硅钢退火机组碳套失效行为分析

王守金，肖辉明，司良英，刘利伟，田建辉

（首钢智新迁安电磁材料有限公司，河北 迁安064404）

冷轧硅钢在连续退火炉中需要进行脱碳、 再结晶退火，退火炉内用于带钢运输的炉底辊形式主要有石墨碳套、高温陶瓷辊、高温钢丝刷辊等。其中，石墨碳套与带钢之间的摩擦系数小，其优点在于既耐磨，又具有自润滑性，对硅钢产品表面质量影响较小，目前国内主要的硅钢连续退火炉仍广泛应用石墨碳套作为炉底辊形式[1]。

在硅钢的实际生产过程中，受退火炉炉内气氛、碳套安装形式、炉辊装配精度、带钢表面清洗质量等诸多因素影响，石墨碳套会出现表面结瘤、氧化、内径扩大、外径减小、端部脆断等失效行为，一方面需要组织在线处理或者更换碳套，造成大量能源介质的浪费；另一方面会造成硅钢带钢表面出现硌坑、折痕、异常边浪等质量问题。碳套的质量及使用寿命，一直困扰着国内外硅钢连续退火机组的生产，特别是生产取向硅钢及高牌号无取向硅钢的退火机组，碳套出现失效的概率大大增加。

本文以某硅钢厂连续退火炉为基础，通过对碳套发生失效的原因进行分析，制定改善方法，延长碳套的使用寿命，消除碳套失效带来的产品质量缺陷。

1 碳套的生产工艺流程及技术指标

冷轧硅钢连续退火机组用碳套由于需要满足硅钢成品表面质量控制需求，要求碳套具备良好的耐磨性能、自润滑性、适宜的硬度以及良好的抗氧化腐蚀性能。目前国内外主流的碳套生产工艺流程主要为：石油焦制备、高温煅烧、混捏、成型、一次沥青浸渍、一次高温焙烧、二次沥青浸渍、二次高温焙烧、高温石墨化、机加工、抗氧化处理等[2]。碳套具体工艺流程如图1 所示。

图1 碳套生产工艺流程图

硅钢用碳套，在毛坯制作过程中，需要完成至少三次沥青浸渍、四次高温焙烧过程，通过多次浸渍，确保碳套毛坯孔隙率较小，提高碳套的抗结瘤性能。

国内碳套常用的技术指标见表1。

表1 国内碳套技术指标

2 硅钢连续退火炉炉内气氛状态

2.1 炉内气氛

硅钢连续退火炉分为取向硅钢退火炉和无取向硅钢退火炉，不同硅钢退火炉炉内气氛差异较大。通常炉内保护气成分为H2-N2混合气。取向硅钢炉内H2含量较高，H2浓度为 50%～75%，N2浓度为 25%～50%。无取向硅钢炉内H2含量较低，H2浓度为 0～25%，N2浓度为75%～100%。取向硅钢退火炉炉内露点范围40～75 ℃，无取向硅钢炉内露点相对较低，一般控制在-20～40 ℃。无论是生产取向硅钢用连续退火炉，还是生产无取向硅钢用连续退火炉，整体退火炉炉内气氛均呈现出氧化性气氛，且含有一定量的氢气。而低温渗氮炉线的取向硅钢生产过程中，需要在退火炉炉内通入氨气，来完成取向硅钢后天抑制剂的添加，因此，在取向硅钢生产用连续退火炉炉内特定炉段内除含有H2、N2以外，还含有一定量的NH3。

2.2 炉温

冷轧硅钢在连续退火炉中需要进行脱碳、 再结晶退火，退火炉各炉段炉温存在一定差异，高温区域可达到1 050 ℃以上，低温区域一般在600 ℃左右。取向硅钢生产用连续退火炉最高炉温相对较低，一般最高温在950 ℃左右，而无取向生产用连续退火炉的最高炉温相对较高，最高可达到1 050 ℃以上。

3 硅钢退火机组碳套失效行为及原因分析

3.1 硅钢退火机组常见碳套失效行为

目前硅钢退火机组常见的碳套失效行为包括以下几类：

（1）碳套表面结瘤；

（2）碳套表面氧化；

（3）碳套自由端内径变大；

（4）碳套驱动侧端部脆断；

（5）碳套外径减小。

一般硅钢退火机组内均有100 多根碳套，在日常生产过程中，由于碳套失效导致的机组停机、产品表面质量问题一直是国内各大硅钢生产企业所面临的重大问题，图2～图6 为各类碳套失效形式照片。

