冶煉廠生產(chǎn)線精軋工作輥氧化膜剝落影響因素研究

劉序江

（1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司，四川 攀枝花 617000）

熱軋板材的表面氧化鐵皮缺陷是各冶煉廠長期的治理重點。金屬表面的氧化缺陷對產(chǎn)品的后續(xù)酸洗、成型等加工都起著明顯的制約作用。尤其是隨著“以熱代冷”的熱軋酸洗板等典型產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、自行車、家用電器、防盜門等產(chǎn)品制造，用戶對產(chǎn)品表面質(zhì)量的要求越來越高。

在金屬板表面氧化缺陷中，有很大一部分是由軋輥氧化膜剝落造成的。熱軋工作輥的氧化膜生成與剝落行為與其服役的環(huán)境有關(guān)。軋輥在大載荷、高溫、高速以及驟冷驟熱的條件下，軋輥表面會形成一層氧化膜，隨著外部條件的變化，生成氧化膜的厚度、強(qiáng)度不盡相同，在與軋材、支承輥以及軋輥內(nèi)部熱應(yīng)力的交替作用下，氧化膜將產(chǎn)生裂紋，并在軋制過程中擴(kuò)展，最終導(dǎo)致氧化膜脫落。剝落的氧化膜壓入金屬板表面，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量[1]。因此，對軋輥氧化膜剝落的影響因素進(jìn)行研究，對降低熱軋金屬板表面氧化缺陷具有重要意義。

1 軋輥氧化膜缺陷現(xiàn)狀

研究發(fā)現(xiàn)[2]，在所有精軋工作輥中，F(xiàn)1～F3機(jī)架工作輥所受載荷條件最惡劣，在高溫、高速、大壓下量和驟冷驟熱條件下工作，其輥面氧化膜承受周期性的巨大的交變應(yīng)力，達(dá)到一定的極限后，輥面氧化膜中微裂紋在裂紋源處產(chǎn)生、擴(kuò)展。裂紋尺寸擴(kuò)展到一定程度時，垂直于輥面的裂紋與平行于輥面的裂紋匯合發(fā)生剝落。另外，在工作輥和熱軋金屬板間強(qiáng)大的剪應(yīng)力作用下，軋輥輥面氧化膜也容易發(fā)生脫落[3]。生產(chǎn)實際中，軋輥上的氧化膜剝落缺陷多見于F1～F3機(jī)架。

軋輥氧化膜剝落后在軋制過程中壓入產(chǎn)品表面，是形成氧化膜缺陷的重要原因。軋輥表面的氧化膜剝落形態(tài)與金屬板表面的氧化膜缺陷對照關(guān)系如圖1所示。

圖1 軋輥表面氧化膜剝落與金屬板表面氧化膜缺陷形貌對照

通過對氧化鐵皮缺陷在不同金屬種類中的比例分布統(tǒng)計，結(jié)果表明，軋輥表面氧化缺陷發(fā)生在強(qiáng)度相對較高的SPHC、SAPH400、SPAH440、P510CL中的比例為72.2%，而強(qiáng)度相對較低的SAPH370、Stw22、Q195等其他金屬種類中的比例為27.8%，統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

經(jīng)統(tǒng)計，氧化膜缺陷在不同規(guī)格產(chǎn)品中的分布如圖3所示。氧化膜缺陷出現(xiàn)在金屬板厚度規(guī)格為1.8mm～2.5mm中的比例約為48%，厚度規(guī)格為2.5mm～3.0mm中的比例為42.7%，只有9.3%的比例出現(xiàn)在厚度規(guī)格大于3.0mm的產(chǎn)品中。

圖2 軋輥表面氧化缺陷在各金屬板中的比例

圖3 氧化膜缺陷在厚度規(guī)格中的分布

由此可見，氧化膜缺陷在薄規(guī)格和強(qiáng)度相對較大的品種金屬種類中出現(xiàn)幾率較大。而金屬板的規(guī)格與強(qiáng)度的差異，影響的主要還是軋制過程的軋制溫度和負(fù)荷，這一定程度上印證了高溫、高壓力導(dǎo)致軋輥氧化膜剝落從而增加了軋輥氧化膜剝落缺陷。

