平整后冷軋鋼帶表面的橫向紋路及其控制

韓玉龍 田榮彬 高 軍

(內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

平整是冷軋鋼帶生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，對產(chǎn)品的最終質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用。經(jīng)平整的冷軋鋼帶往往存在材料屈服強度超標(biāo)以及板形缺陷和表面缺陷，其中表面缺陷最為常見。表面缺陷一直是國內(nèi)外鋼廠最感棘手的問題之一，其形式各異，又難以消除。近年來，在包鋼薄板廠1750冷軋平整機組，橫向紋路(以下簡稱“橫紋”)缺陷(形貌見圖1)困擾著現(xiàn)場，支撐輥更換周期由原來的15天縮短到了1～2天，嚴(yán)重影響了包鋼產(chǎn)品的質(zhì)量信譽和向客戶的交貨期。

包鋼冷軋平整機是由意大利DANIELI公司于2004年成套提供的設(shè)備，機組設(shè)計年產(chǎn)量80萬t，為單機架四輥結(jié)構(gòu)，配置液壓AGC系統(tǒng)、正負(fù)彎輥技術(shù)、軋制線調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有干/濕兩種生產(chǎn)方式，最大軋制力10 MN，最大延伸率3%，主電機功率1 300 kW，機組最大速度1 000 m/min，成品厚度0.25～3.00 mm，寬度960～1 600 mm。涉及的鋼種主要有CQ、DQ、DDQ、HSLA、IF、50W1000、50W600等。

圖1 橫紋的典型形貌Fig.1 Typical pattern of the cross grains

1 包鋼1750冷軋平整機的生產(chǎn)特點

包鋼1750冷軋平整機的原料絕大部分來自上道薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線(以下簡稱CSP生產(chǎn)線)，根據(jù)其上、下道工序及生產(chǎn)組織模式，主要有如下一些特點。

1.1 熱軋CSP供料

作為包鋼薄板廠的配套項目，1750冷軋平整機大部分熱軋原料來自CSP生產(chǎn)線。由于CSP生產(chǎn)線自身的工藝特點，其熱軋卷的屈服強度比常規(guī)生產(chǎn)線熱軋卷的屈服強度要高20 MPa左右；熱軋卷的晶粒度更加細(xì)小，比常規(guī)生產(chǎn)線熱軋卷的晶粒度大1～2級[1]；熱軋鋼帶氧化鐵皮更加致密，導(dǎo)致在冷軋生產(chǎn)時軋機負(fù)荷偏大，板形難以控制，酸洗后鋼帶表面粗糙度低，軋后反射率偏低。二者之間的對比見圖2(包鋼CSP原料與包鋼常規(guī)熱連軋原料對比，以普通低碳鋼為例)。

圖2 CSP生產(chǎn)線和常規(guī)生產(chǎn)線生產(chǎn)的熱軋帶鋼卷的力學(xué)性能對比Fig.2 Comparison of mechanical properties of the hot-rolled strip coils produced in CSP and conventional production lines

1.2 酸軋機組碳鋼硅鋼混合軋制

包鋼薄板廠冷軋生產(chǎn)線主要設(shè)備見表1。酸洗軋機聯(lián)合(以下簡稱酸軋)機組為保證下道工序連續(xù)生產(chǎn)，采用硅鋼和碳鋼混合軋制的工藝，全月硅鋼作業(yè)時間超過20%，乳化液中灰分含量經(jīng)常出現(xiàn)大于1 500×10-6的情況，乳化液系統(tǒng)不能進行有效更新，鋼帶表面殘留的鐵粉和硅泥較多，鋼帶表面反射率基本維持在40%～50%。

1.3 鋼帶罩式爐退火時易粘連

雖然包鋼配備了清洗線，但噸鋼50元左右的生產(chǎn)成本在當(dāng)下低迷的市場狀況下，除個別效益較好的產(chǎn)品外，普板不具備清洗條件。為提高鋼帶的反射率，減少平整機組出現(xiàn)斑跡缺陷的概率，采取在罩式爐中于軋制油揮發(fā)溫度對鋼帶進行退火等措施，但也提高了粘連缺陷產(chǎn)生的概率。

表1 包鋼薄板廠的主要裝備Table 1 Main equipments in Baotou CSP plant

1.4 平整與重卷不匹配

重卷分卷機組主要起分卷和檢查鋼帶表面質(zhì)量的作用。由表1可知，平整與重卷分卷機組生產(chǎn)率不匹配，平整機組需要分切大量鋼卷，大約有60%以上的鋼卷需要經(jīng)過平整機組進行切分，同時受到車輛裝載方案的影響，部分鋼卷需要由1個大卷分成3個小卷，造成平整機組頻繁加、減速以保證鋼卷的分切，加大了平整機工作輥和支撐輥打滑的概率。

