工業退火工序對冷軋表面缺陷形成的影響分析及控制優化

杜天宇，張才華，劉世偉

（河北鋼鐵集團邯鋼公司，河北 邯鄲 056015）

近年來，連續退火機組憑借著機組具有成材率高、機時產量高、生產成本低等優點，被廣泛應用于汽車行業所需的車身材料生產中，因此對冷軋板產品表面質量越來越重視[1-6]。冷軋板在連續退火爐生產過程中，會經過高溫退火、快速冷卻、水淬降溫等工藝流程。然而，冷軋板常常會因工藝設置不當或退火爐的各個設備的設計缺陷及設備老化等造成不同的缺陷，這些缺陷不僅帶來大量的降級品，還造成多起質量異議，嚴重影響產品的正常供應和客戶使用滿意度，給公司帶來重大損失。因此，本文探討分析退火爐設備對帶鋼表面缺陷形成影響，并采取一定的改善控制及優化措施，從而保證帶鋼表面質量穩定，實現冷軋產品的轉型升級、提質創效。

1 表面缺陷的形成原因分析及控制優化

1.1 爐內劃傷

1.1.1 形成原因及分析

冷軋板表面劃傷缺陷是由于硬物與運動的鋼帶表面磕蹭而造成的一條或多條連續或斷續的直線溝槽，方向沿軋制方向，其長度不等，有明顯手感，生產實踐表明，冷軋表面劃傷缺陷主要來自冷卻段的風箱。

冷軋板在退火爐內經過高溫退火后，需要進行快速冷卻工藝。連續退火爐通常采用的冷卻方式為對流冷卻，即由循環風機將氮氫混合氣從爐內抽取，通過管式換熱器冷卻后，形成低溫氮氫氣，經由冷卻風箱，再通過風箱噴嘴噴吹到帶鋼表面。根據對流換熱原理可知，帶鋼的冷卻速度與氣體的噴吹壓力正相關。冷速越高，保護氣體對帶鋼噴吹壓力越大，此時帶鋼抖動幅度越大。為滿足生產需求，連續退火爐快速冷卻段的風箱設計為可移動風箱。在高速生產狀態下，為獲得最大的冷卻速率，快冷段移動風箱需要盡可能接近帶鋼表面，易造成風箱噴嘴與帶鋼距離過近。而帶鋼在高壓冷卻氣噴吹和帶鋼快速冷卻收縮的情況下，處于快速冷卻段的帶鋼會出現大幅度抖動。一旦冷軋板抖動幅度過大超過警戒值，就會觸碰到風箱噴嘴，抖動的帶鋼與兩側的風箱噴嘴出現碰撞和剮蹭，從而導致帶鋼表面劃傷，如圖1 所示。

圖1 爐內劃傷缺陷

1.1.2 控制及優化措施

根據爐內劃傷產生的原理，通過以下措施進行控制優化：

1）增加一種防止風箱噴嘴劃傷帶鋼的預警及保護裝置，該裝置包括防撞桿、支撐板、固定桿、連接棒、耐火電纜、報警與控制裝置，多個防撞桿平行和橫向交替布置在風箱噴嘴間隙處，防撞桿位于風箱噴嘴前方，每個防撞桿的兩端分別與兩個支撐板的上端垂直焊接連接，兩個支撐板的下端分別與固定桿相連接，固定桿焊接在風箱筋板上，連接棒的一端通過耐火電纜與防撞桿連接，連接棒的另一端通過導線與報警及控制裝置相連接。當帶鋼抖動劇烈時，帶鋼表面就會接觸防撞桿，通過連接棒觸發報警裝置，此時報警燈發光，報警喇叭發出聲響，提醒操作工檢查帶鋼劃傷情況。此外，當風箱之間的帶鋼發生斷帶事故時，斷裂的帶鋼會先與防撞桿接觸，避免了帶鋼對風箱噴嘴的損壞，起到保護風箱的作用。

