冷轧第一章

CA1-4机组培训教材第一章CA1-4机组的任务及工艺原理
1. CA1-4机组的任务及工艺原理
1.1 CA1-4机组任务
CA1-4机组的任务是将冷轧带钢表面清洗干净后通过脱碳及再结晶退火，消除带钢在冷轧过程中产生的应力、促使晶粒长大，并涂覆绝缘层，将钢中碳含量控制到30ppm 以下，以保证磁性能、机械性能满足用户需求。

机组主要功能如下：
1）清洗冷轧带钢表面污垢；
2）消除冷轧带钢内应力；
3）将钢中的碳含量控制到30ppm以下；
4）完成再结晶并使再结晶晶粒长大，最终形成完善、均匀的再结晶晶粒，获得成品所要求的磁性；
5）对带钢表面涂敷绝缘层，使成品获得必要的绝缘性能。

1.2 工艺原理
CA1-4机组首先通过喷洗、刷洗和电解清洗等手段清除带钢表面油污等杂质，然后使带钢通过退火炉进行加热、均热、冷却等工艺控制过程，实现脱碳、消除冷轧产生的应力、再结晶及晶粒长大并在连续退火后的带钢表面涂覆绝缘涂层，以保证磁性能、机械性能和表面质量符合要求。

一般将带钢中的碳含量控制到30ppm以下，退火时通过张力控制使带钢保持平整。

涂层部分在第十一章中有详细叙述。

1.2.1 脱脂
经酸连轧机组轧制后的带钢在退火前先用70~80℃、浓度为3%~5%的碱液除去带钢表面上残余的轧制油等污垢，防止带入炉内破坏炉内保护气氛组分，影响脱碳效率。

油污使带钢表面质量变坏、影响涂层质量，并引起炉底辊结瘤造成带钢表面划伤等表面缺陷。

碱洗后带钢经热水刷洗并吹干。

带钢表面清洗质量与碱液温度、浓度、带钢运行速度等因素有关。

检查带钢表面清洗效果可用干净的白色卫生纸在热风干燥器后的钢板上擦拭，若白纸上有黑色的痕迹，说明碱洗不干净，需要调整工艺参数。

1.2.2 退火
为了尽快地使带钢发生再结晶和晶粒长大，要快速升到规定的退火温度，使晶粒粗
化，改善织构和磁性，因此连续退火炉前段设有一高温加热区（煤气明火加热区），炉温为1100~1250℃，将进入炉中的带钢迅速加热，再通过辐射管加热区、电加热保温区、控冷区（管冷）和氮气循环喷射冷却区（缓冷和快冷）完成退火控制过程。

连续退火炉的入口和出口处都用氮气密封。

退火温度必须在相变点以下，因为相变可产生大小混合晶粒，破坏有利织构组分和减慢脱碳速度，使磁性变坏。

在α相区内，随着退火温度增高和退火时间延长，中低牌号无取向电工钢晶粒尺寸增大，铁损（P1.5/50）降低，而磁感应强度和硬度也降低（如图1.1所示）
（a）（b）
（c）
图1.1 中低牌号无取向电工钢（0.5mm厚）退火工艺与性能的关系
（a）不同退火温度与P1.5/50的关系曲线
（b）不同退火温度下退火时间与P1.5/50的关系曲线
（c）不同退火温度与硬度HV的关系
连续退火机组采用高温短时间退火工艺。

中低牌号电工钢一般采用的退火温度为
750~950℃，晶粒直径为0.02~0.04mm 。

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1.2.3 脱碳
碳在硅钢成品中是有害元素，它能导致晶格畸变，降低磁性且使塑性变坏。

连续退火炉中脱碳主要利用混合保护气体中的水蒸汽降低带钢碳含量，但若水蒸汽含量太多就会使带钢氧化，所以需对炉内气氛露点及分压比进行合理的控制。

露点是指在一定压力下保护气体逐渐冷却，其中的水蒸汽因饱和而开始结露的温度就是该保护气体的露点，简写为DP ，它表示气体中的含水量，露点越低，表示气体中的含水量越少，气体越干燥。

经过加湿后的混合保护气体的露点由加湿温度而定，通入连退炉的混合保护气体有干气和湿气，湿气的水蒸汽也因参与脱碳反应会不断消耗，所以连退炉各处的DP 值是变化的，在实际生产中为了控制DP ，首先要知道相应炉段当时的DP 值。

分压比指炉内保护气体中水蒸汽的分压与氢气的分压之比，即P H 2O /P H 2。

由于在实
际生产过程中，炉内保护气体中各气体组分的分压不易测出，但气体组分的体积比近似等于分压之比，只要测出炉内保护气体中水蒸汽体积百分数及氢气体积百分数即可算出分压比，即：分压比= P H 2O /P H 2= V H 2O /V H 2。

