精密不銹鋼退火爐內氣氛分析和設備控制要點

王向宇

（山西太鋼不銹鋼精密帶鋼有限公司，太原 030003）

厚度為0.05 mm以下極薄不銹鋼帶的光亮熱處理對退火后表面光亮度、平整度、微觀組織結構均勻有著極高要求。爐內氣氛是精密不銹鋼退火最重要的工藝參數(shù)之一。爐內氣氛的控制對鋼帶的退火性能有著決定性影響。爐內氣氛參數(shù)包含氫氣露點、氧含量、含塵量及爐內壓力等[1]。這些參數(shù)的波動容易使鋼帶在退火后出現(xiàn)表面氧化、性能不均以及鋼帶變形等質量缺陷。良好的設備控制能夠保證各個氣氛參數(shù)處于最佳的退火狀態(tài)。

1 精密不銹鋼退火爐內氣氛的標準和設備要求

重點探討精密不銹鋼在光亮退火中的瓶頸問題，即因爐內氣氛參數(shù)配置不合理造成的表面氧化、性能不良等質量問題，以及精密不銹鋼較高的爐內氣氛標準對退火設備的要求和各個部位設備的控制要點。

鉻鎳合金精密不銹鋼帶材在氫氣工藝氣氛下進行再結晶或奧氏體化。CrNi鋼需要高達1 180 ℃的高溫退火和快速冷卻，以獲得完美的奧氏體晶粒而沒有晶界沉淀。在氫氣氣氛下進行光亮退火的優(yōu)點，主要是能保持帶鋼表面的光滑和光亮。因此，在后處理過程中很少甚至不需要刷洗或拋光。最重要的是，與氧化表面退火材料相比，使用該方法材料的耐腐蝕性能有所提高。在氫氣氣氛中進行熱處理比需進行酸洗的氧化退火更加經(jīng)濟，因為酸洗退火需要遵守嚴格的環(huán)境規(guī)定。

過高的退火溫度對爐內氣氛質量尤其是氫氣質量有著苛刻要求。依據(jù)爐體加熱段和冷卻段設備的功能和特點，爐內氣氛重點控制如下幾個部位[2]。第一，氫氣入口。氫氣來源的質量決定整個爐內氣氛的質量。第二，加熱段。此區(qū)域氫氣露點和氧含量的高低直接決定不銹鋼退火過程中是否被氧化。第三，緩冷段和冷卻段。此區(qū)域由氫氣循環(huán)風機直吹鋼帶表面，氣氛的質量對退火后性能產生直接影響。各區(qū)域布置如圖1所示。

圖1為立式光亮退火爐結構簡圖，帶鋼自底部退火爐入口處進入爐體，經(jīng)過加熱段高溫區(qū)域進行去應力退火，再經(jīng)過緩冷段、一級冷卻段及二級冷卻段進行冷卻，最后經(jīng)過冷卻出口后完成退火過程。爐內氣氛為純氫氣，在退火爐入口和冷卻出口處由氮氣進行保護。新鮮氫氣經(jīng)過管道輸送，由一級冷卻段和二級冷卻段進入爐內。退火爐的氣氛控制主要針對上述幾個部位。

圖1 退火爐各區(qū)域分布示意圖

以SUS304精密不銹鋼（厚度0.035 mm，寬度610 mm）為例，原料要求鋼帶平整、光滑、無破損、無折皺，含脂量小于245 mg·m-2（單面），脫脂完成后表面殘油量小于3.5 mg·m-2。退火完成后成品要求厚度為0.035 mm，寬度為610 mm，表面無折皺、無劃傷、無氧化和色差，硬度和性能均勻。

為滿足成品退火要求，爐內氣氛應達到如表1所示的參數(shù)標準。

表1 SUS304退火爐內氣氛各參數(shù)要求

2 設備控制要點

為達到各區(qū)域氣氛標準值，需對影響氣氛質量的關鍵設備進行重點控制。下面對各個氣氛指標和重點控制設備分別進行討論。

2.1 氫氣露點的控制

精密不銹鋼的光亮退火對爐內氫氣的露點有著極高要求。在高溫狀態(tài)下，不銹鋼表面產生一層氧化膜，爐內鋼帶處于純氫氣狀態(tài)保護下，不銹鋼表面的氧化物發(fā)生還原反應，此反應式為Me+H2O?MeO+H2。

