連續退火機組緩冷爐帶鋼瓢曲原因分析

何建鋒,王 魯,李慶勝

(寶鋼新日鐵汽車板有限公司,上海 201900)

連續退火機組將帶鋼的預熱(PHF)、加熱(HF)、均熱(SF)、緩慢冷卻(SCF)、快速冷卻(1C)、過時效(OA)、終冷(2C)、淬水(WQ)等工藝集于一體,具有生產效率高、產品品種多樣化、表面質量優良、生產成本低等諸多優勢,成為冷軋生產的主力機組。

隨著連退機組生產的冷軋汽車板規格越來越薄(一般板厚在1.0 mm以下),且退火溫度越來越高(如超深沖軟鋼均熱溫度830 ℃以上),為保證帶鋼在退火爐內穩定運行,爐輥一般設計成正凸度。但冷軋薄板在退火爐內高溫高速下運行,受鋼卷規格切換、生產速度變化、機組張力波動、退火爐溫度變化等諸多因素影響,板帶如果溫度分布不均勻或與爐輥摩擦力不均勻時,會導致板帶橫向受力發生變化,容易發生瓢曲缺陷,嚴重影響生產和質量。

1 研究內容及試驗方法

1.1 帶鋼瓢曲缺陷觀察及規律

一段時期以來,寶鋼某單元連續退火機組接連發生薄板輕微熱瓢曲。通過調查,熱瓢曲多呈現“微八字形”左右兩條,中間間距約為300～400 mm,如圖1所示,且有約2 500 mm的周期。結合生產線輥子的周長,推測是直徑800 mm的退火爐輥子產生。

1.2 帶鋼瓢曲缺陷研究方法

為確定帶鋼瓢曲缺陷是否由于帶鋼表面加熱溫度不均勻產生橫向受力變化引起,設計系列現場試驗,如表1,進行再現試驗調查。

以上調查沒有發現帶鋼瓢曲的直接原因,通過降低退火溫度、降低張力等試驗,瓢曲仍然出現,改善效果不明顯,而且還有惡化的趨勢,開始時是厚度小于0.65 mm的薄料易出現,后來板厚0.8 mm的窄料也出現瓢曲印。

為確定缺陷是再結晶退火前還是退火后發生的,取瓢曲缺陷的板帶截面試樣,采用光學金相顯微鏡分析,如圖2所示。

表1 帶鋼瓢曲的調查試驗

比較缺陷位置與正常位置晶粒大小,未發現兩個位置基體晶粒之間的差異,從而排除再結晶退火前發生熱瓢曲的可能性。由此可以推測帶鋼瓢曲缺陷是在再結晶退火后的冷卻段發生。

為了進一步確認帶鋼瓢曲缺陷與冷卻段的相關性,跟蹤了3卷發生熱瓢曲的鋼卷,在退火溫度和速度穩定的情況下,分析它們在退火爐各區域的張力情況。發現如果緩冷段和快速冷卻段張力較大,容易發生瓢曲;減小張力,瓢曲改善,如表2。從而進一步將瓢曲發生區域縮小到冷卻段。

在生產薄帶鋼時通過緩冷段入口的工業攝像機仔細辨別帶鋼表面,最后確認帶鋼瓢曲缺陷發生在緩冷爐(SCF)的頂輥上。連續退火機組冷卻段爐輥布置簡圖如圖3所示,實際帶鋼發生輕微熱瓢曲如圖4所示。

