平整工序挫傷缺陷原因分析

趙 亮，李秀景，聶玉珠，周雪峰，趙二敏

（河北鋼鐵股份有限公司唐山分公司，河北唐山063016）

1 引言

平整生產(chǎn)線主要對熱軋卷板進(jìn)行后處理，包括消除浪形及分切小卷，熱軋卷板尤其是薄規(guī)格帶鋼多存在不同程度的中浪、邊浪等板形缺陷，經(jīng)平整后可得到有效改善[1]。唐鋼1810生產(chǎn)線具有月產(chǎn)小于等于2.0 mm薄規(guī)格帶鋼5萬t的生產(chǎn)能力，而小于等于2.0 mm的熱軋薄帶鋼幾乎全部要轉(zhuǎn)到平整工序進(jìn)行再加工，對于所有熱軋后需上平整機(jī)的鋼卷都有可能在開卷過程產(chǎn)生挫傷缺陷。業(yè)內(nèi)對平整生產(chǎn)線挫傷缺陷的研究不多，此方面文獻(xiàn)也相對較少，因此必須深入研究平整生產(chǎn)線挫傷缺陷產(chǎn)生的原因，并找到有效的解決措施，以避免或減少挫傷缺陷所帶來的影響，提高帶鋼的表面質(zhì)量和平整生產(chǎn)線的成材率。

2 挫傷缺陷形貌及分布規(guī)律

圖1 挫傷缺陷

挫傷缺陷發(fā)生在帶鋼的上、下表面，呈銀白色的刮痕，多以片狀、簇狀密集分布，頭部較尖銳，如圖1所示。劃傷與挫傷缺陷都是帶鋼表面的機(jī)械損傷，二者有相似之處，但劃傷是由于帶鋼與生產(chǎn)線設(shè)備的刮蹭造成的，一般只在帶鋼單面出現(xiàn)，延展很長，通常是比較淺的亮線。對平整生產(chǎn)線而言，挫傷缺陷主要出現(xiàn)于4.0 mm以下規(guī)格帶鋼上，越薄越容易發(fā)生挫傷，厚規(guī)格帶鋼上較少出現(xiàn)。

挫傷缺陷的分布比較有規(guī)律。在軋制方向上，一般出現(xiàn)在距帶鋼頭、尾部幾十米范圍內(nèi)，嚴(yán)重的可在距頭尾一二百米外出現(xiàn)，距帶鋼頭、尾越近挫傷程度越嚴(yán)重。熱軋帶鋼頭部（帶卷芯部）一般比尾部更易出現(xiàn)、更嚴(yán)重，并且更不容易避免。在寬度方向上，挫傷缺陷一般出現(xiàn)于中部，距兩側(cè)邊部較近區(qū)域很少出現(xiàn)。上下表面均可出現(xiàn)挫傷缺陷，帶卷相鄰層上下表面相對應(yīng)位置的挫傷缺陷是同時(shí)出現(xiàn)的，且擴(kuò)展方向相反。

3 挫傷缺陷的原因分析

在平整工序開卷過程中，相互擠壓的帶鋼層間產(chǎn)生相對滑動(dòng)，導(dǎo)致局部金屬產(chǎn)生剪切滑移而形成帶鋼挫傷缺陷，產(chǎn)生層間相對滑動(dòng)的原因是帶卷相鄰層間的靜摩擦力不足以抵消帶卷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐分析，產(chǎn)生挫傷缺陷時(shí)帶卷必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：存在層間滑動(dòng)和局部壓力大。

實(shí)際生產(chǎn)中，挫傷多數(shù)出現(xiàn)在板面不平滑的區(qū)域周圍。在板面平滑的區(qū)域可以觀察到摩擦的痕跡，但幾乎不會(huì)出現(xiàn)挫傷。出現(xiàn)挫傷的主要區(qū)域是帶鋼頭、尾在板面上的硌痕、芯軸扇形板邊緣在板面上的硌痕、中浪的波峰和波谷，這些位置與相鄰區(qū)域存在明顯的半徑突變，當(dāng)帶卷的這些位置滑動(dòng)時(shí)，與相鄰層的接觸面區(qū)產(chǎn)生足夠的壓力，導(dǎo)致局部金屬產(chǎn)生剪切滑移，形成挫傷缺陷。

3.1 松卷

帶卷不同位置冷卻的狀態(tài)差別較大，帶卷中部的冷卻速度慢，并且其內(nèi)外的溫差較小，所以冷卻到室溫后帶卷中部各層卷得更緊密了。帶卷外部各圈的冷卻速度快，冷卻收縮時(shí)受到帶卷中部高溫區(qū)的阻擋而發(fā)生高溫蠕變被拉長。當(dāng)帶卷冷卻至室溫后，帶卷外圈的層間間隙就可能擴(kuò)大了。另外，卷取機(jī)壓尾時(shí)助卷輥壓力小，輸出輥道滯后率小，進(jìn)線開卷回卷時(shí)托輥故障也可能導(dǎo)致尾部出現(xiàn)松卷現(xiàn)象。

