八钢冷轧带钢罩式炉退火粘结缺陷原因分析及防范措施

胡乐康 胡 涛

【摘 要】本文对冷轧带钢在罩式炉中退火产生粘结缺陷的机理进行了分析，指出钢带卷径向存在温度梯度，在冷却初始阶段冷缩变形不均匀是产生粘结的主要原因，同时分析了影响粘结倾向的各种因素，并提出应对措施。

【关键词】粘结；温度梯度；冷却初始阶段

1.前言

冷轧带钢经罩式炉再结晶光亮退火后可消除冷变形产生的加工硬化和内应力，使带钢具有符合标准的金相组织、良好的机械性能和光亮的表面。但带钢在退火过程中有时产生局部粘结，造成平整开卷时粘结处发生撕裂变形、凸起，经平整后形成弯月状、马蹄状或弧形的凹印。因粘结处变形产生加工硬化、塑性降低，使带钢产生部分或整卷的废次品。因此，如何减少粘结产生的废次品，提高成材率，降低成本是迫切需要解决的问题。

2.粘结缺陷的形成机理

罩式炉中钢带卷受热主要来自内罩的热幅射和保护气体的热对流。因钢带卷紧卷退火，保护气体经端面向层间传热明显不如内、外表面，故在钢带卷径向形成温度梯度。因加热时钢带卷内、外层升温速度大于心部，故内、外层的热胀大于心部，使外层与心部间压应力减小，内层与心部间压应力增大。尽管随着温度的升高，内层与心部的温度梯度增大，压应力也随之增大，但此时卷心处于回复或再结晶形核阶段，其屈服极限降低不大，层间压应力仍低于屈服极限，故不产生塑性变形。同时氢气在600℃左右才能与氧化物有效反应，故此时钢带卷层间接触处仍存在氧化膜，可阻止粘结的产生。随着再结晶的进行，钢带卷屈服极限迅速降低，但同时内层与心部的温度梯度逐渐减少，压应力也随之减小。因此，在加热阶段钢带卷层间产生粘结的可能性很小。

在冷却阶段，因内外层温降速度大于心部，使外层与心部层间因冷缩不均匀产生较大压应力。尤其在冷却初始阶段，温度梯度逐渐增大，压应力也随之增大。当卷心温度降至一定温度时（根据大量退火曲线的统计结果，此温度在600℃左右），卷心与外层温度梯度最大，压应力也最大。因钢带卷经再结晶后屈服极限大幅降低，故在卷心温度由峰值降至600℃过程中，钢带卷层间局部凸起处（主要由带钢浪形或同板差过大引起）在压应力作用下产生塑性变形，使层间紧密接触面积显著增大。由于变形引起晶格畸变，使空位、位错等缺陷增加，界面区能量增高，铁原子处于激活状态而产生扩散，形成金属键连接。同时界面区又在高温作用下，铁原子扩散速度加快，当扩散层达到一定深度，金属键连接变成冶金连接，即粘结。若在此过程中未产生粘结，随着卷心温度降低，卷心与外层的温度梯度逐渐减小，压应力也随之减小。同时带钢的屈服极限也随渗碳体的析出增多而逐渐增大，因此钢带卷不会产生粘结。

3.影响带钢粘结倾向的因素

3.1带钢自身因素

（1）带宽：钢带卷重量一般在16～21t，带宽越大，钢带卷外径越小，径向温度梯度越小，粘结倾向越小。

（2）轧制厚度：根据扩散定律，J=-Dxdcˊ/dx （式中J——扩散流量，D——扩散系数），可知，单位时间内通过垂直于板厚方向单位面积的铁原子量与该方向上铁原子的浓度梯度成正比。故轧制厚度越小，铁原子的浓度梯度越大，铁原子的扩散流量越大，粘结倾向越大。

