抛丸机对中厚板热处理炉辊面结瘤的影响研究

某轧板厂 2 # 热处理炉是一座氮气保护辐射管加热辊底式炉 , 用于 10～50mm ×1600～2500mm ×2400～16000mm 钢板的淬火、 回火和正火处理 , 加热温度为 500～980 ℃, 温差在 ± 317 ℃ 内 , 主要设备参数见表 1。
生产中时常发生炉底辊辊面结瘤 , 导致厚钢板下表面产生辊印 (较大深度达 1mm) 而需大面积修磨 , 甚至报废 , 尤其在生产某些需调质处理的钢板时更为严重。
2 结瘤成因分析
通过对炉底辊表面及剥离下来的大量结瘤物观察发现 , 炉底辊表面有呈堆积状的氧化铁皮 ,而剥离下来的部分呈层状堆积 , 较厚的结瘤物由约 100 多层氧化铁皮粘结而成 , 厚度达 5mm。
对结瘤物作电子探针分析 , 发现其主要成分为FeO , 占 94183 %。 而岩相检验分析也发现 , 表层主要相为粒状混合的磁铁矿和赤铁矿。 因此按照铁 - 氧系平衡图和钢板表面氧化膜层的结构及高温条件下膜层之间电粒子扩散迁移成长机理[1 - 3 ]可以推断 , 炉底辊表面结瘤的成因 : *先是辊面局部粘附小片氧化铁皮 , 然后随着装炉量增加 , 带入炉内的氧化铁皮增加 , 使辊面氧化铁皮积累叠加 , 并在近乎热熔的柔软状态下发生高温氧化 , 使辊面结瘤逐步增大。 在淬火或正火的高温状态下 , 辊面粘结的层状氧化铁皮在钢板的碾压下 , 一层一层增加 , 而且越来越密实。 此时 , 较厚的钢板在高温下被其自身重量压出辊印。 大量试验表明 , 容易出现辊印的条件是 : 钢板厚在 25mm 以上 , 钢板温度在 930 ℃以上。
由此可见 , 氧化铁皮是辊面结瘤的主因 , 而其来源 , 一是外来氧化铁皮被带入炉内 , 二是炉内产生的氧化铁皮。
211 外来的氧化铁皮
由于 2 # 热处理炉配套的抛丸机组设计不合理 , 钢板下表面的氧化铁皮不能完全抛净 , 也不易被发现。 另外 , 抛丸机原设计的机械清扫和风扫也不尽人意 , 使抛丸后的浮氧化铁皮经磁吸上料不能完全去除 , 从而随着钢板带入热处理炉内。
2.2 炉内的氧化气氛
2 # 热处理炉的加热是通过煤气和助燃空气混合 , 在辐射管内燃烧以辐射方式进行加热的。整座炉子密封性能良好 , 因此炉内氧气的来源只可能是炉门开启时进入的空气或助燃空气中的氧气。 由于炉膛内气氛设计为正压 , 而且炉门开启时会有氮气自动吹扫 , 因此空气从炉门进入的可能性极小 ; 辐射管长期在高温下燃烧 , 其陶瓷内管有可能因质量或使用寿命等原因破碎、 断裂 ,使金属外管受热不均匀产生裂缝甚至断裂 , 或者由于金属外管制造的缺陷等原因而直接烧穿 , 使助燃空气从裂缝或穿孔部位进入炉膛内部而造成氧化气氛。 停炉检查也验证了这一判断。
3 控制与减少辊面结瘤的措施
311 自然降温分段拖炉
在自然降温以进行停炉检查的过程中 , 发现大部分结瘤物已从辊面脱落 , 少量粘附于辊面的结瘤物也已变得疏松。 这是由于炉底辊与结瘤物的材质完全不同 , 二者的物理性能和线膨胀系数不同所致。 因此 , 当辊面结瘤物较厚导致钢板辊印严重时 , 可将炉温自然降至 350～400 ℃, 再用厚钢板 (由卷扬机固定) 在炉内不同区域快速往复拖炉 , 使辊面与厚钢板产生相对滑动而去除辊面结瘤物。 但是 , 由于炉底辊传动电机功率较小 , 无法选用较厚钢板拖炉 , 因此拖炉去结瘤物的效果并不很好 , 事实上 , 较好的拖炉板应是下底面刻有“ 人” 字槽的专用拖炉板 , 这有待于专门加工定做 , 并通过实践进一步检验其应用效果。 另外 , 由于 2 # 热处理炉保温性能非常好 ,炉膛从 800 ℃左右自然降温的速度约为 10 ℃/ h ,而在 400 ℃左右仅为 5 ℃/ h 。 因此为提高降温速度 , 减少降温时间 , 采取了冷钢板连续快速循环进炉的主动降温措施 , 可提高降温速度 1 倍以上 , 大大缩短了降温时间 , 有效地提高了炉子的作业率。
