連續退火爐爐輥結瘤原因及涂層爐輥的應用

巫雪松 王道金 段曉溪 宋吉碩

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司,河北 唐山 063200)

退火爐是冷軋連續退火機組的重要設備,爐輥用于傳送和支撐帶鋼,長期在750～850 ℃高溫下運行,退火爐內雜質粘附在爐輥表面或帶鋼表面的雜質粘結在爐輥表面,會導致爐輥結瘤[1],從而使帶鋼表面產生硌痕、劃傷等缺陷,嚴重時要停機更換爐輥。延長爐輥使用壽命和保證帶鋼表面質量的措施主要有提高爐輥的高溫耐蝕性、耐磨性和抗結瘤、抗氧化等性能,以及改善爐內氣氛等[2]。

影響爐輥結瘤的因素主要有帶鋼的清洗質量、退火爐氣氛、涂層、帶鋼化學成分等。國內外均對退火爐爐輥結瘤的原因進行了研究,也取得了一些成果。關建輝等[3]等采用掃描電子顯微鏡觀察了連續退火帶鋼表面的麻點和爐輥結瘤物的形貌,并對結瘤物進行了能譜分析。結果表明:粘鐵型輥面結瘤主要與清洗質量和爐內氣氛異常有關;復合氧化物型輥面結瘤與爐內清潔度和輥面涂層狀態有關。高俊[4]介紹了避免連續退火爐底輥黏附物造成帶鋼上表面產生硌坑的方法:通過自動控制使其中一個爐輥與其他爐輥產生速度差,從而使爐輥與帶鋼產生相對摩擦,通過帶鋼摩擦使輥面的黏附物脫落。

本文分析了連續退火爐爐輥結瘤的成分和形成原因,并通過模擬試驗進行了驗證,簡述了涂層爐輥的性能和應用。

1 白亮色缺陷的形成原因

連續退火帶鋼表面的白亮色缺陷以及爐輥表面結瘤的宏觀和微觀形貌如圖1所示。白亮色缺陷是爐輥表面異物硌傷帶鋼造成的下陷或凹坑,上寬下窄,長約200 μm,與軋制方向平行,呈彗星狀。采用能譜儀檢測白亮色缺陷的成分為1.7%Mn(質量分數,下同)和0.5%Si,與基板成分一致。

圖1 帶鋼表面白亮色缺陷的宏觀(a)和微觀(b)形貌及其能譜分析(c)Fig.1 Macrograph(a) and micrograph(b) of the white defects on the strip steel and their energy spectrum analysis(c)

帶鋼表面的白亮色缺陷是爐輥表面結瘤所致。爐輥表面結瘤的宏觀和微觀形貌如圖2所示,是直徑約2 mm的近似圓形的金屬片。

圖2 爐輥表面結瘤的宏觀(a)和微觀(b)形貌Fig.2 Macrograph(a) and micrograph(b) of the nodule on the roller

為了解爐輥結瘤成分,對結瘤不同部位進行了能譜分析,結果如圖3和表2所示。圖3和表2表明,結瘤含有Mn、Si、Al、Fe等元素,這些元素在高溫下對O的親和力按Ag、Cu、Ni、Co、P、Fe、W、Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Al、Mg、Ca的順序增大。幾種氧化物的吉布斯自由能如表1所示。

表1 幾種氧化物的吉布斯自由能[5]Table 1 Gibbs free energy of several oxides[5]

表2 結瘤不同部位的化學成分Table 2 Chemical compositions of different positions in the nodule

圖3 爐輥結瘤的微觀形貌(a)及其位置1(b)、2(c)、3(d)和4(e)的能譜分析Fig.3 Micrograph of the nodule on the roller(a) and energy spectrum analysis at positions 1(b), 2(c), 3(d) and 4(e) in the nodule

