密閉式連續退火爐在冷軋-連退機組中應用及故障缺陷分析

邢 巍，常志祿，戚新軍 ，崔占利，焦政華

(1.安鋼集團冷軋有限責任公司，河南 安陽 455000； 2.安鋼質量檢測處，河南 安陽 455004)

金屬及合金經冷變形(冷軋)后，內部晶粒產生大量位錯，形成胞狀結構，產生加工硬化，使金屬強度和硬度大大提高，而塑性、韌性、沖壓性能降低，給進一步的冷加工帶來困難。冷軋后金屬內部組織發生晶粒拉長、破碎和晶體缺陷而導致金屬內部自由能升高，處于不穩定狀態。為了消除這種不穩定狀態及所產生的缺陷，使其塑性、韌性提高，強度、硬度下降，需要對冷軋產品進行退火處理。在該領域業內一般采用罩式退火和連續式退火兩種方式，兩種方式各有優缺點。罩式退火爐主要采用高氮低氫的氮氫型保護氣體和普通爐臺循環風機相結合，具有建造投資成本低、組織生產靈活，可分批進行等優點，適于小批量多品種生產；缺點是生產周期長、生產過程不連續，產品機械性能不夠均勻和表面質量不佳以及勞動定員多、占地面積大，生產效率低，退火質量差，能耗高等。而連續退火機組具有生產效率高(生產周期由10 d左右縮短到15 min以內)、產品多樣化、質量高和生產成本低等優勢；但連續退火機組一次性投資成本相對較高，工藝難度較大，過程控制復雜程度高。

安鋼集團冷軋有限責任公司冷軋連續退火機組(以下簡稱連退機組)是冷連軋工程的一條主要生產線，其年處理量為74萬 t，產品以高級家電板、建筑板為主，與鍍鋅機組在同一車間內，平行布置在酸洗冷連軋機組后，對酸軋后的冷硬卷進行退火熱處理。位于工藝段的連退爐區是其生產線的重要部位，爐區分為十個區，控制帶鋼各段加熱及冷卻溫度，直接影響帶鋼最終產品的表面質量和物理性能。

1 設備概況

安鋼集團冷軋有限責任公司冷軋1550 mm連退機組退火爐由日本新日鐵公司設計制造，見圖1。根據帶鋼走向連退爐由預熱段(PHF)、加熱段(HF-1、HF-2)、均熱段(SF)、緩冷段(SCF)、1#冷卻段(1C)、過時效段(OA-1、OA-2)、2#冷卻段(2C)和水淬段(WQ)組成，見圖2。連退爐為立式密閉爐，爐內由氮氣、氫氣按照一定比例混合形成還原性保護氣氛，保證帶鋼在爐內加熱退火過程中不被氧化的同時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和電加熱帶加熱相結合。爐內設有板溫計和爐溫計對爐內帶鋼板溫和爐內溫度實時反饋；各區域設有露點測試取樣孔，采用紅外線氣體分析儀連續自動進行露點測定；同時爐內控制模式有板溫控制模式和爐溫控制模式兩種，通過爐內大數據反饋與分析可實現對爐內各區域段溫度與爐內氣氛實時監控。退火爐設置有廢氣能源循環利用系統，可以通過加熱1、2段間的集氣室收集高溫煙氣，經過6級換熱器分別為機組清洗段干燥系統、熱水系統、車間管網蒸汽系統及爐子預熱段提供熱源，并通過負壓室外空氣使煙氣溫度進一步下降，經廠房外煙囪排出煙氣(符合國標排放要求)。

圖1 冷軋連退爐實圖Fig.1 Actual drawing of cold rolling continuous annealing furnace

圖2 冷軋連退爐工藝簡圖Fig.2 Schematic diagram of cold rolling continuous annealing process

預熱段采用高溫煙氣換熱后的氮、氫保護氣體噴吹帶鋼；加熱段采取輻射管加熱帶鋼；均熱段采用電阻帶加熱帶鋼；緩冷段、1#冷卻段(1C)采用電加熱管加熱帶鋼；過時效段(OA1、OA2)采用電阻帶加熱帶鋼。

