冷轧带钢退火技术的发展和应用

2017/10/17 11:22:00

 轧后热处理是冷轧生产中的重要工序,冷轧带钢多为低碳钢,其轧后热处理通常为再结晶退火,冷轧带钢通过再结晶退火达到降低钢的硬度、消除冷加工硬化、改善钢的性能、恢复钢的塑性变形能力之目的。冷轧带钢的再结晶退火在退火炉中进行,冷轧带钢退火炉分为罩式退火炉和连续退火炉,罩式退火炉又分为全氢罩式退火炉与普通罩式退火炉。冷轧带钢退火技术的发展与罩式退火炉和连续退火炉的发展是密不可分的。

1 罩式退火

    罩式退火是冷轧钢卷传统的退火工艺。在长时间退火过程中,钢的组织进行再结晶,消除加工硬化现象,同时生成具有良好成型性能的显微组织,从而获得优良的机械性能。退火时,每炉一般以4个左右钢卷为一垛,各钢卷之间放置对流板,扣上保护罩饵口内罩),保护罩内通保护气体,再扣上加热罩(即外罩),将带钢加热到一定温度保温后再冷却。

    罩式退火炉发展十分迅速,20世纪70年代的普通罩式退火炉主要采用高氮低氢的氮氢型保护气体(氢气的体积分数为2%~4%.氮气的体积分数为96%~98%)和普通炉台循环风机,生产效率低,退火质量差,能耗高;为了弥补普通罩式炉的缺陷,充分发挥罩式炉组织生产灵活,适于小批量多品种生产,建造投资灵活,可分批进行的优点,70年代末奥地利EBN ER公司开发出HICON /H7炉(强对流全氢退火炉),80年代初德国LOI公司开发出HPH炉(高功率全氢退火炉)。由于这两种全氢炉生产效率比普通罩式炉提高一倍,产品深冲性良好,表面光洁,故在全世界范围内得到迅速推广和应用。全氢炉主要分布在欧洲各国,90年代全世界此类退火炉已达到了500多座,分布在世界20多个国家和地区。90年代以后,我国的罩式退火炉也逐渐采用高

氢型保护气体(氢气的体积分数为75%,氮气的体积分数为25%)或全氢型保护气体(氢气的体积分数为100%)和强对流炉台循环风机,生产效率有了大幅度提高,退火质量明显改观,能耗大幅下降。随着对冷轧板性能的日益提高,普通的氮氢型罩式退火炉正逐渐被淘汰。目前广泛使用的全氢罩式退火炉具有以下明显优势:采用大功率、大风量的炉台循环风机,加速了气体循环,强化了对流传热:采用全氢作为保护气氛,充分发挥了氢气质量轻、渗透能力强、寻热系数大、还原能力强的优势:采用气一水冷却系统,起到了快速冷却的目的,提高了生产效率,改善了钢卷退火质量。

2全氢罩式退火炉与普通罩式退火炉的比较

2 1生产效率

    全氢罩式退火炉由于氢气的热传导性好,渗透力强,其传热速度比氮气快,强化了对流传热,加热时内罩壁热量对带钢卷以及带钢卷层间的传热(冷却时方向相反)速度要比普通罩式退火炉快得多,因此使用全氢并与大叶轮循环风机配合作强对流循环,可获得满意的加热或冷却效果,从而大大缩短了处理带钢卷的加热冷却时间,一般全氢罩式退火炉生产效率比普通罩式退火炉高40%~60%。而且在大量生产情况下,可以做到钢卷外部无过热。

2 2产品质量

    全氢罩式退火炉由于炉温比较均匀,加热时无局部过热现象,因此处理后的带钢卷机械性能均匀,同时也消除了普通罩式退火炉中所出现的带钢粘结现象。

    另外,由于微小氢原子在带钢卷圈层中穿透非常快,在100。C日寸,它使带钢卷上残留的润滑剂还原为碳氢化合物,从而降低其沸点,加快了碳氢化合物的蒸发,不致发生润滑剂的分解而残留在带钢卷的表面上。在600。凹寸,强烈的还原性氢(在低露点氢气氛)可以有效地将残留氧化物还原形成水蒸汽,这种水蒸汽与带钢卷上残留的碳反应,形成一氧化碳,随氢气一起排出炉外。因此在全氢罩式退火处理的宽带钢卷有较高的表面光洁度。

