高磁感冷轧硅钢产品炉辊结瘤缺陷控制分析论文

　　摘要：高磁感无取向硅钢冷轧产品是新能源汽车、家用电器、工业电机、无人机、机器人等领域必不可少的核心关键材料。文中从四个方面深入阐述分析针对薄规格高磁感硅钢冷轧产品，连续退火工艺碳套辊结瘤缺陷产生机理，提出有针对性的改进控制措施。

 

　　关键词：新能源,高磁感冷轧硅钢产品,薄规格,结瘤缺陷

 

　　现阶段，高牌号硅钢冷轧产品退火工艺主要采用CA连续退火炉设备，主要退火炉炉段组成包括辐射管加热炉（RTF）、电加热炉（EHF）、均热炉（SF）、保护气体循环喷射控冷段（SJC）、保护气体循环喷射快冷段（RJC），一般根据炉区内部加热环境及最高使用问题，采用不同种类规格碳套辊，全线碳套辊数量≥170根，一次装机量大，因此CA退火炉启运行支撑作用碳套辊是影响产品表面质量关键设备之一，新能源汽车驱动电机用高牌号、高磁感无取向硅钢冷轧产品主要厚度规格0.15mm～0.35mm，硅含量≥2.5%，某些特殊高硅含量产品可达到4.5%以上，成分中硅含量大幅提升，对于冷轧轧制时冷硬卷表面铁粉、硅泥残留量控制要求极高，也是碳套辊结瘤缺陷产生主要原因之一。同时，高牌号、高磁感硅钢产品未来“成本+性能”的性价比追求，促使产品厚度规格逐步由厚转薄，特别是对于≤0.23mm厚度规格产品，细小炉辊结瘤缺陷会导致严重下表面压坑缺陷，对于硅钢叠片率影响极大，是现阶段影响产品成材率主要缺陷之一。因此，从现阶段生产实践分析碳套结瘤缺陷形成机理，制定合理控制、解决措施，有效控制生产过程中碳套辊炉辊结瘤缺陷产生，提升产品质量。

 

　　CA连续退火炉碳套辊碳套标准直径180mm，材质根据炉区工艺不同包括Cr25Ni35Nb、Cr28Ni48W5、Cr30Ni50W13、Cr25Ni20等，因碳套辊石墨化度为60%以上，是一种多孔材料，虽经渗铬、修磨处理，但是经过一段时间使用后经氧化、磨损，不可避免地要出现孔隙。钢板表面残存的铁粉与碳套辊的摩擦碰撞过程中，在孔隙中堆积，还原、烧结长大成结瘤。碳套辊结瘤产生的圆柱状的涡状瘤严重影响CA连续退火机组生产及产品质量控制，处理过程极为繁琐，现阶段主要以线上和线下两种模式修磨炉辊为主。首先必须确认缺陷是否为碳套辊结瘤原因产生，实践证明碳套辊结瘤缺陷确认可通过缺陷周期不同辨别，通常情况下，碳套辊辊径与机组转向辊、活套托辊、张力辊直径区别较大，带钢与不同辊径辊面运行过程中接触，其表面产生缺陷周期区别较为明显。同时，碳套辊主要作用是支撑炉内运行带钢，因此安装位置位于炉内下方，凹坑缺陷形态为由上至下，通过以上两种方式可准确判断结瘤缺陷产生，并最终确认采用线上或线下炉辊修磨工艺。经近些年工业实践分析，线上模式打磨相对与线下打磨模式可保障机组连续生产，降低停炉降温导致机组停机换辊，但打磨效果和质量损失方面均需慎重考虑，因此碳套辊结瘤缺陷控制重点仍是加强预防控制措施。经实践分析，其产生原因包括碳套辊装配问题、前工序轧制因素、硅钢成分影响、电解清洗效果、炉内气氛等多个方面。

 

 

　　脱脂清洗系统因碱液浓度活性温度不够、刷辊压力参数以及喷嘴堵塞等诸多因素造成板面清洗效果差，退火炉表面残存的铁粉和油污与碳套辊在摩擦过程中在碳套辊辊面孔隙处堆积、还原、烧结、长大，粘结在炉辊辊面，不断积累就形成了瘤，成分主要是SiO2和FeO。结瘤长大到一定尺寸，其中一部分在与带钢不断摩擦中脱落，在碳套辊表面产生更大的凹坑，为产生新的结瘤提供场所；另外一部分在与带钢摩擦碰撞过程中不停地旋转，使凹坑加深且面积变大。

 

 

　　1.2.1设备及工艺技术控制

 

