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1、爐輥結(jié)瘤形成的原因
從積瘤形成的機理上來分，將結(jié)瘤分為兩大類：粘附型和反應(yīng)型結(jié)瘤。
粘附型：指異物落在輥面上，如爐內(nèi)的耐火纖維顆粒等受帶鋼與爐輥的擠壓后粘附在輥面。粘附物一般是可以通過修磨手段去除的。
反應(yīng)型結(jié)瘤：退火爐內(nèi)是氮氫保護氣體，具有還原性，鋼板表面殘留的氧化物在爐內(nèi)氣氛下還原成Fe、Mn等元素，而這些元素與爐輥材料（多為耐熱不銹鋼）具有很強的親和性、互溶性，容易粘附在輥面上并與爐輥的機體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成難以去除的結(jié)瘤。此外隨著爐輥工作溫度的升高，爐輥與鋼帶之間的滑動也促進結(jié)瘤的生成。

隨著爐輥的不斷使用，這些結(jié)瘤物在輥面會越長越大，凸起高度可以達到0.5mm,對帶鋼表面產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷。

2、傳統(tǒng)的爐輥噴涂材料及其失效原因分析
目前常用的典型爐輥噴涂材料主要有以下3類，見表1
表1 常用的種噴涂材料
序號 主要成分 噴涂方法
1 Al2O3 CoCrAlYTa 爆炸
2 CoCrAl-Al2O3-Cr2O3 等離子
3 CoCrAlY-CrB2陶瓷粉末 超音速