帶鋼瓢曲發生位置鎖定后,通過定修更換SCF02爐輥后,瓢曲缺陷消除。

2 帶鋼瓢曲的調查結果

通過對連續退火機組的薄帶鋼瓢曲的研究,確認瓢曲缺陷是由輥徑800 mm的退火爐爐輥引起的周期缺陷;對影響退火爐帶鋼瓢曲因素的調查,特別是生產速度、加熱爐溫度、帶鋼張力、風機負荷變化等相關參數的調查和板帶截面試樣金相分析,比較缺陷位置與正常位置晶粒大小,推測帶鋼瓢曲缺陷是在再結晶退火后的冷卻段發生。進而對帶鋼瓢曲缺陷與冷卻段的相關性設計針對性生產試驗,進一步將瓢曲發生區域縮小到冷卻段。最終在工業攝像機輔助下仔細辨別帶鋼表面,最后確認帶鋼瓢曲缺陷發生在緩冷爐(SCF)的頂輥上。通過定修更換SCF02爐輥后,瓢曲缺陷消除。

3 帶鋼瓢曲缺陷原因分析

3.1 緩冷爐頂輥輥型調查

通過測量更換下來的SCF02爐輥輥型,發現輥面變形嚴重,尤其輥面中線及偏兩側400～ 500 mm位置,變形最大。最大跳動0.2 mm,中線最大跳動0.8 mm,如圖5所示。

對SCF02爐輥輥型進行檢查,分兩條母線(0°和90°)測量輥型,見圖6。輥面變形嚴重,尤其輥面中線及偏兩側400～500 mm位置變形最大。

另外,對SCF02緩冷爐爐輥材質進行分析,在舊爐輥的端部和中部分別取樣,在光鏡和電鏡下檢驗微觀組織,分析爐輥變形的原因,詳見圖7。

金相微觀組織顯示在晶界碳化物處有孔洞出現,部分區域的孔洞有連接成鏈的趨勢。從孔洞出現的情況判斷,大體認為其達到壽命后期。

對爐輥中部晶粒進行元素定量分析,結果如圖8所示。

從析出物成分分析可判斷,爐輥晶粒為Cr 的碳化物;從晶界和晶粒中間C含量對比可知,晶界C含量明顯大大高于晶粒,滲碳體析出嚴重,發生了明顯蠕變。

3.2 分析與討論

高溫環境下運行的爐輥主要受到軋制鋼板的交變工作應力、熱應力及自身重力的作用。研究表明,爐輥運行數年后,其輥面通常會發生變形,其組織也會發生顯著變化,如組織退化、沿晶界碳化物聚集和蠕變孔洞的萌生與擴大等。爐輥材料在長期服役中發生的蠕變過程,在微觀上存在著晶界的滑動,隨著晶界滑動的積累,孔洞得以萌生和發展;同時,沿晶界碳化物的析出和偏聚會導致材料晶界發生脆化,晶界連接強度降低,導致材料中萌生的孔洞大多沿晶界、碳化物以及三角晶界結點分布[1]。圖9為耐熱不銹鋼的失效規律,如果材料微觀孔洞聚集達到一定程度,如圖9的C階段及以上的D階段,極易導致材料變形失效。

該爐輥自2005年2月開工以來一直不斷循環修復使用,連續使用時間超過10年,該輥材質為SCH22(25Cr20Ni),經與制造廠家咨詢交流,廠家也認為這根SCF02爐輥金相已經到達了圖9中C階段,容易出現爐輥材料變形等劣化現象。

金相分析雖然準確,但是需要破壞檢查,為此采用金相覆膜法比對金相分析結果。金相覆膜可以在爐輥基體表面簡單的獲取,用于現場快捷檢測。圖10為采用金相覆膜法獲得的金相圖片,與電鏡下金相圖片顯示的結果一致。以后可以在修復爐輥噴涂前用覆膜法獲取金相圖片判斷其壽命。

4 結論

(1) 連續退火機組緩冷爐爐輥輥型不良會導致連退機組帶鋼發生瓢曲,要及時測量輥型。

(2) 對連續使用超過10年的退火爐爐輥要密切關注爐輥材質的變化。根據金相圖片結合耐熱鋼的材質特點判斷壽命,如果已經屬于壽命后期的,建議不再繼續噴涂使用。

(3) 對爐輥表面采用金相覆膜法進行取樣,分析爐輥的金相是可行的。