图2 碳套表面结瘤实物图

图3 碳套表面氧化实物图

图4 碳套自由端内径变大实物图

图5 碳套驱动侧端部脆断实物图

图6 碳套外径减小实物图

3.2 各类型碳套失效原因分析及应对措施

3.2.1 碳套表面结瘤

从碳套结瘤物的结构来分析，导致碳套表面结瘤的主要原因为：①带钢进入退火炉前表面清洗不彻底，带钢表面留有残余的轧制油以及铁粉，该部分杂质带入退火炉后，脱落至碳套表面，逐渐堆积长大，形成结瘤物；②由于退火炉炉内呈现氧化性气氛，带钢表面产生铁系氧化物，铁系氧化物由带钢表面脱离，黏附在碳套表面，钉扎在碳套表面的微小气孔内，同时由于炉内气氛中含有一定量的氢气，在高温及氢气的作用下，钉扎在碳套气孔内的铁系氧化物会不断经过氧化还原反应，最终形成结瘤物[3]。

通过研究碳套表面结瘤的原因，提高碳套耐结瘤的主要工作应该集中在以下两个方面：①通过提高带钢表面清洗能力，改善带钢表面清洗质量，避免由于带钢清洗不彻底导致的杂质类碳套表面结瘤问题；②由于退火炉炉内气氛受到硅钢热处理工艺需求影响，无法做大幅度调整，因此，通过提高碳套的致密程度来降低碳套的显气孔率是提高碳套自身耐结瘤的一种常规手段。目前国内各碳套生产企业通常是通过提高碳套毛坯的浸渍、 焙烧次数来实现降低碳套显气孔率的目的。

3.2.2 碳套表面氧化

碳套表面氧化的主要特征是，碳套的硬度降低较为明显，碳套表面机加工光亮度破损。结合退火炉炉内气氛及炉温情况分析，该类问题一般发生于退火炉高温、高露点区域，碳套表面的氧化为水氧化特点，主要的氧化反应为：

C+H2O→CO+H2

C+H2O→CO2+H2

由于碳套表面氧化原因为高温、 高露点状态下的化学反应，主要体现了碳套的抗氧化能力，而提高碳套的抗氧化能力主要是通过改善碳套制作过程中的抗氧化试剂成分，优化碳套化学处理后的烧结温度曲线来实现的。

3.2.3 碳套自由端内径变大及驱动侧端部脆断

该类碳套失效行为的主要原因是由于碳套在装配过程中，整体碳套辊的安装精度较差，导致碳套在高速运行过程中，碳套两端受力不均匀，使得碳套自由端内孔位置由于辊芯的磨损导致内径变大，而碳套驱动侧端部由于固定键处的应力集中，在受力不均的情况下长期运行，导致碳套驱动侧端部脆断。

对于此两类碳套失效的改善方向，主要集中在提高整体退火炉炉辊的安装精度以及日常退火机组的设备保全能力等两个方面。

3.2.4 碳套外径减小

关于碳套外径减小问题，目前主要出现在取向硅钢退火机组氨气通入炉段内，该区域碳套由于氨气作用，破坏了碳套的抗氧结构，导致碳套的耐磨性能降低，在带钢高速运行的作用下，造成碳套外径减小。目前国内外主要的碳套生产厂家所生产的碳套均存在此类问题。

针对此类碳套失效形式，由于受到热处理工艺制约，只能通过提高碳套自身耐磨性上面去取得改进。提高碳套耐磨性的方法主要集中在以下两个方向：①提高碳套毛坯生产过程中原料的颗粒度；②通过对碳套抗氧化试剂中成分的调整，增加碳套的耐磨特性。目前，国内某碳套生产企业已成功研发出一种耐磨性能更强的新型碳套，并成功在国内某取向硅钢退火机组氨气通入炉段组织试用，耐磨效果显著。

4 结论

本文通过对硅钢退火机组碳套的厂家失效行为进行收集整理，分析碳套失效原因，并结合碳套失效原因，提出了具体的改进方向。

（1）常见的碳套失效形式有：碳套表面结瘤、碳套表面氧化、碳套自由端内径扩大、驱动侧端部脆断及碳套外径减小等。

（2）导致碳套失效的原因较多，核心主要集中在碳套自身特性、 碳套的装配精度以及带钢的处理过程几大方面。

（3）通过对碳套失效原因分析，制定出相对应的改善对策，提高了碳套的使用寿命，避免碳套失效后带来的产品质量缺陷。