连续退火机组缓冷炉带钢瓢曲原因分析

何建锋,王 鲁,李庆胜

(宝钢新日铁汽车板有限公司,上海 201900)

连续退火机组将带钢的预热(PHF)、加热(HF)、均热(SF)、缓慢冷却(SCF)、快速冷却(1C)、过时效(OA)、终冷(2C)、淬水(WQ)等工艺集于一体,具有生产效率高、产品品种多样化、表面质量优良、生产成本低等诸多优势,成为冷轧生产的主力机组。

随着连退机组生产的冷轧汽车板规格越来越薄(一般板厚在1.0 mm以下),且退火温度越来越高(如超深冲软钢均热温度830 ℃以上),为保证带钢在退火炉内稳定运行,炉辊一般设计成正凸度。但冷轧薄板在退火炉内高温高速下运行,受钢卷规格切换、生产速度变化、机组张力波动、退火炉温度变化等诸多因素影响,板带如果温度分布不均匀或与炉辊摩擦力不均匀时,会导致板带横向受力发生变化,容易发生瓢曲缺陷,严重影响生产和质量。

1 研究内容及试验方法

1.1 带钢瓢曲缺陷观察及规律

一段时期以来,宝钢某单元连续退火机组接连发生薄板轻微热瓢曲。通过调查,热瓢曲多呈现“微八字形”左右两条,中间间距约为300～400 mm,如图1所示,且有约2 500 mm的周期。结合生产线辊子的周长,推测是直径800 mm的退火炉辊子产生。

1.2 带钢瓢曲缺陷研究方法

为确定带钢瓢曲缺陷是否由于带钢表面加热温度不均匀产生横向受力变化引起,设计系列现场试验,如表1,进行再现试验调查。

以上调查没有发现带钢瓢曲的直接原因,通过降低退火温度、降低张力等试验,瓢曲仍然出现,改善效果不明显,而且还有恶化的趋势,开始时是厚度小于0.65 mm的薄料易出现,后来板厚0.8 mm的窄料也出现瓢曲印。

为确定缺陷是再结晶退火前还是退火后发生的,取瓢曲缺陷的板带截面试样,采用光学金相显微镜分析,如图2所示。

表1 带钢瓢曲的调查试验

比较缺陷位置与正常位置晶粒大小,未发现两个位置基体晶粒之间的差异,从而排除再结晶退火前发生热瓢曲的可能性。由此可以推测带钢瓢曲缺陷是在再结晶退火后的冷却段发生。

为了进一步确认带钢瓢曲缺陷与冷却段的相关性,跟踪了3卷发生热瓢曲的钢卷,在退火温度和速度稳定的情况下,分析它们在退火炉各区域的张力情况。发现如果缓冷段和快速冷却段张力较大,容易发生瓢曲;减小张力,瓢曲改善,如表2。从而进一步将瓢曲发生区域缩小到冷却段。

在生产薄带钢时通过缓冷段入口的工业摄像机仔细辨别带钢表面,最后确认带钢瓢曲缺陷发生在缓冷炉(SCF)的顶辊上。连续退火机组冷却段炉辊布置简图如图3所示,实际带钢发生轻微热瓢曲如图4所示。

带钢瓢曲发生位置锁定后,通过定修更换SCF02炉辊后,瓢曲缺陷消除。

2 带钢瓢曲的调查结果

通过对连续退火机组的薄带钢瓢曲的研究,确认瓢曲缺陷是由辊径800 mm的退火炉炉辊引起的周期缺陷;对影响退火炉带钢瓢曲因素的调查,特别是生产速度、加热炉温度、带钢张力、风机负荷变化等相关参数的调查和板带截面试样金相分析,比较缺陷位置与正常位置晶粒大小,推测带钢瓢曲缺陷是在再结晶退火后的冷却段发生。进而对带钢瓢曲缺陷与冷却段的相关性设计针对性生产试验,进一步将瓢曲发生区域缩小到冷却段。最终在工业摄像机辅助下仔细辨别带钢表面,最后确认带钢瓢曲缺陷发生在缓冷炉(SCF)的顶辊上。通过定修更换SCF02炉辊后,瓢曲缺陷消除。

3 带钢瓢曲缺陷原因分析

3.1 缓冷炉顶辊辊型调查

通过测量更换下来的SCF02炉辊辊型,发现辊面变形严重,尤其辊面中线及偏两侧400～ 500 mm位置,变形最大。最大跳动0.2 mm,中线最大跳动0.8 mm,如图5所示。

对SCF02炉辊辊型进行检查,分两条母线(0°和90°)测量辊型,见图6。辊面变形严重,尤其辊面中线及偏两侧400～500 mm位置变形最大。

另外,对SCF02缓冷炉炉辊材质进行分析,在旧炉辊的端部和中部分别取样,在光镜和电镜下检验微观组织,分析炉辊变形的原因,详见图7。

金相微观组织显示在晶界碳化物处有孔洞出现,部分区域的孔洞有连接成链的趋势。从孔洞出现的情况判断,大体认为其达到寿命后期。

对炉辊中部晶粒进行元素定量分析,结果如图8所示。

从析出物成分分析可判断,炉辊晶粒为Cr 的碳化物;从晶界和晶粒中间C含量对比可知,晶界C含量明显大大高于晶粒,渗碳体析出严重,发生了明显蠕变。

3.2 分析与讨论

高温环境下运行的炉辊主要受到轧制钢板的交变工作应力、热应力及自身重力的作用。研究表明,炉辊运行数年后,其辊面通常会发生变形,其组织也会发生显著变化,如组织退化、沿晶界碳化物聚集和蠕变孔洞的萌生与扩大等。炉辊材料在长期服役中发生的蠕变过程,在微观上存在着晶界的滑动,随着晶界滑动的积累,孔洞得以萌生和发展;同时,沿晶界碳化物的析出和偏聚会导致材料晶界发生脆化,晶界连接强度降低,导致材料中萌生的孔洞大多沿晶界、碳化物以及三角晶界结点分布[1]。图9为耐热不锈钢的失效规律,如果材料微观孔洞聚集达到一定程度,如图9的C阶段及以上的D阶段,极易导致材料变形失效。

该炉辊自2005年2月开工以来一直不断循环修复使用,连续使用时间超过10年,该辊材质为SCH22(25Cr20Ni),经与制造厂家咨询交流,厂家也认为这根SCF02炉辊金相已经到达了图9中C阶段,容易出现炉辊材料变形等劣化现象。

金相分析虽然准确,但是需要破坏检查,为此采用金相覆膜法比对金相分析结果。金相覆膜可以在炉辊基体表面简单的获取,用于现场快捷检测。图10为采用金相覆膜法获得的金相图片,与电镜下金相图片显示的结果一致。以后可以在修复炉辊喷涂前用覆膜法获取金相图片判断其寿命。

4 结论

(1) 连续退火机组缓冷炉炉辊辊型不良会导致连退机组带钢发生瓢曲,要及时测量辊型。

(2) 对连续使用超过10年的退火炉炉辊要密切关注炉辊材质的变化。根据金相图片结合耐热钢的材质特点判断寿命,如果已经属于寿命后期的,建议不再继续喷涂使用。

(3) 对炉辊表面采用金相覆膜法进行取样,分析炉辊的金相是可行的。