2 3介质能耗

    燃料消耗量低。全氢罩武退火炉由于强对流传热,显著提高传热效率,使燃料消耗减少。

    电能消耗低。全氢罩式退火炉由于氢比重低,在高温时,循环风机功率可大幅度下降,其节约的电费就可弥补氢气费用。

    保护气体消耗量低。全氢罩式退火炉采用全金属封闭炉台,在整个过程中,不需氢气冲洗绝热材料释放的杂质。在操作上,在开始吹扫和加热升温初期采用氮气,然后随着温度的升高转换为氢气,流量由小到大,在进入加热段的2/3处,即关闭氢气出口阀,停止供氢气,在冷却时由于氢气体积缩小、压力下降,此时需补充少量氢气,以保持内部压力稳定。总的来说,氢消耗量还是低的。氦气仅在退火开始及结束前清扫时使用,故氮气用量比传统罩式炉减少14%左右。

3连续退火

    罩式退火炉尽管建设投资小而灵活,组织生产方便,但其退火工艺有不足之处,尤其普通罩式退火炉更明显,存在生产周期长、生产过程不连续,产品机械性能不够均匀和表面质量不佳以及劳动定员多、占地面积大等缺点。为了克服以上这些缺点,日本几家主要钢铁公司致力于连续退火工艺的开发研究,将电解清洗、连续退火、平整、精整检查等各主要生产工序联成一体,组成连续退火生产线,最终取得了成功。

    70年代共建了3条连续退火线,都在日本。进人80年代,世界各钢铁厂相继建设连续退火线,1992年全世界已有49条连续退火线。由于连续退火机组具有生产效率高(生产周期由10天左右缩短到th以内),产品品种多样化,产品质量高,生产成本低等许多罩式退火工艺无法比拟的优势,连续退火技术得到了迅速发展。目前,日本用连续退火工艺生产的冷轧板己占总量的80%左右。近年来,连续退火线在国内大型钢厂(宝钢、鞍钢、武钢等)迅速崛起,从而带动冷轧生产向专业化、高速化、现代化方向发展。连续退火机组有四种类型:NSC -CA PL(日本新日铁)、KM - CAL(日本川崎制铁)、NKK - CAL(日本钢管)、CRM - HOWAQ(岬J日寸)。由于CRM - HOWAQ类型一次冷却采用热水,世界上发展较慢,所以主要是前三种类型。前三种连续

退火机组的退火技术有其共同点,主要是通过控制一次冷却速度、一次冷却终了温度和过时效温度,使钢中固溶碳充分析出。然而这三种连续退火机组在一次冷却技术、张力控制和板温控制方面各有其不同的特点。一次冷却技术是连续退火技术的核心,它直接影响连续退火机组对产品品种的适应能力和改善产品机械性能。目前,一次冷却技术主要有:喷气冷却( GJC)、高速喷气泠却(H GJC)、辊冷(RC)、气一水双相冷却(ACC)、冷水淬(WQ)、热水冷却( HOWAC)、喷气和辊冷复合冷却(RGCC)等。连续退火技术在过时效工艺方面,大多数采用400℃恒温时效法,也有采用斜坡时效,即逐步降温时效,以加快C的析出速度,还有采用先等温再斜坡时效。由于N SC -  CAPL技术开发最早,产品质量好,操作经验丰富,世界上投产的该型连续退火线最多。

    连续退火技术在不断发展和完善,一方面向着专用化方向发展(女口镀锡原板专用线),以提高生产力、降低生产成本、节约投资、便于生产管理和操作;另一方面则向多功能方向发展,以提高机组的适应能力,扩大产品品种范围,满足用户多种需要。在品种方面的发展趋势:首先是超深冲软质钢板的生产,其次是高强深冲板的生产,再次是超高强钢的生产。

