邢 巍，常志祿，文赫荔，秦 昊，李 波

（安鋼集團(tuán)冷軋有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455000）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷騰飛，市場(chǎng)（汽車、家電、變壓器等）對(duì)冷軋鋼板（帶鋼）產(chǎn)品需求量日益增加。 相較于熱軋鋼板（帶鋼），冷軋?jiān)诘陀阡摬脑俳Y(jié)晶溫度以下軋制，軋制過(guò)程中帶鋼溫度較低，因此表面氧化程度低，并且可根據(jù)用途不同制造出表面粗糙度和形貌（光面、麻面、印花等）不同的帶鋼。冷軋后帶鋼通過(guò)采用不同加熱工藝制度（完全退火、不完全退火等）可獲得物理性能（強(qiáng)度、硬度、塑性等）可控的成品。冷軋帶鋼解決了熱軋過(guò)程中溫降和溫度分布不均等問(wèn)題， 規(guī)格上也彌補(bǔ)了1.80 mm以下熱軋無(wú)法生產(chǎn)的空缺。 在冷軋軋制設(shè)備上四輥CVC軋機(jī)、六輥HC軋機(jī)、森吉米爾二十輥軋機(jī)等配置軋制數(shù)學(xué)模型、板形儀反饋等對(duì)帶鋼厚度、板形閉環(huán)控制生產(chǎn)，因此冷軋帶鋼同板差、板形（平直度）等指標(biāo)質(zhì)量更高。

在冷軋帶鋼生產(chǎn)中退火爐內(nèi)爐輥結(jié)瘤是冷軋-連退機(jī)組工藝段爐區(qū)常見問(wèn)題。 爐輥結(jié)瘤的產(chǎn)生在帶鋼表面形成白色點(diǎn)狀硌印或針刺狀亮點(diǎn)缺陷，影響帶鋼表面質(zhì)量。 大量不規(guī)則爐輥結(jié)瘤堆積還會(huì)影響爐內(nèi)帶鋼跑偏控制。因此，分析連退爐內(nèi)爐輥結(jié)瘤產(chǎn)生原因并針對(duì)性采取控制措施有重要意義。

1 設(shè)備概況

安鋼1 550 mm冷軋薄板工程年產(chǎn)量120萬(wàn)t（冷軋產(chǎn)品70萬(wàn)t/a，熱鍍鋅產(chǎn)品30萬(wàn)t/a，冷硬卷20萬(wàn)t/a）。主要生產(chǎn)機(jī)組有酸軋機(jī)組一條，連續(xù)退火機(jī)組一條，熱鍍鋅機(jī)組一條。 酸軋機(jī)組由日本TMEIC公司設(shè)計(jì)，采用五機(jī)架六輥冷連軋機(jī)（HC軋機(jī)）。 連退機(jī)組由日本新日鐵公司（Nippon Steel Corp）設(shè)計(jì)并提供技術(shù)，與鍍鋅機(jī)組位于酸軋機(jī)組后線， 平行布置在同一個(gè)廠房?jī)?nèi)，產(chǎn)品以高級(jí)家電板、建筑板為主（見圖1）。

圖1 安鋼1 550 mm冷軋生產(chǎn)工藝流程示意圖

連退機(jī)組工藝段爐區(qū)為立式密閉爐， 爐內(nèi)由氮?dú)猓∟2）、氫氣（H2）按照一定比例混合形成還原性保護(hù)氣氛，保證帶鋼在爐內(nèi)加熱退火過(guò)程中不被氧化，同時(shí)去除帶鋼表面殘留的氧化物。 加熱方式為封閉式煤氣輻射管加熱與電加熱帶加熱相結(jié)合。 根據(jù)帶鋼走向由預(yù)熱段（PHF）、加熱段（HF-1、HF-2）、均熱段 （SF）、 緩 冷 段 （SCF）、1#冷 卻 段 （1C）、 過(guò) 時(shí) 效 段（OA-1、OA-2）、2#冷卻段（2C）及水淬（WQ）組成（見圖2）。 爐內(nèi)設(shè)有板溫計(jì)和爐溫計(jì)對(duì)爐內(nèi)帶鋼板溫和爐內(nèi)溫度實(shí)時(shí)反饋；各區(qū)域設(shè)有露點(diǎn)測(cè)試取樣孔，采用紅外線氣體分析儀連續(xù)自動(dòng)進(jìn)行露點(diǎn)測(cè)定； 同時(shí)爐內(nèi)控制模式有板溫控制模式和爐溫控制模式兩種， 通過(guò)爐內(nèi)大數(shù)據(jù)反饋與分析可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)各區(qū)域段溫度與爐內(nèi)氣氛實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。