第1類的爆炸噴涂是一種新興的噴涂方法，這種噴涂方法涂層空隙小，與每材的結(jié)合強度高，但是爆炸噴涂的效率較低，一般爆炸頻率不超過4～10次/s，這會在輥面造成明顯的條紋痕跡，這種噴涂層的爐輥只能用于生產(chǎn)普通的冷軋帶鋼，如CQ鋼種，在表面質(zhì)量要求不高的情況下使用，爆炸噴涂爐輥用于家電及汽車用鋼板生產(chǎn)時，輥面的條紋會復(fù)制到帶鋼表面，無法滿足高質(zhì)量的帶鋼生產(chǎn)，該缺陷稱為“Pop-Mark”.
第2類噴涂材料是一種比較古老的噴涂層，早在20年前就開始應(yīng)用，耐熱溫度相對比較低，一般只適用于爐溫800℃以下的工況。隨著退火爐溫度的不斷提高以及高強鋼的生產(chǎn)，使用這種材料噴涂后爐輥一般在1個月左右就發(fā)生結(jié)瘤現(xiàn)象。因此該噴涂材料也逐漸被陶汰。
第3類噴涂材料是近幾年流行的爐輥噴涂材料，但是這種噴涂方法涂層空隙比較大，噴涂后表面未做任何處理，一般使用2～3個月后輥面出現(xiàn)結(jié)瘤。結(jié)瘤主要成分為Fe、Mn等，并且難以手工清除去掉。由于CrB2的熔點比較低，一般在800℃左右會分解，并形成游離態(tài)的硼，這些硼隨著帶鋼行走會粘附在后面低溫段的爐輥表面，在退火爐低溫段（450～650℃）時，硼與輥面的錳、鐵等結(jié)合，并凝固形面Mn-Fe-B的化合物，該化合物牢固地粘附在輥面即為結(jié)瘤。總之，這種噴涂材料可以應(yīng)用在高溫段爐輥，也有較好的抗結(jié)瘤性，但是帶來的負(fù)面效應(yīng)是造成低溫段爐輥結(jié)瘤嚴(yán)重。
3、新型抗結(jié)瘤噴涂材料的開發(fā)
針對傳統(tǒng)的噴涂材料的失效原因，通過大量對比試驗和現(xiàn)場實際效果，開發(fā)出了新一代的爐輥噴涂材料并通過相應(yīng)的噴涂層后處理制備方法，使這一新型材料以抗鐵、錳結(jié)瘤為主要特征，并有較好的耐高溫性、抗氧化性，不僅能用于退火爐高溫段（爐溫850～1000℃），還特別適用于冷卻段（爐溫450～650℃）
3.1、新型抗結(jié)瘤噴涂材料的主要成分及制備方法
（1）該噴涂材料涂層化學(xué)成分體系為CoCrAlY-ZrB2，其成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）CoCrAlY的含量在80%～85%，ZrB2的含量在15～20%。
（2）噴涂方法采用超音速（HVOF）方法，涂層厚度在0.04～0.08mm。
（3）為了提高抗鐵、錳結(jié)瘤性能，在輥面噴涂完后表面實施封孔處理。封孔劑為鉻酸或鉻氨酸。將該溶液均勻地涂在噴涂完的輥面上，然后在500～600℃的爐內(nèi)燒制5～7小時。
封孔后的涂層比較致密。為了進一步提高抗高溫氧化能力及硬度，進行高溫?zé)疲丛诜饪滋幚砗髮t溫繼續(xù)提高到900～1000℃，連續(xù)燒制30～35h。這種噴涂材料加上封孔及高溫?zé)铺幚?，可以較好地消除爐輥表面的結(jié)瘤。
3.2、新型噴涂材料抗結(jié)瘤機理分析
涂層材料成分組為：CoCrAlY-(ZrB2陶瓷)，其中Co具有較好的搞高溫性，Y的氧化物可以提高噴涂層自身的結(jié)合強度，Cr的氧化物可以提高抗氧化性。Al的氧化物不僅可以提高抗氧化性還可以提高噴涂層的硬度。B元素的添加，可以提高抗結(jié)瘤性能，但一般的涂層都采用CrB2。本材料添加適量ZrB2而不使用傳統(tǒng)的CrB2，主要基于如下原因：
（1）如涂層中含有CrB2，側(cè)CrB2硬度相對偏低。更為重要的是CrB2的穩(wěn)定性略差，非常容易氧化分解為Cr2O3，進而容易化合生成Mn1.5Cr1.5o4積瘤物。此種化合積瘤物不僅損傷涂層性能，且難以手工清代除去掉，容易造成鋼板缺陷。
（2）CrB2的熔點比較低，一般在800℃左右會分解，并形成游離態(tài)的硼，這些硼隨著帶鋼行走會粘附在后面低溫段的爐輥表面，在低溫450～650℃時，硼與爐輥表面的錳、鐵等結(jié)合，并凝固形成Mn-Fe-B-O的化合物，該化合物牢固的黏附在輥面即為結(jié)瘤。
（3）涂層化學(xué)穩(wěn)定性分析，涂層中材料組分的化學(xué)穩(wěn)定性，為涂層是否容易產(chǎn)生化學(xué)積瘤的主要原因。
但更為重要的是，大量的實踐和理論分析均表明，Cr2O3非常容易與Mn元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Mn1.5Cr1.5o4積瘤物。而對于ZrB2而言，即使其氧化生成ZrO2，ZrO2也難與Fe、Mn元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這也是新型噴涂層耐Fe、Mn積瘤能力好的主要原因。
3.3新型噴涂材料表面制備工藝
3.3.1表面封孔處理
由于熱噴涂自身工藝決定，噴涂完后的皮膜內(nèi)部總會有少量的空隙存在，這樣的輥面與帶鋼表面接觸，帶鋼上的Fe、Mn等粉末很容易嵌入噴涂層的空隙里。然后慢慢聚集，形成難以去除的氧化物，造成結(jié)瘤。為了提高抗鐵、錳結(jié)瘤性能，本發(fā)明表面實施封孔處理。封孔濟為鉻酸CrO3或鉻氨酸(NH4)2CrO4或重鉻氨酸(NH4)2Cr2O7溶液的一種。將該溶液均勻涂在噴涂完的輥面上，然后在500～600℃的爐內(nèi)燒制5～7h。500～600℃情況下在噴涂層表面反應(yīng)生成Cr2O3。
Cr2O3的膜厚一般為1～10mm，Cr2O3會滲透進入噴涂層的空隙中，而且Cr2O3微粒在高溫狀態(tài)下會慢慢膨脹，將噴涂層的空隙填塞滿。
3.3.2高溫?zé)乒に?br /> 為了進一步提高搞高溫氧化及硬度，進行高溫?zé)?，即在封孔處理后將爐溫繼續(xù)提高到900～1000℃。連續(xù)燒制30～35h。CoCrAlY混合金屬物在高溫時能形成各自的金屬氧化物。Y被氧化的平衡分解壓最小，最先形成Y2O3，但是Y的比例只有0.1%～0.8%，目的不是形成抗氧化保護膜，而是因為Y2O3可以提高噴涂層自身的結(jié)合強度。其次，Al平衡分解壓也比較小，幾乎可以全部形成Al2O3，Al2O3的作用不僅可以形成致密的保護膜，而且確保涂層硬度達700HV以上，在900℃的條件下，Co、Cr因為平衡分解壓比較大，形成的氧化物很少。在高溫?zé)频耐瑫r，一部分Al與封孔處理時輥面上形成的Cr2O3進行反應(yīng)。
Cr2O3 2Al--Al2O3 2Cr
Al與氧的親和力大于Cr與氧的親和力（Al平衡分解壓較?。?，Al將Cr2O3中的氧奪走，形成Al2O3,CoCrAlY中的Co的含量也比較多，但是因為Co平衡分解壓較大，不能將Cr2O3中氧奪走，形成Co的氧化物。
經(jīng)過以上過程處理，噴涂層表面已經(jīng)被Al2O3全部復(fù)蓋，Al2O3膜厚可達到30mm，Al2O3提高了爐輥表面噴涂材料的抗氧化性及硬度。在Al2O3表面很難形成鐵、錳等金屬的結(jié)瘤物。