冷軋連退爐區主要設備參數見表1；冷軋連退爐各區域加熱能力見表2。

表1 連退爐區主要設備參數Table 1 Main equipment parameters of continuous annealing zone

表2 連退爐區加熱能力Table 2 Heating capacity of continuous annealing area

2 存在的問題

連退機組自投產以來連退爐區出現多次事故，其中既有操作事故也有設備故障問題，如何能夠以較快的速度適應連退爐區設備，快速消除設備故障以較穩定的狀態維持生產是目前亟待解決的問題。

2.1 爐內帶鋼跑偏

爐內帶鋼跑偏是指在運行過程中帶鋼中心線與爐輥中心線發生偏離的現象。根據2019年度連退機組爐區事故統計：爐內帶鋼跑偏以及由爐內帶鋼跑偏引起的掛壁、斷帶、爐內設備損壞等事故，在爐區事故中占比達75%以上，見表3。發生爐內帶鋼跑偏后一般會發生以下后果：1)生產線降速。發生跑偏后為防止帶鋼進一步嚴重跑偏導致停車，不得不降速運行，而由于爐內存在加熱慣性，當帶鋼運行速度發生變化時會導致爐內退火溫度波動起伏，從而影響帶鋼產品質量；2)帶鋼糾偏裝置達到極限值會觸發停車或為防止帶鋼掛爐壁主動停車，停車會影響產品質量；3)帶鋼跑偏嚴重、跑偏速度過快，糾偏裝置未能及時響應或糾偏能力不足時，帶鋼剮蹭到爐墻襯板發生爐內斷帶，發生這種情況后連退爐必須停車切快冷降溫，打開爐蓋處理斷帶，修復爐內受損的設施，然后重新吹掃、升溫恢復生產，此處理過程一般需要1～3班次約5～20 h左右。

表3 冷軋連退機組2019年爐區事故統計Table 3 Accident statistics on the furnace area of coldrolling continuous annealing unit at 2019

2.2 物理性能不合

根據國家規定薄規格冷軋卷板質量檢驗一般有：屈服強度(Rel、RP0.2)、抗拉強度(Rm)、斷后延伸率等指標檢測。

屈服強度又稱屈服極限，指的是金屬產生屈服現象時所承受的應力，單位為MPa。彈性極限試樣加載后再卸載，以不出現殘留的永久變形為標準，材料能夠完全彈性恢復的最高應力，國際上通常以Rel表示。應力超過Rel時即認為材料開始屈服。屈服強度以規定發生一定的殘留變形為標準，如通常以0.2%殘留變形的應力作為屈服強度，符號為RP0.2。

抗拉強度(Rm)是金屬由均勻塑性形變向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力，反映了材料的斷裂抗力。

斷后延伸率指金屬材料受外力(拉力)作用斷裂時，試樣伸長的長度與原來長度的百分比，是帶鋼塑性測定指標。拉伸試樣標距L0根據ISO(國際標準)、ASTM(美國材料與實驗學會標準)、DIN(德國標準)、JIS(日本工業標準)和GB(國標)等標準一般有A80、A50、R90、N90等幾種[1]。

安鋼集團冷軋有限責任公司冷軋產品性能檢測放行標準見表4。

表4 冷軋產品性能檢測放行標準Table 4 Release standards for perfo rance testing of cold rolling products

2.3 帶鋼氧化色

帶鋼氧化色缺陷在生產中也是爐區常見故障，其特征為帶鋼上下表面局部或全部呈現逐漸變淡的黃褐色、蘭色或灰黑色印跡，無明顯的輪廓線，一般邊部較嚴重，圖3。

圖3 帶鋼氧化色缺陷Fig.3 Oxidation color defects of strip steel

3 原因分析

3.1 爐內帶鋼跑偏原因

爐內帶鋼跑偏在行業內有普遍性，日本川崎制鐵早在20世紀80年代就有相關研究，國內趙永生等、李文科等也提出過一些改善措施[2-3]。結合連退機組生產情況分析，主要有以下幾方面原因：

1)張力分布不均。當帶鋼的張力分布發生變化時，張力的合力與帶鋼的幾何中心不能重合，這時帶鋼對輥子施加了一個力矩，由于爐輥是軸向固定的，爐輥對帶鋼就會有一個反向力矩，使帶鋼產生偏移趨勢，通常不同的張力下跑偏的程度不同，張力越小跑偏越嚴重[4]。

