爐輥

退火鋼板的表面必須沒(méi)有劃痕、污點(diǎn)或輕微傷痕。同時(shí)，在冷熱加工工藝中得到的鋼板原始表面質(zhì)量，也必須在退火中得到維持。為了提高連續(xù)退火鋼板的表面質(zhì)量，提高傳送鋼板的爐輥表面狀態(tài)***關(guān)重要。
　　上世紀(jì)70年代，日本鋼鐵公司開始對(duì)連續(xù)退火爐輥表面實(shí)施熱噴涂處理；80年代中期，幾乎日本所有的現(xiàn)代連續(xù)退火線都使用了噴涂涂層。由于這種方法具有極高的性價(jià)比，在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛使用。
　　近年來(lái)，為了提高連續(xù)退火生產(chǎn)線的生產(chǎn)率和適應(yīng)多品種鋼板的生產(chǎn)，爐輥表面熱噴涂涂層必須能夠承受更高的退火溫度、更高錳含量和更高強(qiáng)度的鋼板，以滿足現(xiàn)代高品質(zhì)、高效生產(chǎn)的要求。
　　2爐輥熱噴涂涂層主要失效形式

2．1涂層表面積瘤
　　爐輥表面積瘤如圖l所示，即爐輥表面粘附金屬或化合物形成的較大顆粒，表面積瘤是爐輥涂層失效的***主要形式，其失效原因很復(fù)雜，與爐輥涂層材料成分及連退生產(chǎn)線工況環(huán)境有很大關(guān)聯(lián)性。其產(chǎn)生的主要原因有：①爐輥表面微粒的界面氧化，氧化部位附著氧化物、金屬粉；②爐輥表面高溫硬度下降，產(chǎn)生劃痕并氧化，或附著金屬粉；③爐輥表面和鋼板表面的氧化物發(fā)生化合反應(yīng)；④爐輥表面局部被鋼板滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱灼傷；⑤還原氣氛下氧化物的還原和活化。
　　可見(jiàn)，氧化物和金屬粉是引起積瘤的主要原因。大量的文獻(xiàn)資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也表明，錳氧化物和鐵氧化物等對(duì)爐輥涂層積瘤失效影響非常大。
　　2．2涂層脫落失效
　　爐輥表面熱噴涂涂層的脫落(圖2)通常表現(xiàn)為以下三種形式。
　　(1)爐輥涂層表面積瘤物的脫落。當(dāng)表面積瘤物為很小的幾微米，且脫落速度很慢時(shí)，這種脫落現(xiàn)象會(huì)減輕積瘤形成，故能夠減少退火鋼板表面印痕，保證鋼板表面質(zhì)量，連續(xù)退火爐輥表面自清理涂層(5．5BN／Ni一14Cr-8Fe-3．5A1)的應(yīng)用原理即基于此。反之，當(dāng)表面積瘤物面積較大，或者脫落速度較快時(shí)，則會(huì)加重積瘤形成和造成鋼板表面缺陷。
　　(2)爐輥涂層熱震脫落。很多爐輥表面涂層不容易發(fā)生化合反應(yīng)而形成積瘤物，其具有足夠的抗堆積性能。但往往因其熱性能(尤其是熱膨脹系數(shù))或機(jī)械物理性質(zhì)與爐輥的材質(zhì)差別很大，實(shí)際工作溫度變化時(shí)匹配性較差，在涂層／輥基材結(jié)合處產(chǎn)生剪切應(yīng)力，這種應(yīng)力因涂層在爐內(nèi)高溫下承受表面載荷時(shí)晶體結(jié)構(gòu)的改變(發(fā)生相變)或涂層蠕變，會(huì)造成涂層熱震，開裂脫落。當(dāng)然，如涂層制備選擇的手段不當(dāng)或工藝參數(shù)欠妥，也容易引起涂層剝落現(xiàn)象。