1.5 軋輥運輸運距長

包鋼在對冷軋生產(chǎn)線進行物流設(shè)計時，考慮場地因素，將酸軋車間(含酸再生站和乳化液站)設(shè)計在軋輥加工間與罩式爐平整車間之間，弊端是平整輥需要依靠汽車倒運，并且運距較長，因此，在制訂后期的工藝制度時，考慮到軋輥運輸?shù)闹萍s因素，將軋輥的正常換輥周期初步定為1 500 t，未充分考慮到軋輥磨損造成的鋼帶表面粗糙度降低而引起的打滑現(xiàn)象。

2 冷軋鋼帶表面產(chǎn)生橫紋的原因

橫紋一般具有以下特點：肉眼可見，精細(xì)致密，明暗交替，與軋制方向垂直。在軋制方向有連續(xù)橫紋和非連續(xù)橫紋[2]。橫紋與軋制鋼帶的幾何尺寸有一定的關(guān)聯(lián)，軋制鋼帶越窄越薄，橫紋的出現(xiàn)越頻繁，同時軋制速度以及升降速的加速度對橫紋的出現(xiàn)和消除都具有對應(yīng)關(guān)系。

2.1 上道工序

在絕大多數(shù)情況下，平整機采用延伸率控制模式，延伸率是平整后軋件的變形量與軋件原始長度的比值，軋件長度通過安裝在平整機前后的帶碼盤的測量輥測定。延伸率的調(diào)整主要通過調(diào)整平整機AGC液壓缸壓力或AGC液壓缸伸出位置來實現(xiàn)，軋件延伸率控制原理如圖3所示。因此，酸軋引起的原料厚度波動，酸軋產(chǎn)生的原料浪形和表面殘留物，罩式爐退火產(chǎn)生的粘接缺陷都會導(dǎo)致軋件延伸率波動，進而在軋輥表面形成振痕，最終在鋼帶表面產(chǎn)生橫紋。

首先，酸軋工序引起的原料厚度波動勢必引起平整機軋制力的波動。正常情況下，酸軋機組引起的原料厚度波動為4～13 μm，軋制力波動很小。但在酸軋機組進行動態(tài)變規(guī)格、升降速操作等特殊情況下，鋼帶厚度波動往往超過30 μm，極端情況超過100 μm，引起平整軋制力大幅度波動，最終造成鋼帶表面出現(xiàn)橫紋。圖4為酸洗、軋制后鋼帶厚度波動圖。

圖3 軋件延伸率控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of controlling elongation of the rolled piece

圖4 酸洗、軋制后鋼帶厚度的波動圖Fig.4 Variation range of thickness of the steel strip after pickling and rolling

其次，原料的板形缺陷使平整機難以調(diào)整。大的浪形缺陷使平整機需要大的變形量才能調(diào)整到位。根據(jù)材質(zhì)，包鋼冷軋平整機一般采用0.8%的延伸率平整鋼帶。鋼帶不平度計算公式：

(1)

式中：I為鋼帶的不平度值；h為鋼帶波浪高度；l為鋼帶波浪間隔。0.8%的延伸率不能修正10 I以上的浪形。因此，在實際生產(chǎn)中，通過平整機改善原料浪形缺陷的效果有限，最終產(chǎn)生類似應(yīng)變痕狀的橫紋。

第三，包鋼1750冷軋平整機上道酸軋工序采用硅鋼、碳鋼混合軋制工藝，表面殘留的鐵粉、硅泥較多，酸軋工序產(chǎn)生的表面殘留物在罩式爐退火的密閉環(huán)境中難以有效去除，用平整液洗不干凈，因此進入平整機的退火鋼帶表面摩擦因數(shù)不均勻，造成軋制力偏差大，從而產(chǎn)生橫紋。

最后，由于罩式爐退火的特點，鋼帶在加熱和冷卻過程中會形成徑向溫度梯度，造成鋼卷層間存在壓應(yīng)力。在壓應(yīng)力作用下，鋼帶層間局部凸起處將產(chǎn)生塑性變形，增加層間緊密接觸面積。由于變形引起晶格畸變，使空位、位錯等缺陷增多，界面區(qū)能量增高，鐵原子處于激活狀態(tài)，極易產(chǎn)生擴散，形成金屬鍵鏈接。同時在高溫下，鐵原子擴散速度加快，當(dāng)擴散到一定深度時，金屬鍵鏈接變成冶金鏈接，即形成了粘接，平整后鋼帶表面形成馬蹄狀印跡，即粘接缺陷。馬蹄狀缺陷倒印在軋輥表面，在后續(xù)加工過程中鋼帶表面形成橫紋。

