無取向硅鋼加熱均勻性研究

錢京學，毛一標

(江蘇沙鋼集團，江蘇 張家港 215625)

無取向硅鋼主要用于旋轉電機如馬達和發電機等制造領域，是電器、軍工等行業不可或缺的重要軟磁合金[1-2]。隨著中國制造業的快速發展，無取向硅鋼的需求量越來越大，同時各鋼廠間的競爭也越來越激烈。無取向硅鋼產品需經歷熱軋、冷軋、退火等過程，產品不僅要求低鐵損、高磁感、高厚度控制精度，還要求鐵損、磁鋼、厚度具有較高的穩定性。無取向硅鋼各項性能的穩定性已成為衡量鋼廠技術水平的重要指標。

通過黑匣子實驗及模擬加熱爐實驗，對某鋼廠無取向硅鋼出爐溫度、熱軋厚度及冷軋鐵損波動的成因進行了探索研究，并通過定期對爐內熱電偶進行校準、提高下爐氣加熱能力、延長在爐時間、降低司爐溫度等措施，有效提高了無取向硅鋼性能的穩定性。

1 無取向硅鋼生產存在的問題

1.1 出爐溫度不均勻

圖1顯示，出爐同板溫差較大，1#加熱爐出爐溫差為40 ℃，3#爐為60 ℃。不僅同板溫差大，異板溫差也較大，1#爐板坯整體出爐溫度比3#爐高近40 ℃。當加熱后的板坯存在較大的溫度波動時，會造成軋制時軋制力的大幅變化，增加軋機的控制難度，從而使得軋制產品的尺寸精度降低。

1.2 熱軋厚度波動較大

熱軋存在較大厚度波動，有的甚至超出±50 μm的范圍，制約冷軋厚度精度的進一步提升。圖2為1#加熱爐W600熱軋厚度波動情況，發現一般軋制計劃前期(a1-a3)，厚度波動較小，軋制計劃末期(b1-b3)厚度波動較大。

圖1 W1300在1#爐(a)及3#爐(b)的出爐溫度曲線Fig.1 The tapping temperature curve of W1300 on No.1(a)and No.3(b)heating furnace

圖2 W600軋制計劃前期(a)及后期(b)熱軋厚度波動曲線Fig.2 The thickness curve of W600 at earlier(a)and later(b)stage

1.3 冷軋鐵損存在較大波動

冷軋鐵損存在較大波動，且同一熱軋軋制計劃，軋制計劃前期的成品鐵損波動明顯大于后期。從圖3的W1300鐵損曲線發現：3#爐1-4塊鑄坯波動較大，從第5塊鑄坯開始波動減小；2#爐1-5塊鑄坯波動較大，從第6塊鑄坯開始波動減小。

圖3 3#爐(a)及2#(b)1-9塊爐鐵損曲線 圖4 3#爐第1、5、9塊連鑄坯除鱗效果對比 Fig.3 Iron Losses Curve of W1300 Fig.4 Comparison of descaling effect on No.3 heating furnace

跟蹤該軋制計劃鑄坯除鱗后表面氧化鐵皮情況后發現，2#及3#加熱爐軋制計劃前幾塊鑄坯除鱗后表面氧化鐵皮除不盡，此后氧化鐵皮逐漸減少。圖4為3#爐第1、5、9塊鑄坯除鱗后表面氧化鐵皮情況，從第5塊鑄坯開始氧化鐵皮除得較干凈。

2 原因分析

2.1 加熱爐黑匣子實驗

2.1.1 實驗概況

實驗鋼坯采用W600，鋼坯尺寸為10 500 mm(長)×1220 mm(寬)×220 mm(厚)。溫度測量采用鎧裝K型熱電偶，直徑6 mm，不銹鋼外保護套管，精度為1級。鑄坯兩頭各放置一個黑匣子，共21個測溫點。鑄坯上表面測溫點孔深20 mm，中心測點孔深110 mm，下表面測點孔深200 mm。上爐氣熱電偶直接布置在鋼坯的上表面，下爐氣熱電偶布置在鋼坯的下表面，各測溫點位置如圖5所示。為消除水印點，水梁在均熱段進行了拐彎設計，故水梁處的測溫分為預熱-二加水印點(前三段水梁)和均熱段水印點。

