連續退火機組碳套輥結瘤原因分析及查找方法

尹開波

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000)

前言

連續退火爐是硅鋼產品生產線中的重要設備之一，其作用是通過冷軋硅鋼在連續高溫下進行爐內退火、脫碳和再結晶。石墨碳套是爐輥的重要設備，廣泛用于各類臥式退火爐及連退生產線［1］。生產過程中碳套輥一旦出現結瘤，需要立即處理,從而降低硅鋼產品的質量損失。機組通過上過渡卷進行磨輥或者對結瘤碳套輥進行更換的方法，既影響生產效率，同時停爐升降溫的過程中也會造成能源浪費。隨著工業技術的發展，已經有應對爐輥結瘤的各種處理預案，針對不同生產線的設備、生產工藝都各有特點。就馬鋼硅鋼連續退火生產線，分析爐輥輥結瘤的產生原因和改善的措施,同時研究一種快速查找鎖定碳套輥結瘤的方法。

1 碳套輥結瘤分析

1.1 典型碳套輥結瘤剖析

碳套結瘤是碳套表面在爐內高溫環境下，產生一種凸狀異物。碳套輥與帶鋼接觸后在帶鋼表面會造成凹狀缺陷。根據結瘤物的位置、吸附能力和成分大致分為三類。第Ⅰ類是碳套輥的凹坑深度比較深，凹坑不易消除，且結瘤物顏色以橙色為主，主要是因為氧化鐵粉在爐內熔融反應被還原為鐵和鐵的氧化物吸附在碳套表層，稱為反應型結瘤。第Ⅱ類是在碳套輥凹坑內鑲嵌的深度較淺，不易吸附在凹坑中，表面形貌呈塔尖狀，和碳粉顏色比較接近，成分跟碳套輥本身的材質相似，稱為腐蝕型結瘤。第Ⅲ類是主要是表層碳粉、粉塵、氧化鐵皮等積累而成，在不斷的摩擦和外壓力作用下粘附在碳套輥表面稱為粘附型結瘤［2］（如圖1所示）。

圖1 三種典型的碳套結瘤形貌

1.2 結瘤原因分析

碳套輥石墨含量正常情況下超過60%，為多孔材料，經表面修磨、加工滲鉻，增加光整度。在高溫環境下工作一段時間后碳套表面會出現氧化層、凹坑，出現表層孔隙。帶鋼表層殘存的鐵粉與碳套輥接觸研磨后，氧化鐵、粉塵等雜質在孔隙中堆積，隨爐內還原氣氛的反應長大成結瘤。帶鋼在運動過程中部分結瘤脫落，在碳套輥表面形成更大的凹坑，成為二次結瘤的空間（如圖2所示）。

圖2 碳套凹坑的表面形貌

碳套輥結瘤有兩個必備條件：（1）在碳套輥表層有顯著的凹坑或者間隙，從而提供有利環境；（2）爐內有鐵粉、碳粉、粉塵等雜質吸附在碳套輥表層，為碳套輥結瘤提供原材料。

1.2.1 碳套表面凹坑形成機理

碳套輥生產時，為了提高碳套輥優良的機械強度和表層抗氧化性，通過浸潤加工促使氧化物擴散到表層孔隙中［3］。硅鋼連退生產線的保護氣氛是H2+N2的雙組份混合氣體，碳套表層的氧化物在還原性氣氛的作用下被還原，發生如反應式（1）的化學反應，在碳套輥表層浸潤的氧化物被H2還原致使表層出現不規格的孔隙。為表層結瘤提供有利條件。

其中：MO為浸潤在碳套輥中的氧化物。

（1）相同爐溫和爐內氣氛條件下，H2含量為零時碳套表面有輕微弱氧化的現象，未出現明顯裂痕；H2含量10%時，碳套輥表面形貌較為完整且無明顯的顆粒狀凹坑；H2含量20%時，表面凹坑明顯增多，凹坑密集變大，且碳套輥邊部出現有疏松脫落的現象（見表1）。

表1 不同氫氣含量碳套情況對比

（2）在相同爐溫和H2含量下，爐膛內濕氣氛的碳套輥表面完整度有明顯改善。

（3）在相同爐內氣氛下，爐溫950 ℃時與850 ℃時進行對比，碳套輥表面平整度變差，同時凹坑更密集。

此外，碳套輥安裝精度對結瘤也有一定影響。碳套輥在組裝時，碳套的內徑與輥芯間隙較大（高溫熱脹冷縮后間隙無法消除）、碳套輥兩端不能有效固定，與帶鋼之間形成差速，相對摩擦導致碳粉在爐輥上堆積，從而加重碳套表面結瘤。在現場安裝碳套輥時，碳套表層未采取有效措施，表面有劃痕、凹坑、撞傷等缺陷（圖3），碳套表面浸潤層受到嚴重破壞致使內部多孔組織裸露在爐內高溫還原環境中，為鐵粉的堆積提供了條件。