圖2 安鋼冷軋連退爐工藝簡(jiǎn)圖

安鋼冷軋連退爐區(qū)主要設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 連退爐區(qū)主要設(shè)備參數(shù)

安鋼冷軋連退爐各區(qū)域加熱能力見表2。

表2 連退爐區(qū)加熱能力

2 存在問(wèn)題

安鋼連退機(jī)組出口冷軋卷成品立式檢查臺(tái)頻閃儀下成品帶鋼表面出現(xiàn)白色點(diǎn)狀或針刺式亮點(diǎn)印記，該印在水平檢查臺(tái)上停車檢查后有光感無(wú)手感。對(duì)該表面缺陷從出口成品段向上道工序進(jìn)行追蹤，最終鎖定發(fā)現(xiàn)帶鋼出爐區(qū)即存在該情況。經(jīng)過(guò)對(duì)連退爐開爐檢查，發(fā)現(xiàn)爐輥表面出現(xiàn)大量結(jié)瘤，爐輥結(jié)瘤位置主要集中在加熱段（HF1/HF2）和均熱段（SF），爐內(nèi)帶鋼表面點(diǎn)狀印也是在均熱后出現(xiàn)， 以此認(rèn)定爐輥結(jié)瘤是導(dǎo)致該缺陷產(chǎn)生的主要原因。 爐輥結(jié)瘤是指爐輥表面點(diǎn)狀凸起，分為兩類：一類是非金屬異物粘附形成；另一類是金屬鐵（Fe）在高溫熔融狀態(tài)下在爐輥輥面上與爐輥的機(jī)體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成。

機(jī)組連續(xù)生產(chǎn)中隨著爐輥工作溫度的升高，爐輥與鋼帶之間的滑動(dòng)促進(jìn)結(jié)瘤生成。 這些結(jié)瘤物在輥面會(huì)越長(zhǎng)越大，凸起高度可以達(dá)到0.5 mm。結(jié)瘤凸起在與帶鋼接觸運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生硌印， 從而在帶鋼表面形成點(diǎn)狀印， 造成帶鋼表面產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷（見圖3）。

圖3 爐輥結(jié)瘤示意圖

3 原因分析

爐內(nèi)爐輥結(jié)瘤按其形成機(jī)理分為粘附型和反應(yīng)型兩大類。粘附型結(jié)瘤主要是爐內(nèi)異物落入輥面（如爐內(nèi)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(jié)瘤。 反應(yīng)型結(jié)瘤是高溫下帶鋼與爐輥相對(duì)滑動(dòng)時(shí)帶鋼表面氧化物與爐輥?zhàn)陨肀砻嫜趸锞奂纬桑?這類氧化物結(jié)瘤在高溫下與爐輥會(huì)產(chǎn)生輕微熔融、擴(kuò)散和合金化[2]。 對(duì)于第二類爐輥結(jié)瘤形成過(guò)程進(jìn)行分析可以得出：來(lái)自于帶鋼表面的氧化鐵皮（Fe2O3、FeO）是造成結(jié)瘤的主要原因。 這類結(jié)瘤的產(chǎn)生要經(jīng)過(guò)以下三個(gè)過(guò)程：①氧化鐵皮（粉）聚集；②爐內(nèi)氧化鐵還原；③還原后單質(zhì)鐵與爐輥表面氧化物結(jié)合堆積成點(diǎn)狀顆粒。