反應式的反應方向取決于氧化物的分解壓和爐內氣氛的含水量（用露點表示）。金屬氧化物的分解壓隨溫度的升高而增大，這就要求爐內氫氣露點要保持在很低的狀態(tài)，才能保證反應式向左，以達到還原的目的。

設備控制要點分為新鮮氫氣、加熱段、緩冷段、一級冷卻段、二級冷卻段和冷卻出口6個部位。新鮮氫氣一般由水電解制氫獲得。制氫設備的純化裝置主要處理氫氣內所含的水分，此設備不在退火爐設備之列。加熱段的氫氣露點主要取決于爐體的密封性、氫氣來源的質量狀況和鋼帶表面殘油量。加熱段的結構一般為爐體內設馬弗。馬弗外為燃燒室，內部為氫氣，底部為油槽密封，同時由氮氣進行密封保護。因此，底部油槽的密封性能和氮氣的密封保護效果對爐內氫氣氣氛的露點影響較大。脫脂設備能夠去除帶鋼表面軋制油，而殘留的油在爐內經(jīng)過高溫分解后會直接影響露點的高低，因此脫脂段設備的控制尤為重要。脫脂液的壓力和流量控制、刷輥的轉速和壓力控制、擠干輥的表面和壓力控制、清洗段清水的電導率控制等，都會影響帶鋼脫脂后的表面殘油量。

冷卻段分為4個區(qū)域，設備控制要點基本相同。在保證爐壓穩(wěn)定的前提下，盡可能增加氣體流量，加速爐內氣氛的置換速度，能夠獲得良好的氣氛效果。同時，冷卻段設備一般為水冷型，內部的輕微泄漏會嚴重影響氫氣的露點狀況。例如，水冷換熱器不管是板式還是管式，內部密封的輕微泄漏或者內部砂眼均應受到重視[3]。

較好的設備控制一般能夠將各區(qū)域氫氣露點控制在如表2所示的范圍。在此范圍內，精密不銹鋼能夠獲得良好的退火效果。露點高于此范圍會產生氧化、性能不良等質量缺陷，低于此范圍氣源成本和過程控制成本會急劇增加。

表2 爐內各區(qū)域氫氣露點范圍

2.2 氫氣氧含量的控制

精密不銹鋼的光亮退火對爐內氫氣的氧含量要求很高。在高溫狀態(tài)下，爐內氫氣與微量氧發(fā)生反應生成水，使爐內露點升高，而微量氧也會與合金進行反應，生成氧化物，造成鋼帶表面氧化，反應式如下。

Me+O2→MeO

H2+O2→ H2O

與氫氣露點相同，氧含量的控制同樣取決于爐體的密封性、氫氣來源的質量狀況和鋼帶表面殘油量。對上述3點進行良好的設備控制后，能夠獲得優(yōu)良的氧含量效果，如表3所示。

表3 爐內各區(qū)域氫氣氧含量范圍

除此之外，出入口密封的密封效果對爐內氧含量尤其是加熱段的氧含量影響較大。光亮退火爐一般采用兩種密封形式，即輥式密封和氈式密封，以實現(xiàn)不同的密封要求。輥式密封由一對同步轉動的密封輥組成，擠壓在帶鋼兩側，阻止外界氧氣隨帶鋼進入爐體。氈式密封使用毛氈包覆在芯軸外部，不轉動，一對毛氈輥將帶鋼擠壓住。對于厚度為0.1 mm以上的不銹鋼帶材，使用氈式密封。氈式密封變形量較大，能夠較好地密封帶鋼兩側的間隙，防止氣體外溢與氧氣進入。對于厚度為0.1 mm及以下的精密不銹鋼帶材，以及超平料、氫能源材料等表面易劃傷的帶材，氈式密封可能對表面造成質量缺陷，宜選用輥式密封。

2.3 氫氣含塵量的控制

氫氣含塵量會造成不銹鋼表面附著物的增加。灰塵狀態(tài)的附著物在經(jīng)過軋機軋制后會產生無法修復的白點，造成嚴重的質量缺陷。新鮮氫氣主要通過 5 μm以下過濾器過濾內部顆粒物。爐內氣氛中的顆粒物主要來自鋼帶表面殘留物燃燒后產生的硼塵，此類顆粒物需要定期手動清除，一般要保證爐內含塵量低于2.5 mg·Nm3。