在生產過程中,帶鋼進入退火爐會發生氧化還原反應,由于不同元素的吉布斯自由能不同,會發生選擇性氧化,即Mn首先氧化形成MnO2。高溫下Mn氧化物與涂層中的Al2O3生成MnAl2O4或Mn1.5Cr1.5O4。其原因是Mn氧化形成的是高價氧化物,不穩定[6-8]。Mn氧化物會與涂層發生反應,但Fe氧化物不易與涂層發生反應,因此涂層對于Fe的結瘤有較大的阻礙作用。Fe氧化物會在機械壓力的作用下富集在爐輥表面,但由于沒有發生化學反應,很易清除。

2 爐輥結瘤過程的模擬

2.1 試驗方法

為了驗證不同元素在爐輥結瘤過程中的反應,模擬了爐輥的結瘤過程,如圖4所示。根據退火爐的溫度和爐氣氛,將爐溫設定為800 ℃,并通入97%(體積分數,下同)的N2和3%的H2。316不銹鋼基板表面的涂層與爐輥表面相同,在涂層和鋼板表面分別撒上鐵或錳的氧化物粉末,將鋼板與316不銹鋼基板壓緊,電機驅動鋼板滑動,模擬生產中帶鋼與爐輥之間的滑動摩擦。

2.2 試驗結果

模擬試驗1 h后,爐輥涂層表面出現了明顯的結瘤。對結瘤縱截面進行了能譜分析,結果如圖5所示。從圖5可見,Mn元素在涂層中的擴散帶較寬,而Fe元素的較窄。結瘤中心Fe元素更多,Mn元素處于底部,其形成示意圖如圖6所示。

圖5 涂層結瘤的微觀形貌(a)及其截面的面掃描分析(b～g)Fig.5 Micrograph of the nodule on the coating (a) and mapping scanning analysis of its section(b to g)

圖6 結瘤形成的示意圖Fig.6 Schematic diagram of the formation of the nodule

涂層中的其他元素不能擴散出Mn的富集區,即如果Mn氧化物富集厚度超出涂層元素的擴散范圍,涂層抑制結瘤的作用將消失。

3 爐輥涂層的優缺點

為防止爐輥結瘤,可在其表面噴涂特殊涂層。涂層的熱膨脹系數應與爐輥材料匹配,且耐高溫磨損、耐高溫氧化、抗熱震、抗結瘤。國外爐輥噴涂廠有美國普萊克斯、俄羅斯君山及日本新日鐵等。

某鋼廠1800冷軋機組的連退線加熱段、鍍鋅線加熱段分別采用普萊克斯公司的LCO-17、DPC74涂層,使用中發現,軟鋼的LCO-17涂層(Al2O3+CoCrAlYTa)易形成爆炸斑。

新日鐵HG311C涂層(CoCrAlY-CrB2陶瓷粉末)廣泛用于汽車板生產線,尤其是熱鍍鋅機組的退火爐加熱段。其高溫下抗Mn結瘤性能較好,但在退火爐冷卻段抗結瘤效果不佳。某鋼廠連退汽車板生產線和熱鍍鋅退火爐的穩定輥、爐喉輥采用了新日鐵的TS-1037涂層(CoCrAl-Al2O3-Cr2O3),使用中施加該涂層的爐輥表面粗糙度為4～6 μm時,低溫下易附著異物;粗糙度降低至2～3 μm時,低溫抗結瘤性能較好。為此,新日鐵公司又開發了一種以硼化物為主的TS-1022噴涂材料(CoCrAlY- CrB2陶瓷粉末),硼化物不易與Fe、Mn反應,抗結瘤性能良好,能在高、低溫使用,粉末粒度較小,其最大粗糙度不超過4 μm。

4 結論

(1)在冷軋連續退火機組的生產過程中,帶鋼進入退火爐內會發生選擇性氧化還原反應,帶鋼表面會生成金屬氧化物;高溫下Mn氧化物會與涂層中的Al2O3生成MnAl2O4或Mn1.5Cr1.5O4,這是爐輥結瘤的底層。

(2)涂層中的其他元素不能擴散出Mn的富集區,當Mn的富集厚度超出涂層元素的擴散范圍時,涂層抑制Fe氧化物結瘤的作用消失;Mn氧化物富集層外側是Fe氧化物,結瘤中心Fe元素較多。

(3)爐輥表面噴涂某些涂層可防止爐輥結瘤。