節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼冷軋斷帶原因分析及控制措施

供稿|羅興壯，羅慶革，楊劍洪，潘禮雙，錢學(xué)海 / LUO Xing-zhuang, LUO Qing-ge, YANG Jian-hong, PAN Lishuang, QIAN Xue-hai

內(nèi)容導(dǎo)讀

節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼具有良好的性能因而在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。柳鋼中金冷軋廠950 mm不銹鋼冷連軋機(jī)組自投產(chǎn)以來斷帶率一直居高不下。文章分析了不銹鋼冷連軋軋制過程發(fā)生斷帶的原因，指出原料質(zhì)量缺陷是導(dǎo)致冷連軋過程斷帶的主要原因，其次是操作不當(dāng)、工裝設(shè)備故障及焊縫質(zhì)量不高造成斷帶。通過加強(qiáng)原料表面質(zhì)量監(jiān)控、優(yōu)化軋制工藝參數(shù)及規(guī)范操作等措施，使冷連軋斷帶率降低至較低水平，提高冷連軋機(jī)組有效作業(yè)率，降低生產(chǎn)工序成本。

柳鋼中金950 mm不銹鋼冷連軋機(jī)組采用6機(jī)架六輥軋機(jī)，年設(shè)計(jì)產(chǎn)能30萬t，產(chǎn)品規(guī)格：厚度0.60～2.2 mm，寬度485～800 mm；鋼種主要為節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼，其具有良好的耐蝕性、高低溫性能、力學(xué)性能及工藝性能，廣泛應(yīng)用于建筑裝飾、電器化工、衛(wèi)生設(shè)備、交通運(yùn)輸、航空航天及核工業(yè)等各領(lǐng)域[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼的需求不斷擴(kuò)大。冷連軋機(jī)組在軋制過程中發(fā)生斷帶故障是冷軋工序的主要生產(chǎn)故障之一[2]。柳鋼中金冷軋廠自2018年7月試生產(chǎn)以來，累計(jì)生產(chǎn)約13萬t，連軋斷帶率一直居高不下，最高月份斷帶率為1.59%。本文主要分析冷連軋機(jī)組軋制過程發(fā)生斷帶的規(guī)律，通過加強(qiáng)原料表面質(zhì)量監(jiān)控、優(yōu)化軋制工藝參數(shù)及規(guī)范操作等控制措施，降低連軋斷帶率，提高連軋機(jī)組有效作業(yè)率，達(dá)到降低生產(chǎn)工序成本。

斷帶原因分析

不銹鋼冷軋機(jī)組軋制過程中的斷帶事故主要發(fā)生在焊縫區(qū)域和非焊縫區(qū)域。在焊縫區(qū)域斷帶的主要原因是焊縫質(zhì)量不好及焊縫區(qū)軋制參數(shù)設(shè)置不合理；非焊縫區(qū)域斷帶主要原因是原料存在邊裂、夾雜、脫皮、凹坑等缺陷，軋制張力、速度、壓下量等參數(shù)設(shè)置不合理以及軋制操作故障及工裝設(shè)備故障等[3]。此外，節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼冷軋形變誘導(dǎo)馬氏體相變加重材料加工硬化程度也是導(dǎo)致冷連軋斷帶的原因之一[4]。柳鋼中金冷軋廠軋制過程發(fā)生斷帶情況見表1。從表1可以看出，原料質(zhì)量缺陷是導(dǎo)致冷連軋過程斷帶的主要原因，自2018年7月投產(chǎn)至2019年5月底，原料質(zhì)量缺陷導(dǎo)致斷帶次數(shù)占總斷帶的比例為60.47%，其次是由于操作、工裝設(shè)備及焊縫原因造成斷帶。

表1 2018年7月—2019年5月冷連軋過程斷帶情況統(tǒng)計(jì)

原料質(zhì)量缺陷導(dǎo)致斷帶

在原料質(zhì)量缺陷中，能導(dǎo)致冷連軋斷帶的缺陷主要有：邊部裂紋、孔洞、夾雜分層、來料厚差、硬度不均以及折疊，其他如鐮刀彎、厚度波動(dòng)、板形不良等缺陷，達(dá)到一定程度后也可導(dǎo)致斷帶[5-6]。原料缺陷導(dǎo)致連軋過程斷帶的宏觀形貌如圖1。