2)爐輥結瘤。連退爐區長期運行過程中帶鋼表層殘留氧化鐵皮、雜質等受到高溫加熱會在爐輥表面形成點狀凸起即“結瘤”。結瘤一般在加熱段(加1、加2)爐輥表現比較明顯。爐內結瘤不僅對帶鋼表面質量有較大影響而且由于結瘤分布不均和凸起程度不同在生產中會造成帶鋼爐內跑偏。

3)原料板形差，平直度低。有嚴重的邊浪時，會造成帶鋼進爐后第一道次就開始跑偏。邊浪分為：單邊浪和雙邊浪，其中又以單邊浪對爐內跑偏影響更大。其特征是原料帶鋼開卷后帶鋼一側或兩邊呈可見波浪缺陷。原料帶鋼的鐮刀彎和“S”彎也會造成帶鋼跑偏，帶鋼的鐮刀彎會使帶鋼向曲率中心的反方向跑偏，“S”彎會使帶鋼在輥道上左右偏移，從理論上講，跑偏量與鐮刀彎的程度相一致[5]。

4)原料表面及爐輥表面粗糙度低。爐內帶鋼運行過程中，在張力作用下帶鋼表面與爐輥面形成半周緊密貼合的狀態，見圖4。由于帶鋼和爐輥表面有較高的粗糙度在運行過程中形成相互制約的關系，爐輥在爐內沿運行方向位置相對固定從而也保證帶鋼中心線位置與爐輥中心線位置基本重合，進而控制帶鋼不會發生跑偏。在生產中出現的爐內跑偏故障可發現窄帶鋼相較于寬帶鋼更容易跑偏，其原因是窄帶鋼表面與爐輥接觸面較小，爐輥對帶鋼制約性也較小。

圖4 帶鋼與爐輥貼合示意圖Fig.4 Schematic diagram of bonding strip steel and furnace roll

5)設備精度，包括爐輥及爐內糾偏輥底座安裝精度等。各種爐輥輥面不均勻，底座輕微晃動、磨損等因素均會造成帶鋼橫向跑偏。

3.2 物理性能不合原因

帶鋼在再結晶退火過程中金屬晶粒要經歷回復、再結晶和晶粒長大三個過程(圖5)，這三者又重疊交織在一塊。這個過程的控制直接影響到成品帶鋼的物理(機械)性能指標(屈服強度、抗拉強度、伸長率等)[6]。

圖5 退火再結晶過程Fig.5 Annealing recrystallization process

生產實踐表明：均熱段(SF)的溫度對帶鋼的屈服強度有明顯的影響，而過時效段(OA)的溫度對帶鋼的影響不十分明顯。為了研究退火工藝對帶鋼抗拉強度的影響，選擇典型規格產品的DC01帶鋼進行現場試驗，分析其在不同工藝條件下的性能情況。在相同速度下，均熱(SF)溫度對帶鋼的性能影響明顯，但在溫度達到700 ℃以上繼續提高溫度，性能變化不明顯，說明此時帶鋼已處于晶粒長大期，再結晶已經完成；在一定的規格條件下，在機組速度較快時，即均熱時間較短，強度值趨于上限。當機組速度減慢，即延長均熱時間時，強度值有所下降。

3.3 帶鋼氧化色形成原因

氧化色缺陷的產生主要是受退火爐內環境氣氛影響，冷軋帶鋼在退火過程中由于某種原因(密封輥密閉性差、爐殼破裂或爐蓋密封不嚴等)退火氣氛中存在O2、H2O含量偏高時，而保護氣體中還原性氣體H2含量不足以充分還原由于帶鋼被O2、H2O氧化成鐵的氧化物時就會造成氧化色：

4Fe+2H2O+3O2=2Fe2O3·H2O

造成爐內環境氣氛變化的原因，除了爐子漏氣，還應考慮生產保護氣體(H2、N2)的脫水系統發生異常，促成保護器本身的水分含量突然增高或者保護氣體中雜質含量較高引起的氣氛變化。