立式光亮退火爐的熱交換器為冷卻系統(tǒng)的核心部件，熱交換器的冷卻表面常被細小的硼塵包覆。通常情況下，光亮爐采用管巢式熱交換器。這種熱交換器冷卻能力較強，不像翅片冷卻器敏感，被灰塵包覆時會快速失去冷卻性能。同時，熱交換器需集成切斷閥，方便被快速拆卸清洗，從而不影響露點或氧含量。

而在退火爐馬弗內，受高溫氣體布朗運動和氣體流動的影響，氫氣內的固體顆粒物不斷發(fā)生混合碰撞，使顆粒產生聚合作用，微小顆粒物聚集為大顆粒，附著在馬弗內壁和氣體管道內壁。因此，部分退火爐使用機械式過濾器或多級旋風分離器進行顆粒物過濾，以便實現(xiàn)氫氣的回收再利用。旋風分離器一般分為三級旋風結構，由旋風分離器艙體、動力風機及顆粒收集器組成。氣體從旋風分離器的進氣管道沿切線方向進入一級旋風結構，煙氣沿著旋風結構的內壁做旋轉運動，較大的顆粒物沉積在旋風結構底部溝槽內，順著排氣管道一同排出，外部使用除塵袋進行收集。大顆粒物被清除后，煙氣向上進入二級旋風結構進行旋風除塵，做小顆粒的清除。清除后進入三級旋風結構，清除微小顆粒物。經(jīng)過三級除塵后，直徑1 μm以下的顆粒物被清除。

2.4 爐壓的控制

極薄規(guī)格精密不銹鋼帶材受界面能和應變能的影響，如采用常規(guī)熱處理工藝，晶粒很容易長大，形成大尺寸晶粒，影響產品性能。中間柔性化退火工藝對爐壓穩(wěn)定性要求更高。立式光亮退火爐集成了密集環(huán)形爐輻射式加熱、出入口輥式密封裝置、成品低溫再結晶以及快速冷卻熱處理工藝，在此基礎上爐內氫氣壓力目標值設定在420～450 Pa，通過新鮮氫氣流量和爐體放散閥門共同來控制。通過自動調節(jié)開度的蝶閥和閥門控制器，能夠精準控制氫氣流量。一般情況下，新鮮氫氣流量通過入口閥門控制在一個穩(wěn)定值即可，一般為70～90 m3·h-1。爐壓可以通過爐體放散閥來控制，通過壓力傳感器和爐壓閥門器進行伺服控制。

此外，爐體密封輥的側隙的大小對爐壓的穩(wěn)定性有著重要影響。一般情況下，出口側隙調整為0.17～0.18 mm，入口側隙調整為0.21～0.25 mm較為合適。在此側隙下，氮氣的溢出量比較穩(wěn)定，入口和出口氫氣含量能夠保持穩(wěn)定水平。如果氫氣含量能夠一直維持穩(wěn)定，那么氮氣的補充量和爐壓控制非常均勻。

3 結語

通過良好的設備控制能夠對爐內氫氣露點、氧含量、含塵量和爐壓等指標進行較好的控制，實現(xiàn)超薄不銹鋼的微張力光亮退火，解決了表面氧化、性能不良等質量缺陷，滿足精密不銹鋼極薄帶的高品質要求。

（1）爐內氫氣露點主要受帶鋼表面含油量、氫氣流量和加熱速度影響，因此設備控制應重點解決含油量高、氫氣來源和質量的問題。

（2）氫氣露點的好壞直接決定著鋼帶退火后的性能和質量，而露點的控制主要取決于脫脂段設備的控制狀況、爐體設備密封狀況以及冷卻段設備的泄露控制狀況。

（3）氫氣的氧含量的高低決定鋼帶退火后是否有氧化等質量缺陷，氧含量的控制同樣取決于爐體設備的密封狀況。

（4）爐壓的穩(wěn)定控制對爐內氣氛質量有著重要影響。

在實際生產過程中，應嚴格監(jiān)控爐內氣氛參數(shù)和設備控制關鍵點，保證爐內氣氛合格穩(wěn)定，防止表面氧化、性能不良以及組織不均勻等問題的產生。