2 關(guān)鍵影響因素研究

鑒于軋輥氧化膜剝落與不同種類金屬板表面氧化膜缺陷的對應(yīng)關(guān)系，采用單一變量法，分別對熱軋精軋機(jī)組可有效控制的開軋溫度、工作輥冷卻水、軋制負(fù)荷與金屬板表面氧化膜缺陷率的關(guān)系進(jìn)行了研究。精軋開軋溫度與金屬板氧化膜缺陷率的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。隨著金屬板開軋溫度的提高，氧化膜缺陷率呈S型增長。即開軋溫度低于1070℃時，隨著開軋溫度的升高，氧化膜缺陷率增加較為緩慢；在開軋溫度處于1070℃～1090℃時，隨著開軋溫度升高，氧化膜缺陷率急劇增加；當(dāng)開軋溫度高于1090℃時，氧化膜缺陷率一直處于相對較高的水平，并不隨著開軋溫度的升高而繼續(xù)增加。

圖4 開軋溫度對氧化膜缺陷的影響

工作輥冷卻水量與金屬板氧化膜缺陷率的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。當(dāng)冷卻水量低于75%時，氧化膜缺陷率處于較高水平。當(dāng)冷卻水量大于80%時，氧化膜缺陷率較低，并不隨冷卻水量的增加而明顯變化。

圖5 冷卻水量對氧化膜的影響

軋制負(fù)荷與金屬板氧化膜缺陷率的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示。氧化膜缺陷率隨著軋制負(fù)荷的增加呈近似J型曲線增長。即隨著軋制負(fù)荷的增加金屬板表面氧化膜缺陷率一直呈增加狀態(tài)。

圖6 軋制負(fù)荷對氧化膜的影響

3 分析討論

開軋溫度低于1070℃時，軋制過程中軋輥溫度相對較低，軋輥表面氧化膜生長速度較為緩慢，結(jié)構(gòu)致密，與軋輥結(jié)合力相對較強(qiáng)。

隨著開軋溫度的升高，軋輥表面氧化膜生長速度快速增加，氧化膜成分逐漸變得結(jié)構(gòu)松散，與軋輥結(jié)合力變?nèi)酰堓佈趸と菀讋兟?，形成氧化膜缺陷。?dāng)軋輥表面的氧化膜全部轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)松散的成分后，軋輥氧化膜剝落及金屬板表面氧化膜缺陷達(dá)到最大，并且不隨著開軋溫度的繼續(xù)升高而變化。

工作輥冷卻水量對軋輥氧化膜剝落的影響與開軋溫度原理相同。當(dāng)冷卻水量低時，軋輥表面溫度相對較高，生成的氧化膜結(jié)構(gòu)相對松散，與軋輥結(jié)合力弱，容易剝落形成表面的氧化膜缺陷。當(dāng)冷卻水量大于80%時，軋輥軋制過程與金屬板的交換熱能及時得到冷卻，軋輥表面生成的氧化膜結(jié)構(gòu)致密，與軋輥結(jié)合力強(qiáng)，不易剝落，因此金屬板表面氧化膜缺陷減少。當(dāng)軋輥表面溫度冷卻到一定程度后，其氧化膜成分結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化，所以金屬板表面氧化膜缺陷也不再明顯變化。

軋制負(fù)荷在軋制過程中與軋輥表面氧化膜所受剪切力呈正相關(guān)關(guān)系，軋制負(fù)荷越大，軋輥表面氧化膜受到的剪應(yīng)力越大，越容易剝落。所以軋制負(fù)荷越大，氧化膜缺陷率越大，并且呈J型曲線趨勢。

4 結(jié)論

軋輥氧化膜剝落是金屬板表面氧化膜缺陷形成的重要原因。而開軋溫度、軋輥冷卻水、軋制負(fù)荷均對軋輥氧化膜的剝落缺陷有著重要的影響。

開軋溫度對軋輥氧化膜剝落缺陷的影響，呈先增加速度小，后增加速度增大，然后又增加速度減小的規(guī)律。因此，在制定軋制規(guī)程時，盡量將開軋溫度控制在快速增長之下為宜，即低于1070℃。

工作輥冷卻水量對軋輥氧化膜剝落缺陷的影響，主要看水量是否能有效的降低軋輥表面溫度，過多的水量并不會有更大的益處，一般工作輥冷卻水量控制在85%左右即可。軋制負(fù)荷與軋輥氧化膜剝落缺陷呈正相關(guān)關(guān)系，應(yīng)作為軋制過程控制的重點。