3.1.1 帶卷芯部松卷

帶卷芯部各層間隙大，開卷機(jī)芯軸漲徑后也只能消除內(nèi)幾圈的間隙，更深入位置的間隙無法消除。芯軸頂部承受帶卷重量，此處的帶卷貼合得緊密，其它位置處于松散狀態(tài)，此時(shí)帶卷相對于芯軸呈圖2的狀態(tài)。由于相鄰層間接觸面積小且層間壓力只有外圈帶卷的重量，因此相鄰層間周向總的靜摩擦力較小。當(dāng)開卷張力或開卷速度突變時(shí)，相鄰層間的靜摩擦力不能抵消帶卷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而導(dǎo)致層間滑動(dòng)的發(fā)生。

3.1.2 薄規(guī)格松卷

薄規(guī)格經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重松卷，原因是各層帶鋼剛度差，支撐力不足，在冷卻過程中或受到震動(dòng)時(shí)，帶卷在重力作用下發(fā)生滑動(dòng)，從而導(dǎo)致松卷。圖3是1.5 mm規(guī)格的SS400的帶卷，利用帶鋼頭部在各層的硌痕作為標(biāo)記，圖中圓圈表明了發(fā)生松卷的帶卷各層的相對滑動(dòng)。

圖2 帶卷芯部存在間隙時(shí)的狀態(tài)

3.2 頭、尾板形不良

熱軋時(shí)帶鋼頭部出軋機(jī)后沒有張力作用，帶鋼的板形問題不能得到緩解。帶鋼的板形不良在卷取時(shí)導(dǎo)致各層間隙大，帶鋼頭部存在此問題的長度相當(dāng)于精軋末架至卷取機(jī)的距離，這個(gè)距離基本就是帶鋼出現(xiàn)挫傷缺陷的極限長度。

熱軋帶鋼尾部的板形問題也易導(dǎo)致挫傷的出現(xiàn)。帶鋼尾部的板形問題通常比頭部的輕，并且長度短得多，所以帶鋼尾部出現(xiàn)挫傷的幾率和長度均比頭部小。

圖3 1.5mm的S S 400

3.3 帶卷板面不平

3.3.1 芯軸扇形板邊緣的硌痕

較薄規(guī)格帶卷芯部幾圈存在明顯的芯軸扇形板邊緣的硌痕，是挫傷缺陷的高發(fā)區(qū)。這是熱軋卷取機(jī)芯軸漲徑時(shí)造成的。

卷取帶鋼前芯軸一次漲徑至正常擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，此時(shí)的芯軸輪廓為直徑759 mm的完整圓弧。當(dāng)帶鋼在卷取機(jī)芯軸上纏上幾圈后芯軸二次漲徑，全擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的名義直徑為772 mm，但此時(shí)的芯軸輪廓是四瓣形。芯軸漲徑是向外擠壓帶鋼的過程，由于此時(shí)芯軸不是完整的圓，所以帶卷內(nèi)圈也不是完整的圓。厚規(guī)格的剛度大，在縫隙處的彎曲變形程度小，曲率的變化不明顯；中間規(guī)格的剛度較小，在縫隙處的彎曲變形程度較大，曲率的變化明顯，一般沿相鄰兩個(gè)弧面的切線分布；薄規(guī)格的剛度小，外圈帶鋼的抵抗擠壓的作用甚至可以使帶鋼突入縫隙，形成明顯的起伏，見圖4（a），并在帶鋼表面硌出明顯的印痕（設(shè)備冷卻水的水垢使印痕很清晰）。由于此處存在的半徑突變，一旦帶卷出現(xiàn)層間滑動(dòng)，此區(qū)域就極易出現(xiàn)挫傷缺陷，見圖4（b）。

3.3.2 板形不良

熱軋帶鋼存在浪形缺陷時(shí)，不但使帶卷各層間隙增加，也導(dǎo)致帶卷板面不平滑，當(dāng)發(fā)生層間滑動(dòng)時(shí)浪形區(qū)易出現(xiàn)局部壓力過大而產(chǎn)生挫傷缺陷。

通常，帶鋼頭部容易出現(xiàn)挫傷缺陷的長度基本不大于精軋末架軋機(jī)距卷取機(jī)的長度。這是因?yàn)榫砣C(jī)的張力使帶鋼產(chǎn)生一定的延伸，可以改善帶鋼的板形，從而使帶卷卷得更緊密。

3.3.3 異物卷入

熱軋時(shí)帶鋼頭尾需要卷取機(jī)側(cè)導(dǎo)板夾持、導(dǎo)向，因此帶鋼頭、尾與側(cè)導(dǎo)板發(fā)生刮蹭，有觀點(diǎn)認(rèn)為這種刮蹭會(huì)導(dǎo)致金屬碎屑卷入帶卷并造成挫傷缺陷[2]。