3.2 优化装炉操作
以往的生产表明 , 淬火加热温度 930 ℃以上、 厚度 25mm 以上的钢板在辊面结瘤恶化的状况下装炉易压出辊印 , 而热处理温度较低、 厚度较薄的钢板发生辊印缺陷的倾向较小。 因此 , 每当拖炉消除辊面结瘤后 , 升温淬火优先安排工艺温度高、 规格较厚的品种板装炉。 当辊面结瘤状况逐渐恶化后 , 仍可安排工艺温度较低、 规格较薄的品种钢板 , 由于低温钢板表面强度较高 , 薄规格钢板自重引起的压力也相应较小 , 使辊面结瘤对钢板的下表面质量影响相对较小 , 即先进行950 ℃ 的淬火 , 再进行工艺温度要求为 900 ～950 ℃ 钢的淬火 , 然后降温至 860 ℃进行正火。
同一工艺温度先装较厚钢板 , 再装薄钢板。 当装炉量达 2000t 时 , 降温至 670 ℃进行回火处理 ,再降至 500 ℃进行此回火温度要求的钢板的回火 , 较后降温至 350～400 ℃拖炉。 这种合理的装炉顺序有效地避免或缓解了钢板下表面辊印的产生 , 每批次淬火装炉量能维持在 2000t 以上。
313 在线监控炉内气氛
增设炉内气氛在线监测装置 MW - 1 , 改变了过去由人工定期检测的状况。 当发现炉内氧气含量突破临界值时 , 立即关停 , 进行对比检查并更换破损辐射管。 同时 , 由于该设备将炉膛分为5 个受控区域 , 因而缩小了检查范围 , 提高了排除故障的速度。 当发现氧含量较高但辐射管燃烧正常时 , 可增加入炉氮气流量 , 清洗冲刷炉内气氛 , 降低氧含量。 另外 , 还需定期检查辐射管燃烧质量 , 及时调整空煤比 , 保障辐射管内燃烧均匀 , 避免烧裂、 烧穿辐射管 , 延长辐射管寿命。该监测设备运行 2 年以来效果较好 , 但如何更为迅速准确地检查判断破损辐射管 , 或有效地实施辐射管负压状态下工作[5 ] , 避免燃气空气进入炉膛等 , 还需进一步试验。
3.4 改善抛丸效果
现有钢板抛丸机较高运行速度为 4m/ min ,但以此速度运行时 , 钢板不能完全抛净。 当运行速度降为 2m/ min 时 , 钢板表面单位面积上在单位时间内接受丸粒的打击密度就能增加[3 ] , 抛丸质量有所好转 , 等*可达到 S a210 , 但由于抛丸机设计上的缺陷 , 辊刷和风扫丸粒无法满足低速要求 , 造成大量丸粒随钢板带出 , 只能靠人工清扫来弥补。 另外 , 丸粒的大小与硬度对清理效果也有很大影响。
丸粒颗粒过小则打击力小、 清理效率低 ; 颗粒过大 , 不仅造成钢板表面粗糙 , 而且降低了单位时间内打到钢板表面的丸粒密度 , 清理效果也不理想。 硬度过大则抛丸过程中丸粒易破碎 ; 而硬度过小则丸粒易变形 , 因此 , 丸粒硬度的选择应以比抛丸钢板硬度略高为宜。 为此 , 淘汰了抛丸机原设计使用的钢丝绳切丸 (直径 Φ110 ～Φ114mm , 没 有 硬 度 要 求 ) , 选 用 粒 度 直 径Φ210mm、 硬度为 HRC40～50 的水淬圆形钢丸 ,实用效果很好。
4 结语
采取上述措施后 , 有效地减少了钢板辊印的产生 , 2004 年与 2001 年比较 , 辊印废改量由871t/ a 降 至 76t/ a , 废 品 及 改 轧 率 降 低 了41124 % ; 日 历 作 业 率 由 59150 % 上 升 至85140 % , 提 高 了 25190 % ; 调 质 板 产 量 由20398t/ a 增 加 到 50702t/ a , 增 加 了 148156 % ;装炉 量 由 55190t/ a 增 加 到 97145t/ a , 增 加 了76102 % ; 同时减少了辊印修磨量 , 降低了工人的劳动强度。 但是 , 要彻底解决 2 # 热处理炉的结瘤问题 , 还有待于新型炉底辊和辐射管的研制 , 以及对抛丸机的改造。