　　(3)爐輥涂層穩(wěn)定性差，導(dǎo)致涂層脆化脫落。涂層材料穩(wěn)定性差，一方面指涂層材料的化學(xué)穩(wěn)定性不夠，工況條件下涂層材料會(huì)與外來(lái)物質(zhì)發(fā)生化合反應(yīng)。這不僅會(huì)改變涂層自身原有屬性，而且可能還會(huì)形成新的化學(xué)生成相，進(jìn)而使得涂層原有性能削弱或消失。如NiC-Cr3C2涂層在較高溫度下由于脫碳Cr3C2會(huì)向脆性的Cr7C3或Cr23C6相轉(zhuǎn)變。同時(shí)，鉻和碳化鉻生成的致密氧化鉻Cr2O3會(huì)向不穩(wěn)定的C內(nèi)，相轉(zhuǎn)變；故高溫下涂層會(huì)產(chǎn)生膨脹，而溫度下降時(shí)的壓應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致涂層脫落。另一方面是涂層材料的物理穩(wěn)定性不夠，在實(shí)際工況條件(溫度、載荷、觸媒物質(zhì))發(fā)生波動(dòng)時(shí)，涂層材料的物理或機(jī)械性能會(huì)隨之改變，也會(huì)造成涂層性能惡化。例如對(duì)于ZrO2-8Y2O3涂層，當(dāng)溫度出現(xiàn)大的波動(dòng)時(shí)，ZrO2會(huì)由立方相向斜方相轉(zhuǎn)變，引起體積膨脹，溫變時(shí)導(dǎo)致涂層開裂脫落；此外，當(dāng)存在氧化錳和氧化鐵物質(zhì)時(shí)，也會(huì)促進(jìn)ZrO2由立方相向斜方相轉(zhuǎn)變，引起體積膨脹，導(dǎo)致涂層開裂脫落。
　　2．3涂層摩擦磨損失效
　　在現(xiàn)代連續(xù)退火生產(chǎn)線上，尤其是高溫段，爐輥表面熱噴涂涂層還需要有很高的抗磨損抗劃傷特性。因?yàn)樵诠r條件下，爐輥鋼材會(huì)因高溫而被軟化，并在表面生成氧化鐵鱗，加之爐輥基材此時(shí)的高溫硬度也顯著降低，故當(dāng)高溫鋼制品在爐輥上運(yùn)動(dòng)甚***輕微滑動(dòng)時(shí)，鋼鐵制品與輥?zhàn)又g的摩擦磨損率增大，不僅非常容易發(fā)生高溫粘著磨損，也非常容易產(chǎn)生劃痕和劃傷。爐輥的磨損和劃傷也是導(dǎo)致涂層材料積瘤失效的重要誘因之一。
　　3爐輥熱噴涂涂層材質(zhì)
　　大量的研究和實(shí)踐表明，爐輥表面熱噴涂涂層尚難完全同時(shí)解決前述的失效問(wèn)題，在連續(xù)退火高溫段更是難以解決涂層失效問(wèn)題。為了能夠盡量滿足爐輥的綜合性能要求，熱噴涂工作涂層設(shè)計(jì)與材料選擇就成為爐輥表面涂層的關(guān)鍵技術(shù)。

3．1 涂層設(shè)計(jì)
　　爐輥表面工作涂層基本能夠解決連續(xù)退火生產(chǎn)中的抗積瘤失效與磨損失效問(wèn)題。然而，為了能夠同時(shí)解決爐輥涂層的脫落失效，必須對(duì)涂層進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而形成物理性能和機(jī)械性質(zhì)均勻梯度過(guò)渡的涂層系統(tǒng)。通常爐輥涂層設(shè)計(jì)的基本體系形式為：爐輥基材／合金過(guò)渡層／金屬陶瓷過(guò)渡層／金屬陶瓷工作層。
　　一般情況下，合金過(guò)渡層與金屬陶瓷過(guò)渡層材料組分與金屬陶瓷工作層材料組分相同，僅僅是合金組分比例增多，陶瓷組分比例減少。
　　3．2涂層材質(zhì)