氧化鐵皮的來(lái)源分為爐外帶入和爐內(nèi)氧化兩種。 前者是在機(jī)組運(yùn)行生產(chǎn)過(guò)程中帶鋼表面氧化物帶入爐內(nèi)產(chǎn)生的。 帶鋼在酸洗軋制過(guò)程中由于帶鋼在酸洗槽內(nèi)停留時(shí)間（過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)）和酸液濃度（摩爾濃度）變化會(huì)造成帶鋼表面欠酸洗和過(guò)酸洗，進(jìn)而造成帶鋼表面殘留氧化鐵粉和鐵。 帶鋼表面殘留的氧化鐵粉和鐵經(jīng)軋制殘留在帶鋼表面， 而且鐵粉被乳化液中的軋制油包裹，殘留在成品板帶上。

帶鋼爐內(nèi)氧化原因：

（1）爐體密封性差，爐外氧氣滲漏進(jìn)入爐內(nèi)，爐內(nèi)氧含量過(guò)高， 高溫下帶鋼基體與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。造成爐內(nèi)氧含量過(guò)高的原因除去爐殼存在裂縫、漏點(diǎn)等設(shè)備原因外， 也跟爐內(nèi)外存在巨大的氧含量差有關(guān)。盡管爐內(nèi)屬于正壓操作系統(tǒng)，但是在爐壁漏洞的邊沿上仍然會(huì)發(fā)生氧氣的對(duì)流滲透。 氧氣之所以能逆著氣流穿過(guò)漏洞滲入爐內(nèi)，主要原因有兩個(gè)：①爐內(nèi)爐外有極大的氧氣濃度差， 爐內(nèi)氣氛的氧氣分壓幾乎等于零，而爐外在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣中的氧氣含量為21%， 這是氧氣滲入爐內(nèi)的主要?jiǎng)恿?；②爐壁的漏洞往往是非常不規(guī)則的（像孔道彎曲、孔壁粗糙等）。 保護(hù)氣體從爐內(nèi)流出時(shí)就遭受很大的阻力，而使流速大大減慢。特別是在流體和爐壁接觸的界面上，由于存在極大的摩擦力，使流速下降到很低的限度， 這就形成了氧氣滲入爐內(nèi)的有利條件，當(dāng)具備以上有利條件，氧氣就可以滲入正壓系統(tǒng)的爐內(nèi)（見圖4）。

圖4 爐子漏洞邊沿的氧氣分子對(duì)流滲透示意圖

（2）爐內(nèi)氣氛不穩(wěn)定，含水量過(guò)高。 爐內(nèi)保護(hù)氣體（H2、N2）的脫水系統(tǒng)發(fā)生異常將促成保護(hù)器本身的水分含量突然增高或者保護(hù)氣體中雜質(zhì)含量較高引起的氣氛變化。 爐內(nèi)高溫下水蒸汽（H2O）與帶鋼（Fe）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Fe3O4，見式（1）。

爐內(nèi)還原性氣體氫氣（H2）與帶鋼表面氧化亞鐵（FeO）/四氧化三鐵（Fe3O4）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就會(huì)生成單質(zhì)鐵（見式（2），式（3）），而這些還原后的單質(zhì)鐵聚集在一起與爐輥表面結(jié)合堆積最終形成爐輥表面點(diǎn)狀結(jié)瘤。

判斷還原反應(yīng)是否發(fā)生的主要因素是氫氣和水蒸汽的比例。 控制兩者的比例（H2/H2O）相當(dāng)于H2+H2O的混合氣體分壓[3-4]。 反應(yīng)平衡時(shí)，吉布斯自由能為零，氧分壓如下：

式中：pO2、pH2O、pH2分別是氧氣分壓、水蒸氣分壓、氫氣分壓，Pa；ΔG0為反應(yīng)發(fā)生式吉布斯自由能，J；R為氣體平衡常數(shù)；T為反應(yīng)發(fā)生溫度，℃。 從式（4）中可以看出，爐內(nèi)氧化性氣氛和水蒸氣分壓成正比，和氫氣分壓的平方成反比[5]。

