不銹鋼冷軋連續退火爐冷卻段支撐輥壓入痕缺陷治理

張君平,張 榮,黃種生,楊光平,徐 超,陳飛峰

(中國寶武鋼鐵集團有限公司德盛不銹鋼有限公司,福建 羅源 350600)

不銹鋼在冷軋連續退火酸洗線(CAPL)的表面質量是產品質量過程控制的關鍵,嚴格控制好帶鋼在退火及冷卻過程中表面質量極其重要,而帶鋼表面壓入缺陷在冷軋連續退火酸洗線生產過程中的特定條件下較常見,這對表面產品加工用戶的影響特別大。國內各類鋼鐵生產廠都有對退火爐加熱段爐內支撐輥結瘤的相關研究[1-11],對此也作了大量的創新改進措施[12-16],并取得了一定的效果。而對退火爐冷卻段支撐輥產生的壓入以及輥面結瘤研究文獻較少。

在不銹鋼冷軋連續退火爐的加熱段和冷卻段的高溫區(帶鋼溫度>750 ℃),由于各種原因容易導致輥面氧化鐵屑顆粒嵌入或黏結在輥面,從而造成帶鋼表面出現支撐輥壓入痕(亦稱麻點或白點)等質量缺陷,最后導致降速或停機換輥處理,最終對機組產能和產品質量均帶來嚴重的影響。冷軋廠的不銹鋼直接冷軋連續退火酸洗線(簡稱DRAPL)在2019年6～8月偶有發生退火爐冷卻段支撐輥壓入缺陷,經過綜合分析,并采取相對應的措施進行綜合治理,最終消除了該缺陷,2020年6～8月未再發生此缺陷。

1 DRAPL退火爐及產品特性簡介

該生產線的連續退火爐由比利時的DREVER公司設計制造,主體設備由預熱、加熱、均熱構成的加熱段及由風冷1#、2#、3#和水冷構成的冷卻段總成。如圖1所示,加熱段采用圓盤輥和陶瓷纖維支撐輥支撐帶鋼運行,共有5只圓盤輥、10支陶瓷纖維支撐輥和1支不銹鋼支撐輥;而冷卻段采用銅合金涂層輥和其他合金輥,共有6支支撐輥,其中1#和2#為銅合金涂層輥,其他為不銹鋼輥;所有退火爐的支撐輥冷卻采用1套閉循環間接冷卻水系統進行換熱冷卻,而該冷卻循環水系統是由板式換熱器通過凈循環水進行間接冷卻。

圖1 DRAPL退火爐間接冷卻支撐輥圖

該生產線的產品主要規格厚度為0.3～3.0 mm,寬度為900～1 250 mm;原設計TVmax為100 mm·m/min,實際最高TV值可達130 mm·m/min;主要生產300系、400系、200系不銹鋼。

2 冷卻段支撐輥壓入缺陷的形成

DRAPL在2019年6～8月期間生產厚度大于1.5 mm、退火材溫高于1 000 ℃、TV值大于110 mm·m/min的帶鋼時,在帶鋼與支撐輥接觸面的邊部便出現了較為嚴重的壓入痕缺陷,經酸洗平整后,肉眼所見為較明顯的壓入(白點),如圖2所示;生產線停機后查找該缺陷,發現退火爐冷卻段的風冷1#室出口1#支撐輥的表面有對應狀態的結瘤,如圖3所示。

圖2 帶鋼表面的支撐輥壓入痕

圖3 風冷1#支撐輥輥面結瘤

3 冷卻段支撐輥壓入缺陷產生原因分析

不銹鋼帶進入冷卻段后的換熱過程是一個復雜的熱傳遞過程,對于空冷段的傳熱分析,可認為是射流沖擊傳熱。從加熱段進入風冷1#室的帶鋼熱量將直接通過輻射和接觸傳導給1#支撐輥,而支撐輥的熱量只能通過冷風和輥內的冷卻循環水進行熱傳遞。而當冷風機和排煙風機均達到最大負荷時,支撐輥的熱量只能通過閉循環冷卻水系統與凈循環水進行最終換熱,而閉循環冷卻水系統的冷卻換熱能力受到原設計最大值限制。冷卻段1#支撐輥材質為銅合金涂層輥,其涂層軟化溫度低。當帶鋼溫度過高或高速生產帶到冷卻段的熱量過多、在輥面冷卻不良時,導致涂層軟化,當帶鋼與涂層銅合金支撐輥局部呈面接觸而非線接觸時,涂層破損,最終導致萌生結瘤。由此對相關誘因進行了分析和查找。