4 措施

對于爐內跑偏主要采取以下措施：

1)優化張力設置。溫度較高的區域帶鋼表面與爐輥易產生打滑，采用較大的張力；反之，低溫區采用小張力。另外，不同規格及品種的帶鋼在張力設置上也應有所區分。厚規格以大張力為主，薄規格以小張力為主。品種鋼區分：高強鋼變形抗力較大，采用大張力控制；而對于DC03/DC04等軟鋼變形采用小張力控制為主。

2)提高酸洗/堿洗清洗質量，減少帶鋼表面殘留物帶入爐內附著于爐輥上形成結瘤，同時生產中采用板溫/爐溫模式相結合控制爐溫不出現大幅升降，減少爐內帶鋼過熱、過冷產生熔融與凝固形成的爐輥結瘤，定期利用檢修對爐輥進行人工修磨，在生產中通過改變爐內帶鋼運行速度，利用帶鋼與爐輥速度差產生的相對滑移磨掉爐輥結瘤。

3)通過查看軋制曲線圖了解原料鋼卷的基本信息，掌握帶鋼浪形位置和浪形類型(單邊浪、雙邊浪、肋浪等)做出預判采取相應的措施(張力、溫度等參數控制)，對帶鋼帶頭帶尾板形較差的位置上卷前要給予切除。

4)對于設備精度原因造成的帶鋼跑偏，制定爐輥設備定檢周期進行定期檢查，增強設備安裝精度調整外，采用比例積分效應輥進行糾偏。 出現帶鋼物理性能不合情況，要根據試樣性能實驗報告進行分析，優化加熱過程控制中工藝參數(尤其是均熱段的溫度控制參數調整)。以鋼種CQ，牌號DC01，規格1.0 mm×1250 mm的帶鋼為例。優化前、優化后工藝參數如表5所示。

表5 優化前后工藝參數表(℃)Table 5 Process parameter table before and after optimization

對于氧化色缺陷可以采取以下措施：1)建立爐區點、巡檢制度，對(出入口)密封輥、爐(頂、底)蓋、爐殼利用氣體分析儀進行檢查；2)出現氧化色缺陷后要適時提高爐壓和爐內H2含量，目的是通過提高爐壓保持爐內壓力相較于爐外呈正壓狀態加強爐內密閉性，提高H2含量則是改善爐內環境氣氛加強爐內帶鋼還原反應：Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O；3)提高保護氣體的來氣質量，減少氣體中含水量和雜質含量；4)生產過程中密切關注露點變化(露點是保護氣體中含水量的標志，通過爐內露點的測試和分析可以間接推斷出爐內環境氣氛變化狀態)，出現異常波動時應及時采取措施。

5 效果

對比近兩年連退爐區故障缺陷數據(圖6)，在生產中通過優化爐內各區域段控制溫度、張力，建立板形監控和爐輥結瘤磨輥、爐區巡檢制度以及爐內環境氣氛和露點監控等措施，連退爐內跑偏、加熱性能不合、氧化色等故障缺陷得到有效控制。改善了冷軋帶鋼物理性能和表面質量，保證了生產的連續高效運行。

圖6 2019年(a)和2020年(b)連退爐區故障缺陷統計數據Fig.6 Statistical data of fault defects in continuous annealing area at 2019(a) and 2020(b)

6 結語

分段密閉式連退爐相較于熱軋中常見的開放式加熱爐和冷軋罩式退火爐主要有以下優點：

1)爐內充滿保護氣體(氮、氫)，因而避免鋼板表面氧化層的出現(Fe2O3/FeO)，其中保護氣體中氫氣具有還原性，在爐區高溫下能夠更充分的把帶鋼表面殘留氧化鐵還原為鐵和水，從而保證了帶鋼表面更加美觀。

2)爐內溫度控制更為精準，通過設制于不同區域的爐內板溫計/爐溫計反饋可以實時監控各區域段溫度并跟據工藝要求自動調整燃氣量與電加熱帶控制溫度形成閉環控制(板溫模式/爐溫模式)，必要時還可以人工干預調節煤氣和空氣量(空燃比)、電加熱帶啟停以達到爐溫/板溫最佳控制狀態。

3)相較于罩式退火爐在帶鋼連續性方面又有較大優勢，能夠保證機組連續生產，大幅提高生產效率。