硅鋼退火機組碳套失效行為分析

王守金，肖輝明，司良英，劉利偉，田建輝

（首鋼智新遷安電磁材料有限公司，河北 遷安064404）

冷軋硅鋼在連續退火爐中需要進行脫碳、 再結晶退火，退火爐內用于帶鋼運輸的爐底輥形式主要有石墨碳套、高溫陶瓷輥、高溫鋼絲刷輥等。其中，石墨碳套與帶鋼之間的摩擦系數小，其優點在于既耐磨，又具有自潤滑性，對硅鋼產品表面質量影響較小，目前國內主要的硅鋼連續退火爐仍廣泛應用石墨碳套作為爐底輥形式[1]。

在硅鋼的實際生產過程中，受退火爐爐內氣氛、碳套安裝形式、爐輥裝配精度、帶鋼表面清洗質量等諸多因素影響，石墨碳套會出現表面結瘤、氧化、內徑擴大、外徑減小、端部脆斷等失效行為，一方面需要組織在線處理或者更換碳套，造成大量能源介質的浪費；另一方面會造成硅鋼帶鋼表面出現硌坑、折痕、異常邊浪等質量問題。碳套的質量及使用壽命，一直困擾著國內外硅鋼連續退火機組的生產，特別是生產取向硅鋼及高牌號無取向硅鋼的退火機組，碳套出現失效的概率大大增加。

本文以某硅鋼廠連續退火爐為基礎，通過對碳套發生失效的原因進行分析，制定改善方法，延長碳套的使用壽命，消除碳套失效帶來的產品質量缺陷。

1 碳套的生產工藝流程及技術指標

冷軋硅鋼連續退火機組用碳套由于需要滿足硅鋼成品表面質量控制需求，要求碳套具備良好的耐磨性能、自潤滑性、適宜的硬度以及良好的抗氧化腐蝕性能。目前國內外主流的碳套生產工藝流程主要為：石油焦制備、高溫煅燒、混捏、成型、一次瀝青浸漬、一次高溫焙燒、二次瀝青浸漬、二次高溫焙燒、高溫石墨化、機加工、抗氧化處理等[2]。碳套具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 碳套生產工藝流程圖

硅鋼用碳套，在毛坯制作過程中，需要完成至少三次瀝青浸漬、四次高溫焙燒過程，通過多次浸漬，確保碳套毛坯孔隙率較小，提高碳套的抗結瘤性能。

國內碳套常用的技術指標見表1。

表1 國內碳套技術指標

2 硅鋼連續退火爐爐內氣氛狀態

2.1 爐內氣氛

硅鋼連續退火爐分為取向硅鋼退火爐和無取向硅鋼退火爐，不同硅鋼退火爐爐內氣氛差異較大。通常爐內保護氣成分為H2-N2混合氣。取向硅鋼爐內H2含量較高，H2濃度為 50%～75%，N2濃度為 25%～50%。無取向硅鋼爐內H2含量較低，H2濃度為 0～25%，N2濃度為75%～100%。取向硅鋼退火爐爐內露點范圍40～75 ℃，無取向硅鋼爐內露點相對較低，一般控制在-20～40 ℃。無論是生產取向硅鋼用連續退火爐，還是生產無取向硅鋼用連續退火爐，整體退火爐爐內氣氛均呈現出氧化性氣氛，且含有一定量的氫氣。而低溫滲氮爐線的取向硅鋼生產過程中，需要在退火爐爐內通入氨氣，來完成取向硅鋼后天抑制劑的添加，因此，在取向硅鋼生產用連續退火爐爐內特定爐段內除含有H2、N2以外，還含有一定量的NH3。

2.2 爐溫

冷軋硅鋼在連續退火爐中需要進行脫碳、 再結晶退火，退火爐各爐段爐溫存在一定差異，高溫區域可達到1 050 ℃以上，低溫區域一般在600 ℃左右。取向硅鋼生產用連續退火爐最高爐溫相對較低，一般最高溫在950 ℃左右，而無取向生產用連續退火爐的最高爐溫相對較高，最高可達到1 050 ℃以上。

3 硅鋼退火機組碳套失效行為及原因分析

3.1 硅鋼退火機組常見碳套失效行為

目前硅鋼退火機組常見的碳套失效行為包括以下幾類：

（1）碳套表面結瘤；

（2）碳套表面氧化；

（3）碳套自由端內徑變大；

（4）碳套驅動側端部脆斷；

（5）碳套外徑減小。

一般硅鋼退火機組內均有100 多根碳套，在日常生產過程中，由于碳套失效導致的機組停機、產品表面質量問題一直是國內各大硅鋼生產企業所面臨的重大問題，圖2～圖6 為各類碳套失效形式照片。

