冷轧板的退火工艺

冷轧板的退火工艺：连续退火和罩式退火的比较

冷轧产品是钢材中的精品，属高端产品，具有加工精细、技术密集、工艺链长、品种繁多、用途广泛等特点。国际钢铁工业发展实践表明，随着经济社会发展，冷轧产品在钢材消费总量中的比重在不断提高，并发挥着越来越重要的作用。

冷轧后热处理是冷轧生产中的重要工序，冷轧板多为低碳钢，其轧后热处理通常为再结晶退火，冷轧板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。冷轧板的再结晶退火在退火炉中进行，冷轧板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。冷轧板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[10]。退火工艺流程如图2.1所示：

图2.1 退火工艺流程示意图

表2.4 某钢厂罩式退火炉工艺参数

图2.3 典型的罩式炉退火工艺温度曲线图

罩式退火工艺

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(即内罩)，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，2O世纪7O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，7O年代末奥地利EBNER公司开发出HICON／H 炉(强对流全氢退火炉)，8O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2O多个国家和地区。9O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、导热系数大、还原能力强的优势；采用气--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[11 12]。

全氢罩式退火炉与普通罩式退火炉的比较

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％一60％。而且在大量生产情况下，可以做到钢卷外部无过热。

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℃时，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℃时，强烈的还原性氢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。

燃料消耗量低。全氢罩式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，其节能的电费就可弥补氢气费用。保护气体消耗量低。全氧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。氮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。

连续退火

1）连续退火工艺

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最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。进入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lh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—CAPL(日本新日铁)、KM—CAL(日本川崎制铁)、NKK—CAL(日本钢管)、CRM—HOWAQ(比利时)。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[13]。

2）连续退火技术的发展

（1）一次冷却技术

一次冷却技术最为关键，其优劣直接影响产品机械性能，退火周期及机组所适应的品种。各种一次冷却技术发展情况如下：(1)气体喷射冷却(GJC):由新日铁70年代开发，采用喷射循环保护气体进行冷却，冷却速度慢，约5—3O℃／s，使过时效时间变长。(2)冷水淬冷却(WQ):由日本钢管开发，将炉内带钢由700～850℃冷却到560℃，再水淬冷却至65℃左右，冷却速度为500—2000℃／s，为去除带钢表面氧化膜，带钢要经酸洗、中和、漂洗、烘干，再重新加热过时效或回火。由于冷却速度极快，仅1min过时效就能析出过饱和固溶碳，生产深冲板。另外钢中加入适量舍金元素，能经水淬一次冷却形成双相钢、BH钢等。这种方法冷却速度过快，冷却终点温度难以控制，并且能耗高。（3)辊式冷却:日本钢管1982年研制成功这种技术，并用于神户制钢的连续退火机组上。辊式冷却是使带钢与内部通水冷却的辊子接触，通过热传导对带钢冷却，冷却速度为100～300℃

／ｓ，改变带钢与水冷辊的接触时问可调节冷却速度。这种方法冷却速度快，并可准确控制冷却终点温度，但冷却均匀性差，冷却辊工作条件恶劣，寿命低。日本钢管还开发了水淬和辊冷联合冷却(WQ+RC)技术，兼有2种冷却的特点。(4)高速气体喷射冷却(HGJC，H—GJC): HGJC是由川崎制铁与三菱重工共同开发，采用窄缝喷嘴向带钢两面喷射气体，调节风机出口的阀板改变冷却速度，冷却装置分成多个区段，以使带钢宽度方向冷却均匀。喷嘴喷射的气体中含氢，这能增加导热性，从而可加速一次冷却，冷却速度可达1O--100℃／s。HGJC技术与日本钢管的RQ（辊冷）技术结合可以扩大冷却速度范围达50--150℃／s，板形与表面质量比单独RQ要好。新日铁1987年成功地在八幡厂№2机组上使用了H—GJC技术，其与HGJC不同之处是采用圆柱状喷嘴及挡板，可有效地减轻气体回流，保证带钢宽度方向的均匀冷却，所需电机功率小。(5)气水双相冷却(ACC):这是新日铁开发的口琴式气流雾化水冷却喷嘴，并采用了参照模式白适应控制法及卡尔曼过滤法的控制系统．能精确控制冷却终点温度4OO±5℃及冷却速度。ACC的喷嘴有气体侧向喷射窄槽，带宽方向冷却均匀，改变供水流量来调节冷却能力，可保持不同厚度带钢有同一冷却速度。一次冷却起始温度700℃，气水比>0．13Nm3／1，ACC需要后续表面处理。(6)热水淬冷却(HOWAC):是新日铁与比利时考柯尔桑布尔钢铁公司联合开发的冷却技术，通过沉没辊的上下移动，使一次冷却的终点温度控制十分简单，并在热水淬系统后设有水雾冷却(一步冷却)用于生产高强度板或镀锡原板，采用HOWAC需要后续表面处理。

各种一次冷却技术特点比较见表2.5：

表2.5 一次冷却技术特性比较

（2）过时效及回火技术

带钢经一次冷却后要经过时效处理，过时效温度控制有3种，多数炉子为400℃等温时效；也有斜坡时效，即逐步降温时效，以加快固溶碳的析出；还有一种为先等温再斜坡过时效。过时效的时间与一次冷却速度有关，一次冷却速度愈快，过时效时间愈短。根据一次冷却速度不同，过时效时间约需1．5～5min。当生产高强度钢板时，一次快冷后，则采用300℃回火l～2．5min。