4 措施

結(jié)合爐輥結(jié)瘤形成原因， 采取相應(yīng)控制措施減少和抑制結(jié)瘤產(chǎn)生對(duì)改善帶鋼表面質(zhì)量有較大的作用。 控制結(jié)瘤的措施主要分為減少結(jié)瘤形成的條件從而影響到結(jié)瘤產(chǎn)生以及對(duì)已形成結(jié)瘤采用相應(yīng)措施去除結(jié)瘤和控制結(jié)瘤進(jìn)一步生長(zhǎng)兩個(gè)方面。

（1）嚴(yán)格控制帶鋼入爐前清洗段工藝流程，適度提高堿液濃度，增加帶鋼在清洗段停留時(shí)間，保證刷輥正常運(yùn)行，從而提高清洗質(zhì)量。對(duì)清洗后帶鋼入爐前測(cè)定反射率（反射率法，也稱貼膜法、粘貼法或Scotch膠帶反射率法，用L值表示；測(cè)定反射率時(shí)用一種專門的粘帶貼在需檢測(cè)的帶鋼表面, 把帶鋼表面的殘污物粘到粘帶上，用反射率檢測(cè)儀測(cè)粘帶的反射率，將測(cè)得的樣品數(shù)值和標(biāo)樣對(duì)比即可得到帶鋼表面潔凈度；L值越大，反射率越高，表面越清潔），確保軋制后帶鋼表面殘留物清理干凈。

（2）對(duì)于粘附類結(jié)瘤通過(guò)修磨爐輥可有效進(jìn)行去除。爐輥修磨一般分為在線修磨和停爐修磨兩種。在線磨爐輥是指在生產(chǎn)中通過(guò)改變爐內(nèi)帶鋼運(yùn)行速度， 利用帶鋼與爐輥速度差產(chǎn)生的相對(duì)滑移磨掉爐輥結(jié)瘤（安鋼連退機(jī)組在線磨爐輥時(shí)爐內(nèi)運(yùn)行帶鋼一般選用1.0～1.5 mm規(guī)格， 該規(guī)格帶鋼爐內(nèi)易于控制同時(shí)厚規(guī)格帶鋼變形抗力、強(qiáng)度、硬度較大磨輥效果更好）； 停爐磨爐輥一般是利于機(jī)組檢修停爐期間，人工用油石對(duì)爐輥表面結(jié)瘤修磨。相較于在線修磨，停爐人工修磨直接接觸爐輥結(jié)瘤，針對(duì)性強(qiáng)、修磨效果更佳，缺點(diǎn)是需要停爐、開爐蓋等一系列工作，影響機(jī)組運(yùn)行，職工勞動(dòng)強(qiáng)度大。

（3）爐內(nèi)氣氛控制。 爐內(nèi)氣氛直接影響到帶鋼在爐內(nèi)的氧化還原狀態(tài)， 進(jìn)而影響到爐輥結(jié)瘤的產(chǎn)生。爐內(nèi)氣氛監(jiān)控要點(diǎn)主要集中在爐壓、露點(diǎn)、氮?dú)鈿錃饣旌媳热矫?。爐壓反饋與監(jiān)控主要是防止?fàn)t外大氣中氧氣的滲漏，適度保持爐內(nèi)正壓可減少爐外氧氣進(jìn)入爐內(nèi)與爐內(nèi)帶鋼產(chǎn)生氧化反應(yīng)。露點(diǎn)是爐內(nèi)保護(hù)氣體中含水量的標(biāo)志，通過(guò)爐內(nèi)露點(diǎn)的測(cè)試和分析可以間接推斷出爐內(nèi)環(huán)境氣氛變化狀態(tài)，露點(diǎn)偏高時(shí)要考慮制氮站和制氫站氮?dú)馀c氫氣干燥情況，同時(shí)也要確認(rèn)爐殼泄漏狀態(tài)（爐外氧氣進(jìn)入爐內(nèi)與帶鋼氧化反應(yīng)）。氮?dú)浠旌媳戎饕强刂茽t內(nèi)帶鋼氧化鐵還原情況。氫氣屬于還原性氣體，具有極高的還原性，提高氫氣含量可促進(jìn)氧化鐵還原反應(yīng)，提高反應(yīng)速率；相反提高氮?dú)夂縿t會(huì)抑制氧化鐵還原反應(yīng)速率。