　　近些年，通过设备不断优化升级，高磁感、高牌号硅钢冷轧产品退火前工序清洗已采用先进超声波碱浸洗和清洗装置。超声波碱浸洗装置主要利用热碱液为媒介，在超声的作用下液体内部或液固界面产生气体空穴，气体空穴生长和爆破后产生局部高压从而高频次剥离和冲击带钢表面的污染物，达到清洗带钢、清除轧制工序铁粉目的。超声波清洗装置通过电解产生的H2和O2气泡，带出带钢表面残余的油脂和脏物，彻底清洁带钢表面。槽内电解电极板中间布置超声波振板，辅助电解清洗，清洗带钢、电极板和槽体，并且大幅延长电极板使用寿命，降低清槽频率。通过检测分析，增设超声波碱浸洗和清洗装置对比传统电解刷洗、冲洗设备，因表面清洗问题导致碳套辊结瘤缺陷大幅降低。同时，生产工艺调整方面，必须根据产品成分、清洗速度及残油指标及时调整刷辊压力、电解电压电压、电流、脱脂剂温度等工艺参数。同时，必须定期对碱浸洗、碱喷洗、碱刷洗、水刷洗、水喷洗设备的槽体、循环罐体及喷嘴进行清理疏通，在保证设备稳定运行前提下提高清洗效果，降低铁粉含量。

 

　　1.2.2脱脂剂效能控制

 

　　通过实践分析脱脂剂内添加表面活性剂成分，可大幅提升脱脂效能。表面活性剂的使用降低了水的表面张力，一方面，可使水溶液浸润到钢板表面，产生油污剥离；另一方面，又将油污进行乳化，使之溶入溶液中。在脱脂液中，表面活性剂的亲油基和亲水基可对油和水发挥不同的亲和力，各自独立地同时产生作用。在水－气界面或水-油界面，它能将亲水基留在水中，而把亲油基推出水面，使吸附了油脂的一端进入空气或油相中，而形成定向排列的单分子层表面膜，可使水的表面张力或水油的界面张力由72mN/m降到30mN/m左右，因此在改善被脱脂硅钢带表面润湿性的同时，还能将油脂渗透、卷离，达到乳化、分散和增溶除油的效果。硅钢带的清洗脱脂主要利用了油脂的皂化反应及表面活性剂的作用，通过润湿、渗透、卷离、分散和增容的方式，将硅钢带表面的油脂及含有的铁粉去除，降低因带钢表面含铁粉油脂清洗不净导致碳套辊结瘤缺陷频繁发生问题。

 

 

　　在实际生产中，轧制因素对于碳套辊结瘤影响具有普遍性，从工业实践方面分析主要包括轧制规程设定、轧制乳化液温度及浓度配比控制。经实践测试及数据分析，通过优化轧制工艺，碳套辊结瘤产生频次大幅降低。

 

 

　　硅钢用轧制油俗称乳化液，其主要作用包括三个方面：一是提供顺畅的轧制作业，即以最佳摩擦系数，确保稳定的抗滑性并在高温作业期间确保稳定的乳化稳定性；二是避免工艺间隙中锈蚀产生；三是提高产品质量，即提高轧机清洁性和钢板表面质量。因此乳化液对于轧制生产极为重要，若所选的轧制油性能较差，则在轧制面上的破乳不充分，不能形成良好的润滑油膜，轧制时摩擦力增大，会产生大量铁粉，从而对带钢表面和乳化液造成严重污染，导致连续退火工艺处理过程中，频繁产生碳套辊结瘤缺陷，实际生产过程中必须合理控制乳化液各项工艺参数。

 

　　2.1.1乳化液温度控制

 

　　优化乳化液温度，并严格控制对于铁粉残留量控制极为重要，是碳套辊结瘤缺陷主要产生原因。根据工艺要求，若乳化液温度过高，油脂颗粒易长大，会造成乳化效果不稳定，轧制油消耗增加，带钢表面油脂含量增加，更容易造成表面污染；现阶段≥2.5%硅钢产品多道次可逆轧制，中间道次轧制稳定可达150℃以上，因此乳化液选型方面，必须在200℃高温条件下，仍能保持稳定的浓度和良好乳化安定性及耐热效果。单乳化液温度不可过低，特别是首道次轧制，必须保证乳化液温度达到60℃以上轧制，否则不利于形成破乳油膜，润滑效果降低，轧制过程中产生的铁粉量增加，同样会增加污染程度。

 

　　2.1.2乳化液浓度控制

 

　　森吉米尔二十辊轧机设备生产0.2mm～0.35mm厚度规格硅钢产品，考虑工艺因素生产工艺要求乳化液浓度配比3%～3.5%；pH值控制≥6.5；皂化值110～135范围控制，计划排产过程中1#轧机采用原乳化液工艺配置，2#轧机乳化液浓度配比调整至4%～4.5%；pH值控制≥6.5；皂化值110～135，CA连续退火机组生产过程中2#轧机产品生产期间碳套辊结瘤产生频次对比1#轧机产品生产期间降低。通过月质量大数据分析，提升乳化液配比浓度，加强铁粉清除效果措施具备可行性，2#轧机对比1#轧机产品结瘤缺陷降级率明显降低，生产过程中净油箱机械搅拌器不断的搅动，避免了乳化液中的轧制油从水中分离出来，保证了乳化液的浓度稳定性。

