西馬克軋機(jī)過(guò)濾系統(tǒng)一種設(shè)計(jì)缺陷的機(jī)理分析

喻翠平，羅 虎

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司 龍口南山鋁壓延新材料有限公司，山東 龍口265706)

隨著我國(guó)鋁工業(yè)的發(fā)展，鋁易拉罐料已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)自主供應(yīng)并大量出口，目前我國(guó)已成為罐料的生產(chǎn)大國(guó)和供應(yīng)大國(guó)。根據(jù)國(guó)內(nèi)板帶軋制廠設(shè)備設(shè)計(jì)產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)罐料產(chǎn)能供應(yīng)量可以滿足全球罐料需求的一半以上。我國(guó)生產(chǎn)罐料用的冷軋機(jī)主要來(lái)自西馬克，如南山、魏橋、瑞閩、中孚、忠旺等軋制廠[1]。罐料的質(zhì)量要求嚴(yán)格，制罐過(guò)程的多種缺陷均可能來(lái)源于罐料鋁材的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。設(shè)備的可靠性是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一，一旦設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)缺陷，則意味著鋁材的產(chǎn)品質(zhì)量就會(huì)受到影響。

根據(jù)公司十多年的罐料生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在追求 “零缺陷”質(zhì)量目標(biāo)的同時(shí)，逐步對(duì)罐料常見(jiàn)的斷罐、開(kāi)裂、針孔等缺陷的產(chǎn)生原因及機(jī)理進(jìn)行研究。在分析多起針孔缺陷的過(guò)程中，結(jié)合相似缺陷的形貌進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)一種壓入型缺陷造成的針孔與冷軋機(jī)過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)。

1 樣品來(lái)源及分析

樣品來(lái)源為下游制罐廠反饋的針孔缺陷樣品。針孔缺陷在整批次個(gè)別卷材中隨機(jī)出現(xiàn)，每卷偶發(fā)1～2處。分析樣品來(lái)源于單方向一次冷軋出成品的多個(gè)客戶的多個(gè)卷材。

圖1為多個(gè)針孔樣品缺陷的宏觀形貌圖，RD為鋁材軋制方向，MD為拉伸制罐方向。針孔形貌特點(diǎn)是：針孔與軋制短條狀缺陷共存，且缺陷沿軋制、制罐方向存在兩個(gè)方向拉伸變形(雙向拖尾)；沿軋制方向的短條狀缺陷均為罐內(nèi)缺陷而非罐外缺陷，即對(duì)應(yīng)鋁材的上表面而非下表面。

圖2分析了針孔部位的截面/表面微觀形貌。從圖2形貌分析孔洞部位多呈圓形壓坑，部分樣品壓坑內(nèi)部存在異常成分，經(jīng)分析異常部分主要元素為Al-Si-O，以及少數(shù)軋制油殘留的C元素，無(wú)其他元素，異常點(diǎn)部位的能譜圖分析結(jié)果及元素分布比例如圖3所示。圖2(e)(f)中能清晰可見(jiàn)樣品3異物掉落壓坑，同時(shí)根據(jù)壓坑處弧度大小、長(zhǎng)度及尺寸比較，壓坑處原始異物顆粒尺寸超過(guò)50μm；從圖2(a)(b)(c)(d)可見(jiàn)，樣品1及樣品2造成壓坑的異物顆粒尺寸超過(guò)100μm。

2 分析與討論

根據(jù)樣品分析中缺陷壓坑處形貌為異物掉落后的弧形痕跡，結(jié)合異物元素主要為Al-Si-O化合物，從針孔罐的制罐及鋁材生產(chǎn)流程中展開(kāi)Al-Si-O異物源的調(diào)查。