2.2 平整工藝

平整的目的主要是消除材料的屈服平臺，使鋼帶表面獲得理想的粗糙度，調(diào)整板形使鋼帶平直。因此，冷軋平整開卷張力和延伸率的選擇、平整液的流量和濃度、軋輥更換周期和粗糙度、軋制速度、軋機板形控制等，都會引起材料的彈塑性變形及平整機打滑等現(xiàn)象，最終產(chǎn)生橫紋。

冷軋平整開卷張力最大為41 kN，在生產(chǎn)窄薄料過程中，張力設(shè)置過大會造成開卷過程中鋼帶進入彈塑性變形區(qū)，平整后表面形成橫紋。同理，根據(jù)圖3，平整工藝的延伸率過小也會造成軋制力降低，鋼帶進入彈塑性變形區(qū)進而形成橫紋。

冷軋平整液一般用水溶性防銹劑、表面活性劑及多種功能添加劑配制而成，具有良好的防銹和清洗性能及一定的潤滑性。平整液潤滑性過好會造成鋼帶與工作輥之間、工作輥與支撐輥之間的摩擦因數(shù)降低而出現(xiàn)打滑，從而產(chǎn)生橫紋。同理，在一個換輥周期內(nèi)，隨著平整軋制壓下的增加，軋輥表面粗糙度降低，也會導(dǎo)致打滑而產(chǎn)生橫紋。

冷軋平整生產(chǎn)中，普遍存在平整機振動現(xiàn)象。在支撐輥使用的初期，平整機系統(tǒng)的振動以自激振動為主；在穩(wěn)定軋制過程中，因工作輥與支撐輥的相對運動而在支撐輥表面形成振紋。在支撐輥使用的中、后期，系統(tǒng)的振動為強迫振動和自激振動共存，由振紋引起的強迫振動進一步加速了振紋的形成。振動系統(tǒng)的等效阻尼系數(shù)計算公式為[3]：

(2)

式中：Q為壓力不均影響系數(shù)；v為軋制速度；E為材料的彈性模量；b為軋件寬度；R為工作輥彈性壓扁半徑；Δh為平整機壓下量；L為軋件入口到開卷機之間的距離；ω為振動角頻率；h為軋件原始厚度。由式(2)可以看出，平整機的振動與軋制速度成正比，軋制速度與由振紋產(chǎn)生的橫紋關(guān)系密切。

2.3 平整設(shè)備

機架自身振動勢必引起輥系振動[4- 5]。牌坊與支撐輥軸承座間隙過大、支撐輥軸承座裝配不合適、支撐輥輥頭與傳動軸十字包間隙過大、上下支撐輥輥徑差等，都會造成軋輥在高速運行時產(chǎn)生振動，從而產(chǎn)生振痕類的橫紋。

設(shè)備不穩(wěn)定的原因主要是軋制過程中接觸鋼帶的工作輥出現(xiàn)竄動[6]。工作輥竄動主要有徑向竄動和橫向竄動兩種，都屬于非正常情況，都是平整機各單元之間間隙過大所致。此外，傳動齒輪、傳動接頭均會有磨損，如果超出技術(shù)文件規(guī)定的范圍，輕則產(chǎn)生振動引發(fā)橫紋，重則發(fā)生打齒、掰軸等惡性事故。

3 預(yù)防橫紋的措施

3.1 上道工序原料

為消除橫紋及其類似缺陷對鋼帶質(zhì)量的影響，在酸軋工序采取了以下措施。

(1)在軋件的幾何尺寸方面，建立全流程質(zhì)量追溯制度，對厚度超機組保證值的鋼帶標(biāo)注卷號和超差位置長度，如果超差部分在鋼帶頭尾則在平整工序切除，超差部分在鋼帶中間則該部分在平整工序采用空過操作；對平整卷板形也做相應(yīng)的記錄，對頭尾不平整部分的不平度不提要求；原料不平度10 I以下采用0.8%的延伸率， 10～15 I采用1.5%的延伸率， 15～25 I采用2.0%的延伸率， 25 I以上，考慮到加工硬化，采用2.0%的延伸率。如不能消除板形缺陷則降級處理。