2.1.2 實驗結果分析

(1)實驗坯出爐溫度分析

實驗坯處于該加熱爐硅鋼軋制計劃中期，在爐時長160 min，出爐溫度如表1所示。結果顯示：a)斷面溫差：非軋機側斷面溫差16 ℃，中部斷面溫差12 ℃，軋制側斷面溫差32 ℃；b)長度方向溫差：上表面全長溫差26 ℃，中心全長溫差46 ℃，下表面全長溫差58 ℃。軋機側溫差較大的原因為其上表面溫度較大，長度方向溫差較大原因為水印點溫度過低。

圖5 測溫點分布情況Fig.5 Location of temperature measurement point

表1 出爐溫度情況Table1 Tapping temperature℃

(2)兩側爐氣過程溫度分析

圖6、圖7為兩側爐氣溫度曲線，根據曲線顯示，軋機側均熱段上爐氣平均溫度1162 ℃，下爐氣1110 ℃；非軋機側均熱段上爐氣平均溫度1139 ℃，下爐氣1093 ℃。軋機側上爐氣高于非軋機側23 ℃，兩側上爐氣溫度均高于下爐氣。工藝要求均熱段目標溫度為1140 ℃，下爐氣溫度明顯低于目標溫度。到均熱段時鑄坯溫度已高于1100 ℃，下爐氣加熱能力不足，已無法向鑄坯供熱。

軋機側均熱段上爐氣平均溫度是1162 ℃，高于工藝溫度，是導致板坯出爐頭尾溫差大的主要原因。調閱爐氣溫度曲線發現，軋機側上爐氣溫度高于工藝要求溫度，并非司爐人員違反工藝規定，而是爐內熱電偶不能真實反映爐氣溫度，爐內熱電偶有待校正。

圖6 軋機側爐氣溫度曲線圖Fig.6 Furnace gas temperature of rolling mill side

圖7 非軋機側爐氣溫度曲線Fig.7 Furnace gas temperature of non-rolling mill side

(3)水梁處溫度分析

圖8、圖9為中部區域水印點下表面與中部下表面的過程溫差情況，溫差顯示。

a)預熱-二加段板坯下表水印點與中部下表面溫差：在一加段最大溫差達到163 ℃后逐漸縮小，但出爐時溫差仍有43 ℃，可見雖然水梁在均熱段采用拐彎結構，但前三段與水梁接觸造成的溫差，在均熱段并未完全消除。

b)均熱段下表面水印點與中部下表面溫差：均熱段之前未與水梁接觸，溫差在-12～15 ℃之間，到均熱段與水梁接觸，溫差快速升高到23 ℃，之后一直比較穩定，說明水印點溫差不會一直升高，而是會達到一個平衡點，該平衡溫度就是23 ℃左右。

可以設想，如果延長在爐時間，預熱-二加段板坯下表水印點與中部下表面溫差會繼續縮小，而均熱段下表面水印點與中部下表面溫差又不會繼續擴大，這能夠有效縮小全長溫差。

圖8 前三段水梁溫差Fig.8 Temperature difference of water beam at the first three sections

圖9 均熱段水梁溫差Fig.9 Temperature difference of water beam at soak section

圖10為實驗坯前后卷熱軋厚度情況，由圖10顯示，厚度存在周期性波動，且與加熱爐水梁位置對應，實驗中也發現水梁處溫差較大，到均熱段也未消除。由此可見，熱軋厚度波動主要是由于水梁印造成的，同時下爐氣加熱能力不足，也不利于縮小水梁處溫差。至于為何軋制計劃前期厚度波動小，到后期波動大，查閱在爐時長發現，軋制計劃前期在爐時長一般比軋制計劃中后期長20～30 min，在爐時間短導致水梁處溫差不能有效消除，造成熱軋厚度波動加大。