 

　　2.1.3乳化液的过滤效果控制

 

　　现阶段，针对二十辊轧机乳化液过滤系统普遍采用3种模式，包括磁性过滤、反冲洗过滤、霍夫曼纸过滤。磁性过滤，其主要通过利用强大磁场对液体或气体中悬浮颗粒、铁屑等磁性杂质进行吸引并过滤，从而有效净化清除轧制过程中产生铁粉；反冲洗过滤，其主要作用是清除截留在滤料层中的杂质；霍夫曼纸过滤，主要作用清除轧制产生油污及铁粉。通过实践分析，公司采用真空过滤机功能，把乳化液中的铁粉、灰份等颗粒度控制在0.05mm～0.08mm的范围内，并经过净化设备处理，确保乳化液中的铁粉质量浓度控制在200mg/l，灰分的质量浓度小于1500mg/l，铁皂质量分数小于0.3%，游离脂肪酸质量分数小于10%，充分保证了乳化液循环使用期间洁净度要求，把乳化液中的铁粉控制在一个合理的区间内，有利于碳套辊结瘤缺陷控制。

 

 

　　带钢在冷轧过程中，轧制力是轧制工艺中最为关键的参数，在表面污染物控制中该参数也同样重要。若轧制力过大，在轧制面由乳化液形成的油膜容易破裂，失去润滑作用，轧辊与带钢间产生极大的粘结性摩擦力，轧辊表面生成摩擦辊印，带钢表面还会出现热滑痕，过程中产生大量铁粉。高磁感产品含硅量≥3.5%，含碳量≤30ppm，热轧常化酸洗硅钢原料卷的屈服强度σs≤600MPa；抗拉强度σb≤800MPa，延伸率约为16%，因此需根据轧制成品规格，合理制定轧制规程及各道次压下率参数，确保轧制力控制在合理范围内，确保油膜效果，提升润滑效果，减少铁粉量产生。可逆轧制过程中带钢边部金属不仅沿轧制方向流动，还伴随垂直于轧制方向的流动，导致带钢边部的轧制力降低，在轧制力一定的情况下，边部带钢容易减薄，诱发边浪，也是需要在轧制过程中需重点考虑因素之一。

 

 

　　CA退火炉目前主要采用一段式退火工艺，辐射管加热炉（RTF）、电加热炉（EHF）、均热炉（SF）、炉内最高氢气含量50%，保护气体循环喷射控冷段（SJC）炉内最高氢气含量30%，保护气体循环喷射快冷段（RJC）不通氢气，提高入口、出口密封室密封性。炉内压力和气氛稳定是否稳定决定碳套辊结瘤缺陷产生频次，生产实践中RTF、EHF、SF炉内充满H2+N2混合气，露点低于-40℃,为了维持炉内气氛、降低能源消耗，采用抽鼓式自身预热辐射管烧嘴，烧嘴安装在辐射管内，布置在带钢上下方，空气预热温度约600℃,空燃比1.1～1.3。炉子吹扫过程中，首先必须往保护气管道内送入氮气并按照炉区设置的保护气管道将氮气送入炉膛内，进行炉膛吹扫，各区氮气用量根据现场实际情况进行调节，总用量1500Nm3/h～2000Nm3/h，炉膛吹扫4h～6h后检测炉内各处氧含量。点火烧嘴点火时炉内氧气含量控制在≤0.2%，主烧嘴点火时炉内氧气含量尽量低（一般控制在≤0.1%），以减少因氧化铁皮热膨胀系数低，在带钢通过炉辊传送过程中，容易从带钢表面剥落后粘结到炉辊表面，促使碳套辊面结瘤缺陷产生。当炉内气体中的O2≤1000ppm时，可进行炉膛升温，炉温升高至200℃之前，炉内气体中的O2≤500ppm。点火升温过程中，炉内采用N2保护，氧含量低于100ppm，维持炉内正压。生产过程中各段炉压分别控制在15Pa～25Pa、30Pa～65Pa范围内，实现炉内压差控制，并保证炉区各段气氛相对稳定。降温停炉工艺控制要求炉温降至350℃以下才可停止炉内氮气持续供应，并且要维持炉内正压。

 

 

　　现阶段，生产实践过程中，高磁感、高牌号硅钢冷轧产品碳套辊结瘤缺陷暂无法完全消除，相比于优化碳套辊在线修磨工艺，仍应重点研究缺陷产生原因并加以控制。除文中提到因素外，还包括碳套辊材质问题、装配问题、硅钢成分问题、炉前带钢通道洁净度问题等多个方面，但连续退火前工序铁粉残余量和带钢表面洁净度两项指标对于碳套辊结瘤缺陷产生具有一致性和普遍性，也是本文中重点分析影响因素。除此之外，实际生产过程中应根据自身实际不同，经大数据统计结果诊断问题分析原因，制定解决措施，有效控制碳套辊结瘤缺陷产生。