3.1 產品及生產條件的影響

通過查閱生產質量缺陷數據發現,該質量缺陷集中在厚度1.5～3.0 mm、TV值大于110 mm·m/min的各個鋼種,并有相同規律:厚度越厚、TV值越大、相對工藝速度較快,該缺陷發生率越高;退火材溫越高(>1 000 ℃),該缺陷發生率越高。然后進行降速(降低TV值)生產試驗,當TV值降低至100 mm·m/min后發現該缺陷有明顯的減少,降至90 mm·m/min時基本消除,對應的針壓也有十分明顯的改善,這主要是受到退火爐熱能[17-18]和爐輥冷卻能力的影響[19],但降速生產直接影響產量和生產成本,以及生產效率。

通過測量不同帶鋼溫度與對應冷卻段1#、2#支撐輥冷卻水溫度(見表1),可以確定帶鋼溫度直接影響到支撐輥內冷卻循環水溫度及閉循環冷卻水系統冷卻水溫度的變化。

表1 冷卻段支撐輥輥芯冷卻水溫度和帶鋼溫度

3.2 環境氣溫的影響

查看相關統計數據(表2)發現,該質量缺陷出現在5～10月之間,其中6～9月較突出,而且集中在白天,晚上基本沒有發生;查閱當地氣象統計數據發現,5～10月白天氣溫明顯較高,而且廠房內室溫會比氣溫高3～8 ℃,由此帶來對傳熱、導熱,輻射以及凈循環水溫變化的較大影響,因此,最終導致爐輥冷卻水隨氣溫而變化(表3),最終導致退火爐支撐輥輥面溫度產生對應的變化。這也是產生退火爐支撐輥壓入缺陷以及針壓的一個重要因素,為此降低生產速度會有效,其實相當于在單位時間內減少退火爐支撐輥的熱負荷量。

表2 發生壓入缺陷歷史情況統計

表3 2019年爐輥閉循環系統冷卻水溫(最高值)統計

3.3 設備狀態影響

3.3.1 支撐輥內部冷卻水循環結構影響

冷卻段支撐輥主要采用了兩種冷卻水進水結構的輥型,主要區別為進水管長短及輥芯結構,具體結構見圖4、5。該兩種支撐輥,其中短進水管的冷卻效果會明顯優于長進水管的輥子,因為結構1較結構2減少了1次間接換熱。但結構1的進水管接頭處在安裝不到位或磨損嚴重的情況下,會導致部分冷卻水未經輥身直接回流,從而造成輥身冷卻不良;而結構2的冷卻水流速會受到通道和輥身的影響,并增加了1次進水管的間接換熱,從而影響輥身的冷卻效果。

圖4 冷卻段支撐輥結構1

3.3.2 閉循環冷卻循環系統中換熱器影響

換熱器采用板式換熱器,主要介質為支撐輥冷卻水和凈循環冷卻水。其中,支撐輥冷卻水為脫鹽水,非常干凈,只有極少的管道和輥內脫落的小于1 mm的金屬顆粒物;凈循環水源為工業水,而且多處使用,處理流程中會帶有很多雜質,在管道過濾器中會有如圖6所示較多較大的雜質。在經過板式換熱器時在一定的溫度條件下,換熱過程中產生結垢和黏糊物并逐漸累積。如圖7所示,發現板式換熱器通道有明顯的堵塞,而板式換熱器的支撐輥冷卻水通道側無任何結垢和黏糊物,如圖8所示。

圖5 冷卻段支撐輥結構2

圖6 凈循環水管道過濾器雜質

圖7 板式換熱器凈循環水通道側結垢和黏糊物

圖8 板式換熱器支撐輥冷卻水通道側

3.3.3 閉循環冷卻水流量分配影響

原設計圖紙(圖1)設計冷卻水流量分配為:加熱段各圓盤輥(共5只)供冷卻水為10 m3/h,每只圓盤輥配置2支支撐輥,各支供冷卻水5 m3/h;退火爐入口1支支撐輥+冷卻段(風冷1#～3#室)5支支撐輥各供冷卻水5 m3/h;其他設備冷卻供水為高溫計3.2 m3/h,各圓盤輥密封2 m3/h,退火爐入、出口密封水冷梁各5 m3/h,退火爐出口提升梁3 m3/h。實際流量分配會受到與泵的距離近遠、壓力、阻力、溫度等產生變化。根據退火爐各段各區的帶鋼溫度和爐內溫度不同,退火爐入口和冷卻段末端溫度較低,均小于300 ℃,因此,可以適當減少對退火爐工作環境溫度小于300 ℃的區域的支撐輥以及其他設備所用冷卻水流量,而增大其他工作環境溫度較高區域的支撐輥冷卻水流量。

3.3.4 閉循環冷卻水供水壓力影響

原設計退火爐閉循環冷卻水供水工作壓力為0.35～0.5 MPa,一般正常工作水壓為0.38～0.45 MPa,因此,可將其供水工作壓力穩定到0.40～0.48 MPa,從而保證冷卻水穩定且高流速運動,也有利于提高冷卻效率,但會受換熱器的換熱能力的影響。

