加速爐內(nèi)氣氛的置換速度，能夠獲得良好的氣氛效果。同時，冷卻段設(shè)備一般為水冷型，內(nèi)部的輕微泄漏會嚴(yán)重影響氫氣的露點狀況。例如，水冷換熱器不管是板式還是管式，內(nèi)部密封的輕微泄漏或者內(nèi)部砂眼均應(yīng)受到重視[3]。

較好的設(shè)備控制一般能夠?qū)⒏鲄^(qū)域氫氣露點控制在如表2所示的范圍。在此范圍內(nèi)，精密不銹鋼能夠獲得良好的退火效果。露點高于此范圍會產(chǎn)生氧化、性能不良等質(zhì)量缺陷，低于此范圍氣源成本和過程控制成本會急劇增加。

表2 爐內(nèi)各區(qū)域氫氣露點范圍

2.2 氫氣氧含量的控制

精密不銹鋼的光亮退火對爐內(nèi)氫氣的氧含量要求很高。在高溫狀態(tài)下，爐內(nèi)氫氣與微量氧發(fā)生反應(yīng)生成水，使?fàn)t內(nèi)露點升高，而微量氧也會與合金進行反應(yīng)，生成氧化物，造成鋼帶表面氧化，反應(yīng)式如下。

Me+O2→MeO

H2+O2→ H2O

與氫氣露點相同，氧含量的控制同樣取決于爐體的密封性、氫氣來源的質(zhì)量狀況和鋼帶表面殘油量。對上述3點進行良好的設(shè)備控制后，能夠獲得優(yōu)良的氧含量效果，如表3所示。

表3 爐內(nèi)各區(qū)域氫氣氧含量范圍

除此之外，出入口密封的密封效果對爐內(nèi)氧含量尤其是加熱段的氧含量影響較大。光亮退火爐一般采用兩種密封形式，即輥式密封和氈式密封，以實現(xiàn)不同的密封要求。輥式密封由一對同步轉(zhuǎn)動的密封輥組成，擠壓在帶鋼兩側(cè)，阻止外界氧氣隨帶鋼進入爐體。氈式密封使用毛氈包覆在芯軸外部，不轉(zhuǎn)動，一對毛氈輥將帶鋼擠壓住。對于厚度為0.1 mm以上的不銹鋼帶材，使用氈式密封。氈式密封變形量較大，能夠較好地密封帶鋼兩側(cè)的間隙，防止氣體外溢與氧氣進入。對于厚度為0.1 mm及以下的精密不銹鋼帶材，以及超平料、氫能源材料等表面易劃傷的帶材，氈式密封可能對表面造成質(zhì)量缺陷，宜選用輥式密封。

2.3 氫氣含塵量的控制

氫氣含塵量會造成不銹鋼表面附著物的增加?；覊m狀態(tài)的附著物在經(jīng)過軋機軋制后會產(chǎn)生無法修復(fù)的白點，造成嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷。新鮮氫氣主要通過 5 μm以下過濾器過濾內(nèi)部顆粒物。爐內(nèi)氣氛中的顆粒物主要來自鋼帶表面殘留物燃燒后產(chǎn)生的硼塵，此類顆粒物需要定期手動清除，一般要保證爐內(nèi)含塵量低于2.5 mg·Nm3。

立式光亮退火爐的熱交換器為冷卻系統(tǒng)的核心部件，熱交換器的冷卻表面常被細(xì)小的硼塵包覆。通常情況下，光亮爐采用管巢式熱交換器。這種熱交換器冷卻能力較強，不像翅片冷卻器敏感，被灰塵包覆時會快速失去冷卻性能。同時，熱交換器需集成切斷閥，方便被快速拆卸清洗，從而不影響露點或氧含量。