（4）爐內(nèi)張力控制。連退機(jī)組運(yùn)行時(shí)為保證爐內(nèi)帶鋼不發(fā)生跑偏，爐內(nèi)帶鋼都處于建張狀態(tài)，其張力的大小是通過(guò)爐輥電機(jī)帶動(dòng)爐輥轉(zhuǎn)速差控制。 建張狀態(tài)下帶鋼與爐輥緊密接觸形成一定壓力， 這也是形成結(jié)瘤的誘因。因此，在生產(chǎn)中適當(dāng)減少?gòu)埩σ材軠p少爐輥結(jié)瘤的產(chǎn)生。

結(jié)合理論分析和2020年連退機(jī)組爐區(qū)結(jié)瘤情況，在2021年對(duì)機(jī)組帶鋼入爐前反射率明確了具體要求：酸軋出口不低于50，連退入口清洗段不低于85。 同時(shí)對(duì)工藝段爐區(qū)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整（見表3，表4）。

表3 爐區(qū)優(yōu)化前參數(shù)（2020年）

表4 爐區(qū)優(yōu)化后參數(shù)（2021年）

5 效果

隨著安鋼冷軋-連退機(jī)組的高效穩(wěn)定運(yùn)行，爐輥結(jié)瘤帶來(lái)的板面表面質(zhì)量問(wèn)題成為生產(chǎn)中的關(guān)注重點(diǎn)。在理論分析基礎(chǔ)上不斷摸索和優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，最終取得了較好的效果。

2020年度安鋼冷軋-連退機(jī)組成品帶鋼表面爐輥印在安鋼冷軋卷產(chǎn)品質(zhì)量缺陷比例為9%左右（見圖5）。

圖5 2020年安鋼冷軋卷產(chǎn)品質(zhì)量缺陷比例扇形圖

通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備參數(shù)優(yōu)化，2021年度帶鋼表面爐輥印在安鋼冷軋卷產(chǎn)品質(zhì)量缺陷比例下降到3%左右（見圖6）。 結(jié)合目前國(guó)內(nèi)鋼材市場(chǎng)冷軋卷價(jià)格情況， 采用工藝優(yōu)化后安鋼冷軋卷綜合降本增效在85萬(wàn)元左右。

圖6 2021年安鋼冷軋卷產(chǎn)品質(zhì)量缺陷比例扇形圖

6 結(jié)語(yǔ)

分段密閉立式連續(xù)退火爐內(nèi)爐輥結(jié)瘤會(huì)在帶鋼表面形成有光感白點(diǎn)（嚴(yán)重的會(huì)形成針刺狀亮點(diǎn)），直接影響成品冷軋卷表面質(zhì)量， 該缺陷甚至還會(huì)影響到下游深加工用戶的產(chǎn)品表面質(zhì)量。 同時(shí)大量分布不均的爐輥結(jié)瘤還會(huì)影響到爐內(nèi)帶鋼跑偏。因此，爐輥結(jié)瘤形成原因的研究與控制在冷軋帶鋼生產(chǎn)中有一定的意義。 通過(guò)測(cè)量酸軋出口和連退清洗出口反射率，控制清洗堿液濃度，提高了入爐前帶鋼表面清洗質(zhì)量，減少了爐內(nèi)結(jié)瘤產(chǎn)生必要條件。同時(shí)對(duì)爐內(nèi)露點(diǎn)跟蹤控制在-85 ℃左右， 從而控制爐內(nèi)氣氛及爐內(nèi)帶鋼表面氧化物還原反應(yīng)程度。 爐壓適度調(diào)高到150 Pa左右， 爐內(nèi)帶鋼張力適度降低到600 kN左右，減少了爐輥結(jié)瘤形成的機(jī)理?xiàng)l件。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)工藝過(guò)程管控和爐區(qū)工藝參數(shù)優(yōu)化后， 安鋼冷軋卷產(chǎn)品質(zhì)量有較大幅度提升， 帶鋼表面爐輥印缺陷下降明顯，可供國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組參考借鑒。