　　如表1所示，爐輥表面工作涂層使用的材料主要有三大類。其一為純陶瓷類材料，該類材料具有很好的抗積瘤性能，但因其熱膨脹系數(shù)與輥材相差太大，故抗熱震脫落性不好，必須進(jìn)行嚴(yán)格的涂層設(shè)計(jì)與使用工況條件的界定，事實(shí)上可供選擇的品種較為有限；其二為金屬類材料，抗熱震脫落性好但抗積瘤性不佳，此類材料目前主要應(yīng)用于具有內(nèi)部冷卻裝置的爐輥表面涂層，極少應(yīng)用于高溫工況條件；其三為金屬陶瓷類材料，因其熱膨脹系數(shù)相對(duì)于輥基材可以進(jìn)行調(diào)整，故抗熱震脫落性能較好，盡管涂層抗積瘤性可能略遜于陶瓷涂層材料，但通過(guò)合理調(diào)整化學(xué)成分以及組分比重，可以達(dá)到控制積瘤形成的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到減緩反應(yīng)速率的目的，確保在滿足使用性能的條件下延長(zhǎng)爐輥涂層使用壽命。其中，McrAlY超合金材料基本能夠滿足高溫、高氧化等惡劣工況條件，能夠保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作并具有綜合性能的保護(hù)涂層材料。而在其中混合或復(fù)合以一定比例的陶瓷粉體，將會(huì)進(jìn)一步提高涂層的抗高溫、抗氧化和抗腐蝕等能力。
　　3．2．1氧化物系列
　　(1)添加Al203陶瓷。McrAlY超合金中添加l0％Al203涂層材料LCO—17(為普萊可斯公司
　　保密材料配方，并只能配合普萊可斯壟斷的爆炸噴涂技術(shù)進(jìn)行噴涂)是***早(1970年代)使用的爐輥涂層材料，因在當(dāng)時(shí)使用效果良好而被大量使用，對(duì)現(xiàn)代爐輥涂層材料發(fā)展起到很大的推動(dòng)作用。但隨連續(xù)退火技術(shù)發(fā)展，LCO-17越來(lái)越難以滿足實(shí)際生產(chǎn)使用要求。因此，很多新型爐輥涂層材料，都以其為基礎(chǔ)體系進(jìn)行改良，如普萊可斯的LcO-56、托卡洛的TSl037中的氧化物Al203達(dá)到30％左右，使得爐輥涂層能夠適應(yīng)更高溫度、抗積瘤等使用要求。甚***將McrAlY超合金中Al203的添加量達(dá)到50％以上，以提高和增強(qiáng)爐輥涂層的使用性能和使用壽命。
　　此外，當(dāng)鋼板材質(zhì)中含錳量較高或鋼板材質(zhì)強(qiáng)度較大時(shí)，使用該類材料會(huì)顯著降低爐輥涂層的使用壽命，特別是低Al203含量的Lc0一17涂層。這是由于粉體中的Al203容易與Mn發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生MnAl203積瘤缺陷。
　　(2)添加Cr2O3陶瓷。盡管在McrAlY超合金中添加Al203有較好的耐積瘤性能，但其耐磨性略差。因此，有制造廠商采用Cr2O3陶瓷粉體。在McrAlY超合金中添加Cr2O3陶瓷可以提高爐輥涂層的硬度、結(jié)合強(qiáng)度和耐磨性能以及抗高溫性能，但爐輥涂層的抗積瘤性和抗錳性略差，容易生成Mn1.5Cr1.5O4化合積瘤而導(dǎo)致失效。
　　(3)添加混合氧化物陶瓷。鑒于單獨(dú)添加某種氧化物陶瓷的不足，往往還在McrAlY超合金中同時(shí)添加兩種或兩種以上的氧化物陶瓷，例如在McrAlY超合金中混合添加Cr203與A12O3陶瓷，或在McrAlY超合金中混合添加Al203與MgO陶瓷。
　　***新實(shí)踐和研究表明，添加復(fù)合氧化物體系陶瓷具有更好的抗積瘤、抗氧化、抗錳性等優(yōu)良性能，可作為高溫鋼、高強(qiáng)鋼、高錳鋼的連續(xù)退火用爐輥涂層，效果良好。
　　3．2．2硼化物和碳化物系列
　　鑒于A12O3類陶瓷容易產(chǎn)生積瘤的缺點(diǎn)，硼化物陶瓷因其較Al203陶瓷具有更高的抗高溫性能以及與錳、氧的化學(xué)反應(yīng)惰性而得以發(fā)展。如在McrAlY超合金中配合以crB2、TiB、zrB2等硼化物陶瓷，含量一般在5％～50％范圍。由于在使用中還必須考慮涂層材料的熱物理性能及機(jī)械性能等因素，僅僅單獨(dú)使用硼化物陶瓷也不完善，故通常與其他氧化物類、硼化物類陶瓷配合使用。