2.2 模擬加熱爐實驗

針對熱軋加熱爐軋制計劃前期鐵損波動大于后期，且加熱爐前幾卷氧化鐵皮較后期難以去除的問題，分別取W600前期和后期回爐坯，在掃描電子顯微鏡下觀察氧化鐵皮形貌，圖11(a)為加熱爐前期鑄坯氧化鐵皮形貌，圖中氧化鐵皮非常致密，并且深深嵌入基體，和基體相互交錯。有研究認為深色氧化鐵皮為鐵橄欖石，鐵橄欖石層粘度極高，韌性非常好，要去除這種氧化鐵皮，需要30～40 MPa的除鱗壓力[3-4]。該氧化鐵皮一般在高于1177 ℃下生成[4]，而W600工藝溫度要求均熱段為1140 ℃，該溫度下不會生產這類氧化鐵皮。

圖11(b)為W600后期表面氧化鐵皮形貌，與前期相比，其與基體結合較疏松，氧化鐵皮中鐵橄欖石含量較少，該類氧化鐵皮較易去除。

從連鑄坯上切去實驗樣品，在電爐中進行模擬加熱爐實驗，分別進行溫度為1140 ℃和1220 ℃，時長為180 min的加熱實驗，分析表面氧化鐵皮形貌。圖12(a)中為1140℃加熱氧化鐵皮形貌，該氧化鐵皮與圖11(b)相似，較易除去，圖12(b)為1220 ℃加熱氧化鐵皮形貌，該形貌與圖11(a)相似。根據氧化鐵皮形貌對比發現，硅鋼軋制計劃前期司爐溫度遠遠高于后期溫度。

圖10 實驗坯前(a)后(b)卷熱軋厚度曲線Fig.10 The thickness curve before (a)and after(b) the experimental billet

圖11 前期(a)及后期(b)表面氧化鐵皮形貌Fig.11 Morphology of oxidation scale at prophase (a)and anaphase(b)

圖12 1140℃(a)及1220℃(b)氧化鐵皮形貌Fig.12 Morphology of oxidation scale at 1140℃(a) and 1220℃(b)

調取硅鋼軋制計劃發現，硅鋼軋制計劃前期在加熱爐內一般跟的是Q235和SPHC，兩者加熱溫度遠遠高于硅鋼加熱溫度，特別是Q235，溫度高至1260 ℃。操作工要等到Q235和SPHC出完后，才開始降溫，導致硅鋼軋制計劃前期燒鋼溫度過高，加熱溫度波動過大，而導致軋制計劃前期硅鋼鐵損波動大。

3 改進措施

黑匣子實驗及模擬加熱爐實驗發現，加熱爐兩側加熱能力不同、下爐氣加熱能力不足、水印點溫度過低、司爐溫度過高、波動過大是造成無取向硅鋼出爐溫度不均、熱軋厚度及冷軋鐵損波動較大等問題的主要原因。

通過定期對爐內熱電偶進行校準、提高下爐氣燒嘴開口度，能夠有效提高鑄坯兩側及上下部分加熱均勻性；將硅鋼在爐時長由160 min延長到180 min，能夠有效縮小水梁處溫差，消除水印點造成的熱軋厚度波動；與高溫鋼種混裝時，留出兩到三塊空位，加熱溫度采用就低不就高原則，確保硅鋼低溫加熱(全程低于1170 ℃)，能夠有效降低軋制計劃前期溫度過高、波動過大造成的鐵損波動問題。經過以上改進措施，無取向硅鋼的同板及異板溫差穩定在30 ℃以內，軋制計劃尾期的厚度波動及軋制計劃前期的鐵損波動有明顯好轉。

4 結論

1)硅鋼出爐溫度不均的主要原因是加熱爐兩側及上下爐氣加熱能力不均。通過定期對爐內熱電偶進行校準、提高下爐氣加熱能力，能夠有效提高鑄坯兩側及上下部分的加熱均勻性；

2)硅鋼軋制計劃后期厚度波動大于前期的主要原因為后期加熱時間較短，約150 min，低于前期20～30 min，加熱時間短造成水梁處溫差不能夠有效消除，導致熱軋厚度波動較大。延長加熱時間至180 min、提高加熱爐下爐氣溫度，能夠有效縮小水印點溫差，縮小熱軋厚度波動；

3)硅鋼軋制計劃前期鐵損波動大于后期的主要原因為前期跟的是高溫鋼種，加熱溫度過高、溫度波動大。與高溫鋼種混裝時，留出兩到三塊空位，加熱溫度采用就低不就高原則，確保硅鋼全程加熱溫度低于1170 ℃，能夠有效降低冷軋鐵損波動。