3.4 工藝條件的影響

在相同TV值條件生產過程中,發現退火材溫較高(帶鋼溫度>1 000 ℃)時更容易產生退火爐支撐輥壓入缺陷,冷卻段風冷1#室出口支撐輥結瘤時,現場測量該位置帶鋼材溫度≥750 ℃。

4 冷卻段支撐輥壓入缺陷綜合治理

4.1 生產計劃管控

結合天氣變化,在每年的5～10月之間,特別是6～9月期間,將規格厚度大于1.5 mm和退火材溫大于1 000 ℃的產品按排在22∶00～8∶00時間段生產,生產實踐證明,既不會產生壓入缺陷,保證產量和成本,同時還可以減少針壓發生率,并降低陶瓷纖維輥的磨損量。

4.2 生產應急措施

當生產過程中出現壓入缺陷時,首先降低生產節奏及生產速度,直到該缺陷消失,然后逐步向厚度較薄(<1.5 mm)的規格切換后再緩慢升速,減少產能、速度、成本等方面的損失。

4.3 設備優化改進

4.3.1 科學選用較優的輥身冷卻水結構的支撐輥

優先選用支撐輥輥身冷卻水結構為結構1(圖4)的輥型為風冷1#、2#輥,同時確認進水管管頭磨損情況,并安裝到位,如果旋轉接頭發生偏轉,須及時更換新接頭,確保冷卻水全部進入輥芯內并從另一側返流。

4.3.2 優化風冷1#支撐輥冷卻水旋轉接頭進水管管徑

將原變徑(DN32變DN25,如圖9所示)接頭改為同徑(DN32)接頭(見圖10)。

圖9 進水管原變徑接頭

圖10 改進后的同徑進水管接頭

經改進后,原設計為5.0 m3/h的進水流量監測計由59%增漲至74%,有較明顯的提高;風冷1#輥處可承受帶鋼材溫最高可達810 ℃而無壓入缺陷產生。

4.3.3 退火爐所有支撐輥冷卻水水量分配優化

將退火爐入口支撐輥、密封水冷梁和風冷4#、5#支撐輥的水量各減少5%～10%后,風冷1#支撐輥流量由74%增漲至85%,又有明顯的效果;在此狀態下,1#輥處可承受帶鋼材溫最高850 ℃,無壓入缺陷產生。

4.3.4 退火爐閉循環冷卻水系統水壓控制優化

通過程序進行冷卻水壓力穩定控制,將壓力設定限值范圍調整到0.42～0.48 MPa,當壓力低于該限值范圍時,將自動補加脫鹽水進行增壓至該壓力范圍內。

4.3.5 閉循環冷卻水系統設備維護周期優化

對換熱器以及過濾器的維護周期進行優化,見表4。

表4 設備維護周期

5 治理效果

經過以上綜合治理后,2019年8月以后至今未發生過退火爐冷卻段支撐輥壓入缺陷。

6 結論

(1)退火爐冷卻段支撐輥壓入缺陷直接原因為風冷1#支撐輥輥面與高溫帶鋼接觸在冷卻不良情況下,輥面溫度過高,達到或超過結瘤的臨界溫度,最終導致輥面結瘤,對運行帶鋼接觸的表面產生壓入質量缺陷。而導致1#支撐輥冷卻不良的根本原因有:環境溫度過高、產能(TV值)提高、退火材溫高、冷卻水系統設計及配置、支撐輥結構、凈循環水質量及溫度變化以及設備維護管理等。

(2)退火爐閉循環冷卻水系統設計的冷卻能力不能滿足全年全天候的滿負荷和超極限(TV值≥110 mm·m/min)生產,因此支撐輥冷卻水系統與產能設計具有舉足輕重的作用,其冷卻能力及冷卻效率直接影響到生產線的產品品質、生產能力、生產效率和生產成本。

(3)通過現場實際優化退火爐閉循環冷卻水系統中相關設備,提高個別支撐輥冷卻效率可以達到經濟有效地消除或減輕支撐輥壓入缺陷的產生,但會受限于原冷卻水系統設計的冷卻能力、氣溫變化、產品及工藝。

(4)所屬地區的氣溫條件是影響退火爐設備冷卻的重要因素。

(5)掌握并結合現場生產實際中的特性,比如環境特性、設備特性、產品特性和生產工藝特性等,然后實施科學合理經濟有效的生產計劃和應急方案,可以避免或減少壓入缺陷的發生。

(6)調整退火爐爐輥閉循環冷卻水系統中換熱器換熱能力和改變間接冷卻換熱水源(凈循環水)水溫、流量和流速,可以實現對閉循環冷卻水系統的冷卻能力調整。