圖3 碳套輥表面劃傷

1.2.2 結瘤反應機理

正常情況下，爐殼與冷卻段換熱器的連接處密閉性會存在一定缺陷，在氮氣循環冷卻時，造成帶鋼在爐內有微量氧化，不會對爐內碳套輥輥面產生破壞性后果。隨著爐內氣密性不斷降低，帶鋼表面氧化程度逐漸加重。在處理爐體的氣密性問題時，會使用過渡卷，過渡卷會產生氧化鐵皮。爐內氣體流動是從退火爐出口流往入口方向，反向吹向帶鋼表面，爐區加熱段部分氧化鐵皮會被氣流帶入［4］。此外，在退火爐升降溫過程中，重復使用過渡卷，過渡卷表面的氧化鐵皮在爐內氣氛作用下剝落，氧化鐵皮在爐內氣流的作用下會被吹到爐膛前加熱段,造成爐內有氧化鐵及鐵的氧化物增加。

當熱軋卷下線時溫度高、常化酸洗時酸洗效果不良，使得帶鋼表面氧化鐵粉剩余量較多；清洗段狀況不佳造成清洗效果不理想，鋼板表面的殘留氧化鐵粉被帶入到爐內，都會在碳套輥表面堆積［5］。

在H2作用下，鐵的氧化物經過發生式（2）的化學反應，其中部分氧化物被還原成Fe，從而會形成反應型結瘤。

1.2.3 碳套輥結瘤改善措施

根據產生結瘤的原因和現場生產實際情況進行分析，制定了以下改善措施。

(1)調整連退機組的H2含量，將H2含量降低至5%～10%，可降低鐵的氧化物在碳套表面進行還原反應對碳套的腐蝕。減少結瘤產生的位置。

(2)優化清洗段清洗工藝，調整刷輥電流，電解電流，脫脂劑溫度、濃度等工藝參數，定期清理電磁過濾器刮板，定期排放堿刷洗循環罐。將沉積的鐵粉排出，減少殘余鐵粉對碳套輥表面的侵蝕。

(3)合理制定過渡卷的使用頻次和表面質量判定標準，減少氧化鐵皮的在退火爐內的剩余量，減少結瘤產生所需要的原料。

(4)開爐檢修時定期安排爐內清灰工作，減少爐內粉塵淤積板結，降低結瘤所需原料來源，降低碳套輥結瘤風險。

2 碳套輥結瘤查找方法

2.1 常規方法

由于退火爐爐體較長，爐內碳套輥在160～250根左右，準確定位結瘤輥的位置很困難。常規方法是：在結瘤較嚴重時，在連退線上一卷新過渡卷，將此卷停在爐中，轉動爐輥，使碳套輥與帶鋼產生滑動摩擦，每根碳套輥會在帶鋼上留下一個摩擦印記。然后將爐內帶鋼拖出退火爐查看每根碳套輥在帶鋼上留下的印記，根據印記形貌判斷哪根碳套輥產生結瘤。

這個方法存在問題：一是用時較長，判斷一次需要4個小時左右；二是磨輥時間不好掌控，磨出的印記較輕時很難判斷出結瘤輥位置；三是過渡卷消耗大、停機能耗成本高。

2.2 差速法

經現場跟蹤研究，研發出利用差速法快速查找碳套結瘤輥。例如碳套輥的直徑為D，如某根碳套輥上產生一個結瘤，此結瘤會導致板面上產生周期性的麻點，周期間距為碳套輥周長L=πD。此時帶鋼運行速度為S，碳套輥的線速度也為S。通過控制電機轉速提高結瘤輥線速度30%，此時結瘤輥在帶鋼表面產生的麻點周期間距會縮短30%，變為：

通過電氣改造，實現退火爐內所有碳套輥傳動電機可單獨進行速度控制，并通過爐內區域遞減篩選，快速確認結瘤輥位置。

常見的碳套輥直徑有150 mm和180 mm兩種規格。以直徑為150 mm 碳套輥為例，正常轉速下，碳套輥周長為471 mm。為鎖定結瘤輥位置，將一個爐區的碳套輥輥系的轉速減少30%，待修正轉速后的帶鋼運行至測量位置。若帶鋼表面麻點間距為471 mm，則說明結瘤輥不在此爐區，換下一個爐區再改變輥系轉速進行測試。若帶鋼表面麻點間距為330 mm，則說明結瘤輥在此爐區，將此爐區的爐輥再一分為二進行判斷，若帶鋼表面麻點間距為471 mm，則說明結瘤輥不在調整轉速的區域，換另外二分之一的爐輥再改變輥系轉速進行測試。若帶鋼表面麻點間距為330 mm，則說明結瘤輥在此爐區。依次減少范圍，最終鎖定結瘤爐輥。

3 結論

（1）碳套輥結瘤原因：碳套輥在還原性氣氛下被腐蝕留下孔隙或凹坑缺陷、安裝精度不足，以及防護措施不當產生輥面劃傷都會結瘤提供附著位置；氧化鐵粉、碳粉、殘留氧化鐵、粉塵等雜質元素為結瘤提供所需原材料。

（2）提出了碳套輥結瘤的改善措施：將氫氣含量降低至5%～10%、定期爐內清理、修訂過渡卷的使用制度、優化清洗段生產工藝、改良碳套輥更換護具。降低碳套輥結瘤產生幾率。

（3）通過現場研究，研究一種快速鎖定查找爐內碳套結瘤輥位置的方法，為快速更換結瘤碳套，減少質量損失提供有效技術手段。