（3）碳含量：在铁素体中铁原子的自扩散主要通过空位机制实现。当碳含量增加时，碳原子占据更多空位，使用于铁原子扩散的空位浓度减少根据公式

可知，扩散激活能增大，铁原子自扩散系数减小，故粘结倾向减小。同时随着碳含量增加，带钢的高温屈服极限增大，在冷却初始阶段钢带卷层间塑性变形减小，使粘结倾向减小。

3.2与轧钢相关的因素

（1）板形控制：根据弹性力学计算结果，带钢产生浪形的力学条件为：

当带钢轧后残余应力σ>σck时，即产生“视在”板形不良；当σ<σck时带钢存在“潜在”板形不良；因在退火过程中随退火温度的升高带钢的弹性模量逐渐减小，σck也随之减小，故当σ>σck时带钢的“潜在”板形不良将转变为“视在”板形不良而产生浪形。

根据大量粘结统计结果，粘结产生的部位主要集中于中部或边部。因此，板形控制不良，出现浪形或同板差过大是造成板面凸起、局部压应力过大的主要原因，使粘结倾向增大；轧制厚度因素亦与此相关；因轧制厚度越小，板形越不易控制，故越易产生粘结。

（2）卷取张力：带钢在冷轧时因卷取张力过大或波动，使层间局部压应力过大，易产生粘结。

（3）带钢表面粗糙度：带钢表面粗糙度越小，局部凸起处越易产生应力集中，粘结倾向越大。

3.3 与热处理相关的因素

（1）退火工艺：退火温度过高、时间过长，使再结晶后的晶粒粗大，导致带钢屈服极限降低，若低于局部压应力，则易产生粘结。

（2）带钢表面洁净度：因带钢表面的乳化液膜或氧化膜能阻止铁原子的扩散，故表面洁净度越低，粘结倾向越小。

3.4 其它因素

（1）热轧带钢板形：热轧原料板形越差，冷轧带钢板形越不易控制，使粘结倾向增大。

（2）煤气热值、压力：煤气热值、压力不稳定，波动范围大，使退火温度及时间的波动增大，易产生粘结。

（3）钢带卷吊运：钢带卷吊运夹紧时的挤压碰撞，使层间局部接触增大，易产生粘结。

4.八钢冷轧罩式炉的粘结缺陷

4.1冷轧罩式炉退火粘结缺陷（见图1、图2）

4.2粘结缺陷形成原理是带钢在一定温度和压力下，金属扩散，层与层粘连在一起。在罩式炉退火时带钢表面相互粘连，平整开卷时相邻板面剥开，超过屈服强度产生应变并发生撕裂，具体有以下几种成因：

（1）带钢同板差过大，中部过厚，或宽位某一位置存在起筋；

（2）轧机卷取张力过大；

（3）带钢表面粗糙度过小、清洁度过高；

（4）退火冷却速度过快。

4.3 粘结缺陷消除对策

（1）加强对来料起筋的控制；

（2）合理调整轧机卷取张力，对厚度不大于1.2mm的带钢在保证轧制及板形的前提下，应尽量减小卷取张力。

（3）合理使用轧辊，避免粗糙度过小，控制好板形及末机架工作辊的粗糙度。

（4）合理调整罩式炉退火钢卷冷却速度，加热结束后，钢带卷应带加热罩冷却，使卷心温度降至600℃以下。

（5）提高平整开卷速度；因变形速率提高，使带钢的屈服极限增大，故可提高钢带卷平整时的开卷速度，以减小粘结处的变形，经平整后消除粘结印。

（6）严格执行退火工艺，控制退火温度和时间；同时，保证退火设备的完好性。

（7）保证煤气热值、压力稳定。

（8）避免钢带卷吊运夹紧时的挤压碰撞。

6.结论

（1）冷轧带钢的退火粘结缺陷是因在罩式炉中带卷径向存在温度梯度，在冷却初始阶段冷缩变形不均匀，导致局部压应力过大，并在高温下扩散连接而产生的。

（2）冷轧带钢板形控制不良，出现浪形或同板差过大是产生局部压应力过大的主要原因，也是产生粘结的主要原因。

（3）预防及消除粘结缺陷的技术措施只能有条件地采用。

（4）通过生产实践与合理的控制，冷轧罩式炉退火粘结缺陷已明显呈下降趋势。