　　MCrAlY一碳化物(TiC、NbC、Tac等)爐輥涂層材料。由于碳化物陶瓷在高溫下可能會(huì)發(fā)生脫碳現(xiàn)象，削弱其增強(qiáng)效果，所以很少單獨(dú)進(jìn)行添加處理，通常會(huì)與其他的氧化物類、硼化物類陶瓷配合使用。
　　3．2．3硼(碳)化物+氧化物系列
　　目前，McrAlY超合金中混合添加10％～30％的CrB2和Y2O3陶瓷也是一種常用的涂層材料。該高溫爐輥涂層材料中，當(dāng)CrB2和Y2O3陶瓷的含量為10％～20％時(shí)，爐輥涂層的抗積瘤、抗錳性略差；當(dāng)CrB2和Y2O3陶瓷的含量提高到20％一30％時(shí)，爐輥涂層的抗積瘤與抗錳性則會(huì)有一定的提高。
　　有研究表明，當(dāng)粉體材料中同時(shí)含有硼化物與碳化物，以及稀土氧化物時(shí)，爐輥涂層能較好的適用于高錳鋼和高強(qiáng)鋼連續(xù)退火生產(chǎn)。
　　此外，也有純粹使用硼化物與氧化物陶瓷作為連退爐輥涂層的。
　　3．3 制造廠及其使用的涂層材料
　　由于爐輥涂層通常為金屬陶瓷類和陶瓷類材料，故其粉粒熔化區(qū)間相對(duì)較高。而等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速火焰噴涂是三個(gè)優(yōu)選工藝。表2為三種爐輥涂層工藝對(duì)比。
　　由于爐輥涂層工藝的不同，由此也分化出爐輥涂層三大主要流派制造技術(shù)美國(guó)普萊可斯公司的爆炸噴涂技術(shù)、日本托卡洛株式會(huì)社的等離子噴涂與超音速噴涂技術(shù)以及日本日鐵哈德株式會(huì)社的超音速噴涂技術(shù)，其制造的熱噴涂涂層爐輥目前在世界各大鋼鐵企業(yè)均已廣泛應(yīng)用。普萊可斯公司于60年代發(fā)明爆炸噴涂技術(shù)，并于70年代***早使用爆炸噴涂制備爐輥表面涂層，并始終保持先進(jìn)水平。普萊可斯公司一直對(duì)其技術(shù)、設(shè)備、噴涂熱噴涂粉末進(jìn)行保密封鎖，只進(jìn)行來(lái)料加工；甚***當(dāng)有其他廠家的爆炸噴涂接近其現(xiàn)有技術(shù)時(shí)，則會(huì)立即對(duì)其收購(gòu)?fù)滩ⅲ源_保普萊可斯爆炸噴涂的壟斷地位。但需要特別指出的還有：其一，鑒于爆炸噴涂是集設(shè)備、工藝、噴涂熱噴涂粉末為一體的復(fù)雜綜合的系統(tǒng)技術(shù)，因此其他廠商仿制的爆炸噴涂技術(shù)制作的爐輥涂層遠(yuǎn)遜于普萊可斯公司；其二，由于爆炸噴涂是斷續(xù)斑狀噴涂，因此表面涂層遍布凹坑，經(jīng)研磨拋光也難以去除，故無(wú)法制造特殊需要的爐輥輥型涂層，并且非常容易在鋼板表面上形成“POPMARK”缺陷。
　　為避免普萊可斯公司爆炸噴涂的弱點(diǎn)，日本托卡洛株式會(huì)社采用具有高火焰溫度的等離子噴涂技術(shù)，配合以自主研發(fā)的McrAlY基金屬陶瓷混合熱噴涂粉末、以及獨(dú)有的低溫表面封孔技術(shù)，所制造的爐輥表面涂層在眾多鋼鐵公司有著良好的應(yīng)用實(shí)績(jī)，而被用戶廣為接受。
　　日本托卡洛和日鐵哈德株式會(huì)社的超音速噴涂技術(shù)，則是充分利用該技術(shù)高的熱噴涂粉末噴涂速度以及噴涂涂層具有壓應(yīng)力的顯著特點(diǎn)，并配合以MCrAlY基金屬和陶瓷團(tuán)聚燒結(jié)熱噴涂粉末或經(jīng)過(guò)特殊處理的金屬陶瓷熱噴涂粉末，得到了綜合性能良好的爐輥表面熱噴涂涂層。