4全氢罩式退火炉和连续退火炉的比较

4 1生产工艺

    全氢罩式退火炉是冷轧钢卷以带有少量残余乳化液的状态,未作脱脂便送入罩式退火炉进行退火处理,在氢气气氛中冷却,然后通过平整机中间库直接送往平整机,再检查等,设备布置空间大,生产周期长,但产品规格和产量变化灵活性强。连续退火线上冷轧带卷在进口段进行脱脂,在连续退火的第一段进行退火,随后采用气体或水等进行冷却,在退火第二段进行时效处理,然后进行在线平整,检查等,设备布置紧凑,占地面积小,生产周期短,但产品规格范围覆盖面不宜太宽,产量不宜太低。

4 2总成本

    所谓总成本包含工艺设备新建的投资费用再加上生产运行费用。对于全氢罩式退火工艺途径来说,其投资、消耗与维修费用与连续退火线相比都要低,只有人员较多和材料损失比较高。此外,对于连续退火线而言,还应累加冶炼深冲钢种所需的附加费用(用于真空脱气、微合金化等)以及较昂贵的酸洗费用(用于清除热轧卷取温度较高而形成的红色氧化铁皮)。所以,从有关的资料评价估计全氢罩式退火炉的总成本比连续退火机组低。

4 3品种性:能

    品种方面,全氢罩式退火通常生产的品种有CQ、DQ和DDQ,生产EDDQ、S- EDDQ、HSI_,A等品种难度很大,适合小批量、多品种生产。连续退火品种有CQ、DQ、DDQ、EDDQ、S- EDDQ、HSI_,A,HSS等,生产厚规格(大于2 Smm)产品有困难,规格范围太宽将增加控制难度,适合大批量、少品种生产。

    表面洁净度方面,全氢罩式退火通过建立正确退火制度,加上在热轧、冷轧的预防措施(严格控制板形、新型轧制技术、一定程度的均匀粗糙度、精确的卷取张力等),减少粘结、折边、碳黑等缺陷。而连续退火后的钢板表面十分光洁,不会出现粘结、折边、碳黑等缺陷,适合生产表面质量要求高的钢板。

    深冲性方面,对于铝镇静钢而言,一般用全氢罩式退火比用连续退火质量要优,其机械性能均匀,塑

性应变比r值、加工硬化指数n值一般都能高于连续退火的产品。近年发展起来的微合金化超深冲( IF)钢,又称无间隙原子钢,该钢具有极优良的成形性,即高r值(r>2 0)、高n值(n>Q 25)、高伸长率(6>50%)和非时效性(AI=0)。用连续退火生产出的1F钢的深冲性要优于用全氢罩式退火生产出的铝镇静钢的深冲性。无论用全氢罩式退火还是用连续退火均可生产微合金化超深冲( IF)钢,但用全氢罩式退火生产( 1F)钢效率较低。连续退火工艺是以严格控制钢的成份为基础的,炼钢工序中需低碳、低锰,磷、硫等杂质含量要低,而这些控制技术难度高,工艺操作复杂。国钋(日本等)Ⅲ钢的退火主要采用连续退火工艺,国内Ⅲ钢的退火则主要采用全氢罩式退火工艺。用全氢罩式退火生产一般冷轧板热轧中低温卷取即可,用连续退火生产一般冷轧板热轧中需高温卷取。用连续退火生产Ⅲ钢时可省去过时效处理,热轧又可采用低温加热及低温卷取,比用全氢罩式退火生产Ⅲ钢优势大。对于汽车上的难冲件,用Ⅲ钢生产比用铝镇静钢生产成品率高。