熔鑄工序存在Al-Si-O雜質(zhì)的來(lái)源可能為耐火材料顆粒脫落。通常耐火材料顆粒脫落尺寸較大，以公司的多級(jí)組合過(guò)濾方式完全可以攔截，在鑄錠中發(fā)現(xiàn)此類夾雜的可能性很少，并且同批次其他客戶的產(chǎn)品中均未反饋針孔問(wèn)題，因此很難確定是熔鑄問(wèn)題。在熔鑄過(guò)程中，雜質(zhì)顆粒與鋁基體接觸呈圓形團(tuán)塊狀?yuàn)A渣，且熔鑄高溫情況下夾渣與鋁基體緊密結(jié)合，罐料基材厚度在0.25mm以上時(shí)，熔鑄夾雜異物經(jīng)軋制無(wú)法形成多個(gè)方向短條狀拖尾，異物壓坑周圍不會(huì)存在細(xì)小的夾雜殘留。因此，此類針孔罐缺陷樣品中分析的Al-Si-O雜質(zhì)與鋁基體結(jié)合的形貌不符，所以排除熔鑄工序。

制罐工序及鋁材精整工序Al-Si-O雜質(zhì)來(lái)源一般是設(shè)備和空氣中的砂粒。如果雜質(zhì)發(fā)生在制罐過(guò)程及鋁材精整工序，缺陷存在于鋁材表面不會(huì)被壓入鋁材，不會(huì)出現(xiàn)沿軋制方向的短條狀缺陷，僅在制罐過(guò)程中顆粒沿制罐方向出現(xiàn)拖尾。同時(shí)，如果精整過(guò)程導(dǎo)輥上存在砂粒，則容易在鋁材上出現(xiàn)硌傷或輥印的缺陷，具有一定的周期性。而此類針孔缺陷的出現(xiàn)概率極低，一卷僅1～2個(gè)，因此排除制罐過(guò)程及卷材精整過(guò)程。

排除熔鑄、精整和制罐工序，剩下重點(diǎn)調(diào)查工序主要為軋制工序。軋制工序中能帶入輥縫造成壓入缺陷的主要是潤(rùn)滑介質(zhì)，軋制潤(rùn)滑介質(zhì)有熱軋乳液和冷軋軋制油。熱軋乳液過(guò)濾只有過(guò)濾布沒(méi)有過(guò)濾介質(zhì)，Al-Si-O缺陷來(lái)源只可能來(lái)自于灰塵顆粒。若在熱軋工序產(chǎn)生，首先其必須為大顆粒，能夠抵抗軋制過(guò)程的乳液吹掃和空氣吹掃的沖刷作用；其次在熱狀態(tài)下顆粒壓入帶材，熱加工狀態(tài)下鋁基體會(huì)將顆粒包裹碾壓，卷材僅經(jīng)單方向一次冷軋出成品，因此只存在單方向拖尾線條缺陷，與缺陷形貌的沿軋制方向雙向拖尾特征不符，因此排除熱軋?jiān)颉＠滠堒堉朴瓦^(guò)濾介質(zhì)為活性白土和硅藻土。冷軋過(guò)程中活性白土和硅藻土用來(lái)過(guò)濾軋制油中的鋁粉，保持油品的純潔度，是目前生產(chǎn)過(guò)程中不可取消的過(guò)濾介質(zhì)。活性白土的化學(xué)組成為SiO250%～70%、Al2O310%～16%、Fe2O32%～4%、MgO 1%～6w%等，是一種極性物質(zhì)，本身無(wú)孔隙，尺寸大部分在1μm～15μm之間，其作用是吸附軋制油中直徑小于1μm的鋁粉等雜質(zhì)。硅藻土的化學(xué)成分主要是SiO2(90%以上)，含有少量Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等和有機(jī)質(zhì)，是一種硅酸鹽材料，內(nèi)部有一定孔隙，能將軋制油中直徑大于1μm的雜質(zhì)及吸附雜質(zhì)后的活性白土過(guò)濾掉?；钚园淄梁凸柙逋恋奈⒂^照片和過(guò)濾機(jī)制見(jiàn)圖4。圖3中分析異物元素組成與冷軋過(guò)濾介質(zhì)成分相似度極高，因此，壓坑為大顆?；钚园淄粱蛘呶交钚园淄恋墓柙逋撩撀湓斐?，壓坑周圍殘留物質(zhì)為活性白土。