其中V H20可由实际测出的炉内露点值求出，V H 2可通过炉内气体取样分析测出，从而分压比即可求得。

分压比的大小反映了保护气体中水蒸汽和氢气相对体积含量的多少，水蒸汽具有氧化性，氢气具有还原性，因而分压比虽不能说明炉内单位体积保护气体中的水蒸汽含量，但分压比能表示炉内气氛氧化性的强弱，是炉内气氛性能的一个重要参数。

分压比越高，则表明炉内气氛的氧化性越强，越容易引起带钢表面的氧化。

氢气在脱碳过程中的作用为：
（1）氢是间隙原子，可代替碳原子的位置，加快带钢内部的碳原子向带钢表面的扩散速度；
（2）氢可保护硅在富含水蒸汽的气氛中不易被氧化；
（3）硅带钢的氧化主要有两个反应：Fe+H 2O=FeO+H 2；Si+2H 2O=2H 2+SiO 2 。

第一个反应条件为在827℃以上的温度中氢含量为20%，DP>+40℃；第二个反应条件为在827℃以上的纯氢中，DP>-56℃。

由此得出，Si 的氧化比铁容易得多。

根据以上的化学反应式，可以得知氢气的存在及含量多少可保护硅带钢不被氧化。

带钢在退火炉内进行脱碳，20%~60%H 2+80%~40%N 2通过50℃±5℃水温的加湿器
将5%～15%水蒸汽带入炉内，露点控制在+35℃～+45℃。

在这种弱氧化性气氛中利用水蒸汽快速脱碳（如图1.2所示）。

[1]
图1.2 退火温度和时间（a）及加湿器中水温露点（b）与脱碳量的关系（0.5mm厚）
碳在高温下扩散到带钢表面与水蒸汽发生以下反应：
H2O+C CO+H2
=K,K为脱碳反应平衡常数，P CO、P H2和P H20分当反应达到平衡时，(Pco× P H
2)/ P H20
别为CO、H2和H2O的分压。

P H20/P H2比值是由气氛中露点和氢气含量决定的，代表保
/P H2比值控制在0.20～0.28范围内（弱氧化性气氛）。

护气氛的氧化性。

在脱碳情况下，P H
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因为炉内气体流动方向与带钢运行方向相反，很容易将脱碳反应形成的CO气体排至预热/无氧化炉燃烧掉并从烟囱排出，使上述反应式往脱碳反应方向不断进行。

弱氧化性脱碳气氛也使带钢氧化，表面形成的氧化膜有阻碍脱碳的作用，因此必须控制好退火温度、时间和气氛（P H
/P H2比值和露点）这三个因素，使脱碳反应在氧化反
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/P H2比值和露点过高），氧化反应应之前进行。

温度过高、时间过长或水蒸气过多（P H
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先于脱碳反应进行或两个反应同时进行都会影响脱碳效果。

气氛中含一定量的氢气就是为了减轻带钢表面氧化，使带钢表面保持光亮。

影响脱碳的主要因素还有：
(1)相变的影响。

碳在bcc的α－Fe中扩散速率比在fcc的γ－Fe中大256倍，因为前者的原子排列密度小。

在α－Fe相区脱碳更有利。

(2)原始碳含量的影响。

原始碳含量愈高，脱碳速度愈快。

(3)带钢厚度的影响。

带钢越薄，碳向表面扩散越快。

(4)硅和铝含量的影响。

因为硅和铝不形成碳化物，有排斥碳原子的作用。

（Si+Al）含量增高，加速钢中碳的扩散，促进脱碳。

/P H2<0.5，H2含量在10-20%（体积）时，一般认为：在800℃左右的温度下，当P H
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可保护中低牌号无取向电工钢不被氧化。

连续退火炉退火时要控制好炉内张力以保证良好的板形和磁性，并可使横向铁损降低。

在保证良好板形前提下应尽量减低炉内带钢张力，张力过大，铁损明显增高，也易发生断带。

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1.2.4 涂层
涂层段设备位于连续退火炉后部，对连续退火后的带钢表面涂覆绝缘涂层，并完成绝缘涂层的干燥和烧结, 以防止铁芯叠片间发生短路而增大涡流损耗，提高其电磁性能。

每条机组设置两台两辊式涂层机（一用一备）。

涂层烧结的好坏直接影响涂层的质量。

每种涂层都有固定的烧结温度和时间，但在实际生产中，要根据带钢的厚度、宽度及机组的速度对烧结工艺进行设定，并在生产中根据涂层质量进行调整。

参考文献:
[1] 何忠治. 电工钢[M]. 北京：冶金工业出版社，1995.。