3.4 扁卷

扁卷的帶卷端面呈橢圓形，開卷機(jī)芯軸漲徑后一般不能明顯改善帶卷的橢圓度，此時(shí)帶卷芯部與芯軸處于部分接觸狀態(tài)，開卷時(shí)帶卷與芯軸間極易發(fā)生相對滑動(dòng)，并且加劇帶卷芯部松卷的程度，造成嚴(yán)重的挫傷缺陷[2]。另外，帶卷周向的不同半徑狀態(tài)，以及芯軸與帶卷的相對滑動(dòng)，導(dǎo)致開卷速度大幅波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致開卷張力的大幅波動(dòng)及帶卷的相對滑動(dòng)，從而引發(fā)挫傷缺陷。

圖4 帶卷內(nèi)圈在芯軸扇形板邊緣的形狀

4 預(yù)防措施

4.1 原料

熱軋帶鋼頭、尾涉及工作輥彎輥力與平衡力的轉(zhuǎn)換，出軋機(jī)后卷取前處于失張狀態(tài)，板形最差，不但易導(dǎo)致層間間隙過大，且板形不易控制，浪形的波峰、波谷處則有可能產(chǎn)生挫傷。因此，必須持續(xù)優(yōu)化板形控制功能，并使平衡力與彎輥力盡量接近。

薄規(guī)格熱軋帶鋼容易出現(xiàn)扁卷現(xiàn)象，可以通過適當(dāng)降低卷取溫度、提高卷取張力、優(yōu)化輸出輥道的超前率及滯后率等措施加以改善。

4.2 平整開卷操作

除了板形、卷形問題可以通過熱軋工序緩解外，其它造成板面不平滑的因素沒有非常有效的方法予以避免，只能從減少帶卷產(chǎn)生層間滑動(dòng)方面來入手。開卷機(jī)、矯直機(jī)和卷取機(jī)齒輪箱均有變速齒輪，可以在平整過程中根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整軋制速度，同時(shí)檢查帶鋼的表面質(zhì)量。

4.2.1 上卷操作

鋼卷上至開卷機(jī)芯軸后，在芯軸擴(kuò)張的同時(shí)，操作人員適時(shí)手動(dòng)將開卷機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)芯軸漲開與正轉(zhuǎn)至帶動(dòng)鋼卷外圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)停止操作，操作芯軸收縮回初始位置。重復(fù)上述操作3～5次，將帶鋼一層層卷緊。

4.2.2 張力控制

由于薄規(guī)格容易松卷，實(shí)際開卷張力應(yīng)比卷取張力小得多，同時(shí)，應(yīng)避免張力劇烈變化。尤其是開卷建張時(shí)，張力應(yīng)平緩變化，張力從0提高至設(shè)定值應(yīng)需 2～3 s。

4.2.3 速度控制

平整薄規(guī)格帶鋼時(shí)，若開卷速度過快，會(huì)導(dǎo)致開卷張力劇烈波動(dòng)，從而易使帶卷出現(xiàn)層間滑動(dòng)，因此，平整速度應(yīng)適當(dāng)降低。

另外，程序中應(yīng)允許調(diào)整加速度設(shè)定值。為了避免因調(diào)整速度造成張力的劇烈波動(dòng)，平整薄規(guī)格帶鋼時(shí)加速度應(yīng)設(shè)定較小值。

5 結(jié)論

（1）挫傷缺陷的發(fā)生是由于擠壓嚙合在一起的兩層帶鋼出現(xiàn)相對滑動(dòng)時(shí)，嚙合部位的塑性變形達(dá)到臨界值，相互擠壓的部分產(chǎn)生剪切滑移并形成金屬屑，此后，金屬屑的刮削和積累相互促進(jìn)，使得挫傷缺陷迅速形成并惡化。

（2）熱軋帶鋼由于頭、尾失張而導(dǎo)致板形較差，易使帶卷出現(xiàn)層間滑動(dòng)，局部接觸壓力大，出現(xiàn)挫傷的幾率大。帶卷頭、尾和芯軸扇形板邊緣使帶卷各圈的曲率半徑出現(xiàn)突變，存在層間滑動(dòng)時(shí)易導(dǎo)致局部壓力過大而出現(xiàn)挫傷。

（3）平整工序避免挫傷的主要方法是減少開卷時(shí)帶卷各層之間的相對滑動(dòng)。

[1]張自強(qiáng).邯鋼1680熱軋帶鋼平整機(jī)的板形控制分析[J].甘肅冶金，2013，35（2）：19-21.

[2]蘇清旭.熱軋帶鋼表面挫傷缺陷產(chǎn)生原因分析[J].鋼鐵，1999，34（3）：36-41.