正常而言，冷軋過(guò)濾介質(zhì)經(jīng)板式過(guò)濾器過(guò)濾之后，通過(guò)軋制油主管道進(jìn)入軋機(jī)噴淋系統(tǒng)，但是仍存在個(gè)別尺寸較大的硅藻土和活性白土未經(jīng)板式過(guò)濾器攔截，直接通過(guò)軋制油主管道進(jìn)入軋機(jī)噴淋系統(tǒng)。軋機(jī)噴淋系統(tǒng)安裝多排噴嘴，其中輥縫基礎(chǔ)冷卻、軋輥冷卻以及邊部熱油的噴嘴梁均安裝有精度等級(jí)為1μm的濾芯，但是上中間輥與支承輥冷卻的噴射梁并未設(shè)計(jì)安裝濾芯。因此，未被板式過(guò)濾器攔截的硅藻土和白土從此處噴淋系統(tǒng)進(jìn)入輥縫。單方向一次軋制出成品的罐料，冷軋過(guò)程如何形成鋁材上的雙向拖尾短條紋，需要從軋制機(jī)理分析,如圖5所示。

軋制過(guò)程中異物從1點(diǎn)(接觸角起點(diǎn))至壓入的2點(diǎn)(中性面)之間形成由淺至深的壓過(guò)痕跡，從中性面之后受前滑的影響仍將繼續(xù)沿軋制方向運(yùn)行直至完成軋制，因此中性面之后異物后方金屬受質(zhì)點(diǎn)阻擋，金屬將存在沿軋制方向的變形形成拖尾現(xiàn)象，直至質(zhì)點(diǎn)影響作用減弱，短條狀缺陷拖尾消失。軋制過(guò)程中，上噴射量噴出的軋制油途經(jīng)鋁材上表面后從鋁材邊部進(jìn)入軋制油循環(huán)系統(tǒng)，下輥噴射梁的軋制油經(jīng)輥縫之后直接進(jìn)入軋制油循環(huán)系統(tǒng)，鋁材表面不作為油的載體，因此此類壓入現(xiàn)象常見(jiàn)于鋁材上表面，即對(duì)應(yīng)罐內(nèi)的缺陷特征。

3 結(jié)論與解決措施

根據(jù)以上分析，產(chǎn)生針孔缺陷的根本原因是，冷軋過(guò)程中軋制油中的硅藻土和活性白土被壓入，未經(jīng)有效過(guò)濾而進(jìn)入輥縫造成的。針對(duì)如何減少或者避免過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)入軋制輥縫噴淋系統(tǒng)提出整改措施：

(1)方案一。在凈油箱至軋機(jī)供油管道中間增加容易更換的過(guò)濾裝置，并制定相應(yīng)過(guò)濾裝置的更換周期，按照更換周期進(jìn)行維護(hù)。

(2)方案二。在上中間輥與支承輥冷卻的噴射梁增加濾芯，并制定相應(yīng)濾芯的更換周期，按照更換周期進(jìn)行維護(hù)。但此類改造后期清理更換的時(shí)間比方案一耗費(fèi)的生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)。

(3)在以上兩種方案均無(wú)法實(shí)施的情況下，主要是嚴(yán)格控制板式過(guò)濾器過(guò)濾效果，盡可能避免硅藻土和活性白土隨軋制油帶入軋機(jī)噴射系統(tǒng)，同時(shí)關(guān)注軋制油污染度和濁度情況。

目前部分企業(yè)已經(jīng)針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了設(shè)備改造[2]，其他企業(yè)也可以參考以上整改措施，結(jié)合各自設(shè)備的實(shí)際條件進(jìn)行整改，來(lái)解決企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中類似壓入型異物的質(zhì)量問(wèn)題。