原料邊部因冶煉、軋制及物理撞傷、刮傷出現(xiàn)明顯裂縫或缺口時(shí)，開卷操作人員較容易發(fā)現(xiàn)，對(duì)缺陷部位進(jìn)行打磨、切除等處理，來不及處理時(shí)通知軋機(jī)主操在軋制過程中采取相應(yīng)措施，避免斷帶事故發(fā)生。但帶鋼邊部存在微小裂紋時(shí)，開卷操作人員檢查時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，帶鋼裂紋部位在經(jīng)5輥拉矯機(jī)拉延時(shí)，裂紋隨著帶鋼的延伸向板面內(nèi)擴(kuò)展，裂紋部位進(jìn)入軋機(jī)后，在機(jī)架間變形及張力作用下發(fā)生斷帶，如圖1(a)所示。尤其在軋制薄規(guī)格時(shí)，帶鋼總變形量較大，加劇節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼加工硬化程度，帶鋼邊部缺陷導(dǎo)致斷帶幾率更高。

帶鋼板面存在孔洞時(shí)，且孔洞距離帶鋼邊部較近，其斷帶過程與邊裂相似，鋼帶因夾雜等原因形成大孔洞，即使孔洞不在鋼帶邊部，進(jìn)入軋機(jī)后會(huì)導(dǎo)致機(jī)架內(nèi)張力偏差較大，引起軋制波動(dòng)而導(dǎo)致斷帶，如圖1(b)所示。

圖1 幾種常見原料缺陷斷帶宏觀形貌：(a) 邊部壓印缺口；(b) 孔洞；(c) 折疊、脫皮

帶鋼折疊、脫皮部位進(jìn)入軋機(jī)后，由于各部分帶鋼延伸率不均勻，造成機(jī)架間張力失穩(wěn)發(fā)生斷帶，如圖1(c)所示。來料帶鋼厚差加大時(shí)，帶鋼進(jìn)入軋機(jī)時(shí)會(huì)導(dǎo)致F1機(jī)架軋制力迅速上升，入口張力急劇下降，從而導(dǎo)致帶鋼打滑或嚴(yán)重跑偏斷帶。

冷軋操作故障

軋機(jī)區(qū)檢測(cè)儀器較多，操作人員通過測(cè)厚儀、張力計(jì)、傳感器等儀器對(duì)整個(gè)軋制過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)某一檢測(cè)儀器發(fā)生故障時(shí)可能導(dǎo)致操作人員調(diào)整失誤而造成斷帶，尤其是軋機(jī)入口測(cè)厚儀和各個(gè)張力計(jì)。入口測(cè)厚儀發(fā)生故障時(shí)，AGC無法對(duì)原料的厚度波動(dòng)及時(shí)準(zhǔn)確響應(yīng)，若原料厚度波動(dòng)較大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致后機(jī)架張力波動(dòng)大而造成嚴(yán)重?cái)鄮?。在軋制過程中，操作人員會(huì)依據(jù)帶鋼在操作側(cè)與傳動(dòng)側(cè)的張力偏差來調(diào)整軋機(jī)的水平度，如果張力計(jì)發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致調(diào)整失誤而發(fā)生斷帶[5]。

工裝設(shè)備故障導(dǎo)致斷帶

軋輥和軸承是軋機(jī)主要工裝設(shè)備，投產(chǎn)初期軋輥使用管理不規(guī)范，存在內(nèi)裂紋的軋輥未探傷使用、下線軋輥未待應(yīng)力釋放即修磨上線、工作輥硬度較高等，導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中軋輥剝落時(shí)有發(fā)生，其破壞特征是從內(nèi)向外剝離，破壞時(shí)表面無明顯預(yù)兆，具有突發(fā)性。在生產(chǎn)中突然出現(xiàn)軋輥剝落，剝落處軋輥會(huì)將帶鋼軋裂，甚至斷帶[6]。此外，生產(chǎn)過程中工作輥軸承磨損卡死或燒壞，致使軋輥無法運(yùn)轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致斷帶。