2）優化快冷移動風箱與帶鋼間的控制距離，根據帶鋼規格以及產線速度對移動風箱進行不同的移動，通過調整風箱間距，并利用防止風箱噴嘴劃傷帶鋼的預警及保護裝置進行驗證，從而實現冷卻速率與表面質量達到兼容的狀態。具體參數如表1 所示。

表1 移動風箱間距與規格對應關系

3）要減少板帶抖動情況，需要增大風箱與板帶間的距離，而對于較厚規格的板帶，增大風箱與板帶的間距會導致冷卻速率減小，導致冷卻能力不足。為此，通過提高張力，可以提升板帶抗擊橫向的拉應力，以減少或阻礙板帶的抖動，優化后快冷段張力參數如表2 所示。

表2 優化后快冷段張力參數 kN

1.2 黃斑

1.2.1 形成原因及分析

冷軋板在生產過程中，當帶鋼以較高溫度進入水淬槽后，會在帶鋼的上下表面出現不規則的淺黃色狀缺陷，俗稱黃斑，如圖2 所示。對其表面進行電鏡分析，如圖3 所示，可以發現帶鋼表面氧含量偏高，說明帶鋼出現微氧化。對比爐區各段工藝參數，未發現爐內帶鋼存在氧化情況，爐內各段氣氛均屬正常狀態，未出現氧含量超標。而通過對比不同工藝參數下出現該類黃斑缺陷時生產情況發現，只發生了帶鋼規格變厚和水淬槽的水溫變化。

圖2 水淬后黃斑缺陷

圖3 黃斑表面SEM 分析

水淬槽是冷卻帶鋼的關鍵設備，其主要是利用脫鹽水對帶鋼進行冷卻，將帶鋼由150～200 ℃的高溫冷卻到室溫，防止出爐帶鋼與外界空氣反應發生氧化。在冷卻過程中，由于帶鋼溫度較高，入水后會產生大量的水蒸氣，大量的水蒸氣在槽體內積聚無法及時排出時，會與仍處于高溫的帶鋼接觸并發生一系列的化學反應，造成帶鋼表面的微氧化，從宏觀上呈現為帶鋼表面出現黃色斑跡，即黃斑缺陷。

1.2.2 控制及優化措施

由于冷軋板表面黃斑缺陷主要由帶鋼與水淬槽內的蒸汽在高溫環境下發生微氧化導致，所以為了將水淬槽產生的水蒸氣及時排出，避免其與高溫帶鋼反應產生黃斑缺陷，通過增加采樣管道、排放管道、露點分析儀、變頻排放風機、采樣電磁閥、采樣泵和電氣控制系統裝置進行控制。在正常生產時，打開取樣閥，通過電氣控制系統打開采樣電磁閥并啟動采樣泵，樣氣經過濾器過濾后，經流量計進入露點分析儀，由露點分析儀對樣氣中水蒸氣含量進行分析，將分析結果送給電氣控制系統，電氣控制系統根據測量的露點數據對變頻排放風機的轉速進行控制。在露點分析儀監測到水淬槽內的中水蒸氣（露點）含量增加時，變頻風機轉速增大，增大水淬槽內的蒸汽排放量，從而降低水淬槽內水蒸氣濃度，避免帶鋼氧化；露點分析儀監測到水淬槽內的中水蒸氣（露點）含量減少時，變頻風機轉速降低，在保證水蒸氣及時外排的同時，避免蒸汽排放風機抽走爐內保護氣體而導致保護氣體能源的浪費。通過該裝置很好地實現了水淬槽中水蒸氣的及時外排，避免因水蒸氣在槽體內聚集與帶鋼反應造成的黃斑缺陷。

1.3 麻點

1.3.1 形成原因及分析

冷軋板表面麻點缺陷是每一條連退線運行一段時間后必然會出現的缺陷問題，其表現為冷軋板上下表面布滿密密麻麻的小凹坑，呈不規則分布，凹坑直徑0.2～1 mm 不等，如圖4 所示。通過生產統計發現，該缺陷具有生產厚規格帶鋼、軟鋼時等麻點大、有手感，而生產薄規格帶鋼、高強鋼時表面麻點少的特點，根據其特性分析發現，該缺陷由爐輥結瘤所致，如圖5 所示，而爐輥結瘤主要是由于帶鋼在惡化的爐況下，以及高溫狀態下發生復雜化學反應形成的細小氧化鐵黏附到爐輥表面產生，或者是錳元素在退火工藝中析出而吸附到爐輥表面導致。