(2)在軋制潤滑和清潔方面，嚴(yán)格控制酸軋機組的乳化液指標(biāo)。前面機架要保證軋機有足夠的潤滑，盡量降低鋼帶的表面粗糙度。末機架要將濃度降低至0.8%～1.2%，將溫度控制在53～57 ℃，并對鋼帶反射率進行監(jiān)控。酸軋軋后反射率低于40%的，上清洗線清洗。包鋼1750冷軋平整前酸軋乳化液的技術(shù)要求列于表2。

表2 酸軋機組用乳化液的技術(shù)要求Table 2 Technical requirements for emulsion used in pickling- rolling set

(3)控制粘連方面，在酸軋機組末機架使用毛化輥，毛化輥粗糙度為3.5 μm，將酸軋后鋼帶的表面粗糙度控制在1.2 μm以上，如果粗糙度低，則更換工作輥。其次，保證卷取機卷取張力為27 N/mm2，并在每天對卷取張力測量輥張力檢測值進行校準(zhǔn)，以確保測量系統(tǒng)準(zhǔn)確。還有，在鋼帶進行罩式爐退火時，如果發(fā)生溫度波動，則適當(dāng)延長保溫時間，但需控制鋼帶在再結(jié)晶溫度以上的總時間不超過3 h。

3.2 平整工藝

首先，在原料板形方面，平整機采用凸度輥，軋輥凸度設(shè)定為0.25 mm，一方面可以有效消除邊浪板形缺陷，另一方面可使軋件在軋制中心線穩(wěn)定軋制。其次，針對不同鋼種、不同厚度的鋼帶，結(jié)合冷軋板的屈服強度，重新設(shè)定開卷張力，避免鋼帶進入彈塑性變形區(qū)。第三，與平整液生產(chǎn)廠合作進行平整液成分改進，以改善清洗性能，降低潤滑性能，提高防銹性能，降低平整機產(chǎn)生振動的概率。第四，平整機振動與速度成正比，因此應(yīng)進行變速軋制，即經(jīng)常改變平整機振動頻率，以降低軋輥振痕出現(xiàn)的概率。此外，采用低速開軋、板形穩(wěn)定后高速軋制的方法來調(diào)整軋機。第五，嚴(yán)格執(zhí)行上料溫度制度，鋼卷溫度在40 ℃以下方可進入平整機生產(chǎn)。最后，重新制定軋輥使用制度，工作輥每間隔100 km更換一次，并測定平整出口鋼帶的表面粗糙度，同一平面內(nèi)偏差超過0.2 μm即進行更換；將上下工作輥輥徑差控制在0.1 mm以內(nèi)；將上下支撐輥輥徑差控制在0.2 mm以內(nèi)。

3.3 平整設(shè)備

鋼帶產(chǎn)生周期性橫紋的原因主要是相關(guān)設(shè)備間隙過大。預(yù)防措施主要在于間隙的測量、記錄和調(diào)整。首先，定期測量工作輥、支撐輥與牌坊之間的間隙[7]，工作輥軸承座與牌坊的間隙應(yīng)小于0.5 mm[8]，支撐輥軸承座與牌坊之間的間隙應(yīng)小于0.2 mm，如超標(biāo)，則調(diào)整或更換軋輥兩側(cè)銅滑板。其次，定期測量支撐輥傳動扁頭與傳動軸扁頭套之間的間隙，將其控制在0.05～0.12 mm，定期涂抹干油減振，在間隙過大時更換或調(diào)整扁頭套耐磨版。第三，定期測量工作輥、支撐輥軸向、徑向竄動間隙，工作輥軸向/徑向間隙按照(0.16±0.02) mm/(0.3±0.02) mm進行調(diào)整，支撐輥軸向/徑向間隙按照(0.22±0.02) mm /(0.5±0.02)mm進行調(diào)整。最后，當(dāng)調(diào)整間隙無效平整機依然振動，則拆掉上支撐輥傳動扁頭及相應(yīng)傳動軸，改成下輥單輥傳動，也可有效消除因上下輥系傳動扭矩異向耦合、上下軋制力不均等原因產(chǎn)生的橫紋。

4 結(jié)論

通過對包鋼1750冷軋平整機上道酸軋工序、罩式爐退火工藝、平整工藝、平整設(shè)備等方面進行綜合分析，采取了將原料板的厚度波動控制在20 μm以內(nèi)，將原料板的不平度控制在10 I以內(nèi)，控制原料板表面粗糙度，減少有粘連缺陷的鋼帶，優(yōu)化平整機工作輥輥型，恢復(fù)平整機支撐輥與牌坊之間的間隙等一系列措施后，經(jīng)平整的冷軋鋼帶表面的橫紋已大幅度減少，支撐輥的更換周期也能維持在15天左右，提升了企業(yè)的效益。