圖2 碳套表面結瘤實物圖

圖3 碳套表面氧化實物圖

圖4 碳套自由端內徑變大實物圖

圖5 碳套驅動側端部脆斷實物圖

圖6 碳套外徑減小實物圖

3.2 各類型碳套失效原因分析及應對措施

3.2.1 碳套表面結瘤

從碳套結瘤物的結構來分析，導致碳套表面結瘤的主要原因為：①帶鋼進入退火爐前表面清洗不徹底，帶鋼表面留有殘余的軋制油以及鐵粉，該部分雜質帶入退火爐后，脫落至碳套表面，逐漸堆積長大，形成結瘤物；②由于退火爐爐內呈現氧化性氣氛，帶鋼表面產生鐵系氧化物，鐵系氧化物由帶鋼表面脫離，黏附在碳套表面，釘扎在碳套表面的微小氣孔內，同時由于爐內氣氛中含有一定量的氫氣，在高溫及氫氣的作用下，釘扎在碳套氣孔內的鐵系氧化物會不斷經過氧化還原反應，最終形成結瘤物[3]。

通過研究碳套表面結瘤的原因，提高碳套耐結瘤的主要工作應該集中在以下兩個方面：①通過提高帶鋼表面清洗能力，改善帶鋼表面清洗質量，避免由于帶鋼清洗不徹底導致的雜質類碳套表面結瘤問題；②由于退火爐爐內氣氛受到硅鋼熱處理工藝需求影響，無法做大幅度調整，因此，通過提高碳套的致密程度來降低碳套的顯氣孔率是提高碳套自身耐結瘤的一種常規手段。目前國內各碳套生產企業通常是通過提高碳套毛坯的浸漬、 焙燒次數來實現降低碳套顯氣孔率的目的。

3.2.2 碳套表面氧化

碳套表面氧化的主要特征是，碳套的硬度降低較為明顯，碳套表面機加工光亮度破損。結合退火爐爐內氣氛及爐溫情況分析，該類問題一般發生于退火爐高溫、高露點區域，碳套表面的氧化為水氧化特點，主要的氧化反應為：

C+H2O→CO+H2

C+H2O→CO2+H2

由于碳套表面氧化原因為高溫、 高露點狀態下的化學反應，主要體現了碳套的抗氧化能力，而提高碳套的抗氧化能力主要是通過改善碳套制作過程中的抗氧化試劑成分，優化碳套化學處理后的燒結溫度曲線來實現的。

3.2.3 碳套自由端內徑變大及驅動側端部脆斷

該類碳套失效行為的主要原因是由于碳套在裝配過程中，整體碳套輥的安裝精度較差，導致碳套在高速運行過程中，碳套兩端受力不均勻，使得碳套自由端內孔位置由于輥芯的磨損導致內徑變大，而碳套驅動側端部由于固定鍵處的應力集中，在受力不均的情況下長期運行，導致碳套驅動側端部脆斷。

對于此兩類碳套失效的改善方向，主要集中在提高整體退火爐爐輥的安裝精度以及日常退火機組的設備保全能力等兩個方面。

3.2.4 碳套外徑減小

關于碳套外徑減小問題，目前主要出現在取向硅鋼退火機組氨氣通入爐段內，該區域碳套由于氨氣作用，破壞了碳套的抗氧結構，導致碳套的耐磨性能降低，在帶鋼高速運行的作用下，造成碳套外徑減小。目前國內外主要的碳套生產廠家所生產的碳套均存在此類問題。

針對此類碳套失效形式，由于受到熱處理工藝制約，只能通過提高碳套自身耐磨性上面去取得改進。提高碳套耐磨性的方法主要集中在以下兩個方向：①提高碳套毛坯生產過程中原料的顆粒度；②通過對碳套抗氧化試劑中成分的調整，增加碳套的耐磨特性。目前，國內某碳套生產企業已成功研發出一種耐磨性能更強的新型碳套，并成功在國內某取向硅鋼退火機組氨氣通入爐段組織試用，耐磨效果顯著。

4 結論

本文通過對硅鋼退火機組碳套的廠家失效行為進行收集整理，分析碳套失效原因，并結合碳套失效原因，提出了具體的改進方向。

（1）常見的碳套失效形式有：碳套表面結瘤、碳套表面氧化、碳套自由端內徑擴大、驅動側端部脆斷及碳套外徑減小等。

（2）導致碳套失效的原因較多，核心主要集中在碳套自身特性、 碳套的裝配精度以及帶鋼的處理過程幾大方面。

（3）通過對碳套失效原因分析，制定出相對應的改善對策，提高了碳套的使用壽命，避免碳套失效后帶來的產品質量缺陷。