    强度方面,高强度板按强化机理主要有:固溶强化型加磷钢板、弥散强化型高强度低合金钢板、相变

强化型双相钢板和马氏体钢板、烘烤硬化型的BH钢板等等。全氢罩式退火一般生产软质钢板,生产的低合金结构高强钢(H SI_,A)强度级别和深冲等级均受到限制,不适宜作高强度原板。连续退火既能生产多种深冲等级(女口OQ、DQ、DDQ等)深冲钢板,又能生产强度和深冲均好的深冲高强钢板(其中CQ - HSS强度级别为340M Pa和590M Pa,DQ - HSS强度级别为340M Pa和440M Pa,DDQ - HSS强度级别为340M Pa和440M Pa,BH - HSS强度级别为340M Pa.DP - HSS强度级别为340MPa、440M Pa、590Mpa、780MPa, IRP - HSS强度级别为590M Pa相780M Pa等等)。

    温度均匀性方面,全氢罩式退火以紧卷状态进行处理,热工性能差,在加热和冷却过程中,其两端、内外层和中心的温度存在一定程度的不均匀性。连续退火以带钢状态进行连续处理,传热条件好,带钢温度均匀,同时还可通过炉内张力及纠偏装置控制和改善带钢平直度,板形优良。

4 4灵活性

    全氢罩式退火炉体积小,分批处理,自成系统,炉台数量可随品种和产量变化随时增减,十分灵活。连续退火炉穿带一次要用上千米钢带,改换品种要一定的调整时间和一定量的过度钢带,适合大批量生产,小批量生产不合算。

4 5生产效率

    全氢罩式退火属间歇式生产,为了充分保证带钢性能均匀,生产周期比较长(退火周期一般40~60h),生产效率低。连续退火属连续生产,带钢速度快(退火工艺段一般400m /min左右,最高达800m /min以上),生产周期短(退火周期一般5~lOm神,生产效率很高。

4 6产品开发

    全氢罩式退火为避免钢卷层间粘结,退火温度一般不超过720℃,成卷长时间保温后冷却速度不可能太快,生产产品有相当局限性。而在连续退火中,退火温度处于双相区(q+v),可达850℃,短时间保温后冷却速度自由度大,大大扩大品种范围。但是,连续退火要求冷轧板必须在短时间内再结晶和进行晶粒充分长大,这就需要材质纯净。全氢罩式退火只能生产高强钢中的低合金结构钢(HS-LA),强度级别和深冲等级均受到限制,生产表面质量03级产品尚可,但生产表面质量要求高的05级产品比较困难,不适宜作表面质量要求高钢板。连续退火除能生产深冲等级钢板以外,还能生产多种强度级别和多种深冲等级的高强钢,能满足汽车、家电、建筑等行业对冷轧板的乡种要求,可以生产05级汽车外板,适宜作表面质量要求高的钢板。

4 7实际应用

    全氢罩式退火炉开发早、历史较长、炉型成熟、使用广泛、技术难度稍小,是欧洲国家大多采用的炉

型,国内钢厂冷轧刚起步时大多采用该炉型,最佳退火量一般小于60万t侔。连续退火炉技术难度大、生产人员素质要求高,是日本大多采用的炉型,国内大型钢厂冷轧生产规模、产品档次、经验积累达到一

定时期也开始采用该炉型,最佳退火量一般70~100万t/年。国内宝钢连续退火技术使用最早,实力最强,目前宝钢、鞍钢、本钢、武钢、马钢等大型钢厂都在建设连续退火生产线。

5结语

    全氢罩式退火与普通的罩式退火相比,具有效率高、质量好、能耗低等优势,全氢罩式退火正逐渐取代普通的罩式退火。

    全氢罩式退火和连续退火相比,全氢罩式退火具有生产软质钢板的优势,生产灵活,建设投资少,但在高强度钢板生产上有所欠缺,且属间歇式生产,生产周期长,效率偏低,适合小批量、多品种生产,该退火工艺在小型冷轧厂中十分流行。连续退火既能生产软质钢板又能生产级别较高的高强钢板,产品开发优势明显,且生产连续化,生产周期短,板形好,表面光洁,但投资大,技术复杂,适合大批量、少品种生产,该退火I艺在大型冷轧厂中日益盛行。

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