而在退火爐馬弗內(nèi)，受高溫氣體布朗運動和氣體流動的影響，氫氣內(nèi)的固體顆粒物不斷發(fā)生混合碰撞，使顆粒產(chǎn)生聚合作用，微小顆粒物聚集為大顆粒，附著在馬弗內(nèi)壁和氣體管道內(nèi)壁。因此，部分退火爐使用機械式過濾器或多級旋風(fēng)分離器進行顆粒物過濾，以便實現(xiàn)氫氣的回收再利用。旋風(fēng)分離器一般分為三級旋風(fēng)結(jié)構(gòu)，由旋風(fēng)分離器艙體、動力風(fēng)機及顆粒收集器組成。氣體從旋風(fēng)分離器的進氣管道沿切線方向進入一級旋風(fēng)結(jié)構(gòu)，煙氣沿著旋風(fēng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁做旋轉(zhuǎn)運動，較大的顆粒物沉積在旋風(fēng)結(jié)構(gòu)底部溝槽內(nèi)，順著排氣管道一同排出，外部使用除塵袋進行收集。大顆粒物被清除后，煙氣向上進入二級旋風(fēng)結(jié)構(gòu)進行旋風(fēng)除塵，做小顆粒的清除。清除后進入三級旋風(fēng)結(jié)構(gòu)，清除微小顆粒物。經(jīng)過三級除塵后，直徑1 μm以下的顆粒物被清除。

2.4 爐壓的控制

極薄規(guī)格精密不銹鋼帶材受界面能和應(yīng)變能的影響，如采用常規(guī)熱處理工藝，晶粒很容易長大，形成大尺寸晶粒，影響產(chǎn)品性能。中間柔性化退火工藝對爐壓穩(wěn)定性要求更高。立式光亮退火爐集成了密集環(huán)形爐輻射式加熱、出入口輥式密封裝置、成品低溫再結(jié)晶以及快速冷卻熱處理工藝，在此基礎(chǔ)上爐內(nèi)氫氣壓力目標(biāo)值設(shè)定在420～450 Pa，通過新鮮氫氣流量和爐體放散閥門共同來控制。通過自動調(diào)節(jié)開度的蝶閥和閥門控制器，能夠精準(zhǔn)控制氫氣流量。一般情況下，新鮮氫氣流量通過入口閥門控制在一個穩(wěn)定值即可，一般為70～90 m3·h-1。爐壓可以通過爐體放散閥來控制，通過壓力傳感器和爐壓閥門器進行伺服控制。

此外，爐體密封輥的側(cè)隙的大小對爐壓的穩(wěn)定性有著重要影響。一般情況下，出口側(cè)隙調(diào)整為0.17～0.18 mm，入口側(cè)隙調(diào)整為0.21～0.25 mm較為合適。在此側(cè)隙下，氮氣的溢出量比較穩(wěn)定，入口和出口氫氣含量能夠保持穩(wěn)定水平。如果氫氣含量能夠一直維持穩(wěn)定，那么氮氣的補充量和爐壓控制非常均勻。

3 結(jié)語

通過良好的設(shè)備控制能夠?qū)t內(nèi)氫氣露點、氧含量、含塵量和爐壓等指標(biāo)進行較好的控制，實現(xiàn)超薄不銹鋼的微張力光亮退火，解決了表面氧化、性能不良等質(zhì)量缺陷，滿足精密不銹鋼極薄帶的高品質(zhì)要求。

（1）爐內(nèi)氫氣露點主要受帶鋼表面含油量、氫氣流量和加熱速度影響，因此設(shè)備控制應(yīng)重點解決含油量高、氫氣來源和質(zhì)量的問題。

（2）氫氣露點的好壞直接決定著鋼帶退火后的性能和質(zhì)量，而露點的控制主要取決于脫脂段設(shè)備的控制狀況、爐體設(shè)備密封狀況以及冷卻段設(shè)備的泄露控制狀況。

（3）氫氣的氧含量的高低決定鋼帶退火后是否有氧化等質(zhì)量缺陷，氧含量的控制同樣取決于爐體設(shè)備的密封狀況。

（4）爐壓的穩(wěn)定控制對爐內(nèi)氣氛質(zhì)量有著重要影響。

在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控爐內(nèi)氣氛參數(shù)和設(shè)備控制關(guān)鍵點，保證爐內(nèi)氣氛合格穩(wěn)定，防止表面氧化、性能不良以及組織不均勻等問題的產(chǎn)生。