圖4 麻點缺陷

圖5 爐輥結瘤

1.3.2 控制及優化措施

為消除或減輕爐輥結瘤，常采用的方法有：

1）建立爐輥生命周期臺賬。對每一根爐輥的參數進行記錄，包括表面粗糙度、爐輥表面結瘤位置和嚴重程度。

2）優化爐輥涂層。針對爐輥結瘤出現的結瘤種類，將爐輥表面涂層由原來的LCO56 涂層（涂層特點是耐高溫、壽命長但抗錳鐵結瘤差）調整為DPC74（涂層特點是耐高溫、壽命長且抗錳鐵結瘤效果好），提高了爐輥自身的抗爐輥結瘤能力，從而可以有效減少和減緩爐輥的結瘤情況。

3）建立爐輥扭矩在線跟蹤系統，及時發現異常點，定期對爐輥轉速進行優化和維護。消除爐輥因速度偏差引起的結瘤缺陷，以及有效減少因帶鋼在爐輥表面打滑造成的鐵粉堆積而生成的爐輥結瘤缺陷。

4）優化生產工藝，主要是批量生產高強鋼，調整低合金和雙相鋼生產順序，將每批次計劃質量控制在800～1 200 t。計劃編排高猛鋼后，安排打磨程序對爐輥進行在線打磨。

1.4 網紋

1.4.1 形成原因及分析

冷軋板水淬網紋缺陷呈現為黃褐色，其形態與黃斑缺陷截然不同，通常不規則分布在帶鋼上下表面，形狀為條形，如圖6 所示。由于前道酸軋軋制工藝中會產生軋制鐵粉，在連退線經清洗工序后仍有少量鐵粉吸附在帶鋼表面進入退火爐內。當帶鋼表面的鐵粉經過整個退火工藝后，吸附力有所下降，在帶鋼進入水淬槽后，會脫落進入水淬槽內的水中。由于水淬槽與外界大氣相通，水淬槽內脫鹽水的溫度通常控制在35～60 ℃之間，槽內水中所含的鐵粉長期處于空氣、高溫、水的環境下，會發生氧化反應生成氧化鐵，在生產線長時間運行過程中，少量的鐵粉源源不斷地積聚在水淬槽內形成氧化鐵，其中一部分呈懸浮狀混合在水中，另外一部分析出積聚在水淬輥，如圖7 所示。

圖6 水淬網紋缺陷

圖7 水淬輥表面網紋

1.4.2 控制及優化措施

為改善水淬槽水質，消除冷軋板表面水淬網紋缺陷，采取自動更換、補充水槽水，改善水質的方式進行控制優化，具體操作是在生產線運行過程中，增加電導率實時監控界面，通過電導率計實時監測水淬槽內水的電導率，當電導率超過設定的上限值時，打開補水電動截止閥和排水電動截止閥，開始水淬槽換水過程，當水淬槽內水的電導率降低到設定的下限值時，關閉補水電動截止閥和排水電動截止閥，換水過程結束。

2 控制效果

通過分析連退生產中爐區工藝段幾種缺陷，并針對性地進行控制及優化，降低了冷軋板劃傷缺陷，解決了冷軋板黃斑缺陷，控制了冷軋板表面麻點缺陷，消除了冷軋板水淬網紋缺陷，在車間高效生產背景下，退火爐帶出品總量由8 281 t 降低到1 189 t，明顯改善了冷軋板表面質量，直接或間接創效350 萬元/年，取得了良好的效果，擴大了生產窗口期，鞏固并開拓了市場份額，實現了主機廠批量汽車板的穩定供貨。