（3）张力及板温控制技术

80年代中期以来，新建连续退火机组趋向高速高产，开发出一系列张力及板温控制技术，也称高速通板技术。新日铁开发采用的技术有：炉子段高精度张力控制器，炉后设分段张紧辊装置，设中心位置控制器，一次冷却段横向冷却模型控制系统，炉子段张力监测控制系统，炉辊自动速度调节系统，低惯性高响应张力调节系统，以及在过时效段后设置张力辊等等[14]。

日本钢管采用如下技术：交流矢量控制晶体管变换器，多重反射式温度计和动态板温控制模型；

川崎制铁开发的技术如下：高功能矢量变换器和低惯性高响应装置，可使张力精度达±98N，利用有限元瓢曲模拟模型设计辊子形状以防止宽带钢瓢曲。

2.2.3 全氢罩式退火炉和连续退火炉的比较

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。

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。

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、HSLA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、HSLA、HSS等，生产厚规格(大于2．5mm)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>0．25)、高伸长率(8>50％)和非时效性(AI=0)。用连续退火生产出的IF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(IF)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。国外(日本等)IF钢的退火主要采用连续退火工艺，国内 F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IF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IF钢优势大。对于汽车上的难冲件，用IF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(HSLA)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

(如CQ、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340MPa和590MPa，DQ—HSS强度级别为340MPa和440MPa，DDQ—HSS强度级别为340MPa和440MPa，BH—HSS强度级别为340MPa，DP—HSS强度级别为340MPa、440MPa、590Mpa、780MPa，TRIP—HSS强度级别为590MPa和780MPa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）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。

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40～6Oh)，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40Ore／rain左右，最高达80Ore／rain以上)。生产周期短(退火周期一般5～lOmin)，生产效率很高。

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72O℃，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(α+γ)，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O3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多种要求，可以生产05级汽车外板，适宜作表面质量要求高的钢板[10,15]。

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，该退火工艺在大型冷轧厂中日益盛行。全氢罩式退火和连续退火均为先进的退火工艺。今后相

当长一段时期内全氢罩式退火和连续退火将同时并存，两种退火工艺优势互补。目前退火工艺的研究情况

罩式退火炉工艺流程和连续退火机组工艺流程，从冷轧生产工艺流程可知，退火是冷轧轧后处理的一个主要工序，60％以上的产品需经过该工序的处理。冷轧板退火的作用是消除钢板在冷轧过程中造成的内应力和加工硬化，使板卷具有产品标准所要求的力学性能、工艺性能和显微组织结构，并可根据钢种和性能的要求进行其它相应的热处理，改善钢材的性能，以利于钢材的加工和使用[16-18]。1）罩式退火工艺的研究

罩式退火技术用于生产冷轧钢板己有多年的历史，其保护气体主要是95%左

右的N

2和5%左右的H

2

。七十年代末由EBNER和LOI公司分别开发的以100%H

2

为保护

气体的全氢强对流罩式炉应用于板材生产给罩式退火技术带来一次革命。氢气的传热导率比传统保护气体高7倍，氢气密度是氮气的1/14，当氢气作为保护气体在炉内流动时，其阻力要比氮气小的多。这样全氢保护气体在同样马达功率与风机叶轮直径下具有较高的流动速度和传热速度。这导致在实际退火过程中，全氢退火的加热速度和冷却速度要比混氢退火提高50%;同时可使钢卷内部和外部的温度分布和实物质量更均匀。另外氢气具有强还原性，用氢气作保护气体可保证钢卷不补氧化，并有助于提高钢板表面的清洁度。罩式退火过程中整个钢卷的温度分布是不均匀的，各点的热历史是不相同的，因而使钢卷的最冷点温度达到要求的退火温度并保温足够的时间，是保证整卷钢性能合格、稳定的必要条件。

罩式退火炉工艺流程：轧后库冷硬卷--运卷过跨车翻卷--钢卷装在炉台上放置中间对流板--扣上内罩--夹紧内罩法兰--内罩通人氮气做冷态密封试验--试验合格后以大流量氮气吹扫内罩空气--检查关闭的氢气阀的气密性--扣加热罩--开始向内罩通人氢气--用空气对加热罩燃烧室进行吹扫--按选定的退火程序对钢卷加热--热态密封试验--保温结束移开加热罩--将冷却罩置于内罩上冷却钢卷至160 内罩空间用氮气吹扫--吊走冷却罩、内罩--钢卷运到最终冷却台--冷却至平整温度--炉台准备下一次退火。

2）连续退火工艺的研究

连续退火处理机组(简称为CAPL机组)用连续退火炉代替罩式退火炉，可缩短冷轧后钢卷的电解清洗、罩式退火、平整、检查、精整各工序周期。日木钢管福山厂No.1CAL于1971年8月投产，是世界上第一条连续退火线。新日铁群津厂No.1CAL于1972年10月投产，这两条生产线采用过时效技术生产出深冲级冷轧钢板，从而开创了用连续退火工艺生产冷轧板板带的历史。连续退火技术的特点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。

连续退火机组工艺流程：轧后冷硬卷--人口运输机(卷径、宽度测量及拆捆)--开卷机--夹送辊--直头机--夹送辊--入口剪--焊机(切月牙和冲孔)--清洗段(碱洗、刷洗、电解清洗、刷洗和漂洗)--人口活套--退火炉(预热、加热、均热、缓冷、快冷、过时效、最终冷却、水淬等)--中间活套--平整机及拉矫机--出口活套--切边剪(去毛刺机)--检查台--静电涂油机--滚筒剪--卷取机--出口运输机(称重及打捆)[19-22]。

3）两种退火工艺曲线示意图

罩式退火工艺曲线连续退火工艺曲线

图2.4 两种退火方式的退火工艺曲线