形變誘導(dǎo)馬氏體體積分?jǐn)?shù)較高導(dǎo)致斷帶

節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼為典型亞穩(wěn)定奧氏體不銹鋼，塑性變形會(huì)使亞穩(wěn)定面心立方奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂需F磁性的體心立方馬氏體，形變馬氏體對(duì)不銹鋼性能有較大的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[7]得知，節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼形變馬氏體體積分?jǐn)?shù)曲線如圖2所示。當(dāng)應(yīng)變量小于5%時(shí)，材料中無馬氏體相變產(chǎn)生；當(dāng)應(yīng)變量超過5%時(shí)，馬氏體含量隨應(yīng)變量的增加而增多；在應(yīng)變量小于20%時(shí)，不銹鋼產(chǎn)生少量的形變馬氏體；應(yīng)變量在20%～50%之間時(shí)，形變馬氏體隨應(yīng)變量的增加而急劇增加，幾乎呈線性關(guān)系；當(dāng)應(yīng)變量大于50%時(shí)，形變馬氏體含量仍有所增加，但是增加速率減小。形變誘導(dǎo)馬氏體體積分?jǐn)?shù)增加，使加工硬化程度加劇，當(dāng)不銹鋼軋制過程總壓下率達(dá)到一定程度后，其所特有的時(shí)效裂紋就會(huì)發(fā)生裂紋擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到一定程度將會(huì)導(dǎo)致斷帶。

圖2 工程應(yīng)變量與形變馬氏體體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

焊縫區(qū)域斷帶原因

節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼合金含量較高，加工硬化程度大，總壓下率要求控制在50%～70%之間，因此來料焊縫區(qū)域要承受比帶鋼非焊縫區(qū)域更大的應(yīng)變量而不發(fā)生斷帶，這就要求焊縫區(qū)域必須具有較高的焊接質(zhì)量。軋制過程中在焊縫區(qū)域發(fā)生斷帶的主要原因是焊縫質(zhì)量不好及焊縫區(qū)的軋制參數(shù)設(shè)置不合理。

降低斷帶率的措施

原料質(zhì)量缺陷監(jiān)控

據(jù)統(tǒng)計(jì)目前柳鋼中金酸洗白皮卷質(zhì)量缺陷導(dǎo)致斷帶次數(shù)占總斷帶比例為60.47%，可見，原料質(zhì)量缺陷是導(dǎo)致冷連軋過程斷帶的主要原因之一。常見原料質(zhì)量缺陷為邊裂、脫皮、夾雜、孔洞、壓印(凹坑)等，生產(chǎn)過程中必須加強(qiáng)對(duì)酸洗白皮卷表面及邊部質(zhì)量監(jiān)控。操作人員必須在開卷前后、激光焊機(jī)前、軋機(jī)入口處詳細(xì)檢查鋼帶表面及邊部質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)原料邊部存在裂紋、撞傷缺口、脫皮、壓印等缺陷時(shí)，必須采用手持砂輪打磨處理，直至缺陷位置光滑，必要時(shí)采用沖邊剪切除，并打磨月牙位置毛刺。對(duì)缺陷出現(xiàn)在帶鋼頭尾附近，必須完全切除缺陷鋼帶，同時(shí)做好原料缺陷程度對(duì)冷連軋過程斷帶的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將帶鋼缺陷處理情況信息傳遞給軋機(jī)主操作工，為軋制該缺陷卷的相關(guān)帶鋼位置時(shí)對(duì)軋制參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)。當(dāng)缺陷位于帶鋼中部，生產(chǎn)過程無法處置或發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，應(yīng)提前將相關(guān)情況告知軋機(jī)主操作工，采用低速、小壓下、小張力等軋制措施，嚴(yán)重時(shí)甚至穿帶通過，最大程度降低斷帶風(fēng)險(xiǎn)。

冷軋操作故障控制

加強(qiáng)對(duì)軋機(jī)工作輥換輥輥道、7個(gè)測(cè)張輥等極限信號(hào)檢查加固，防止松動(dòng)；每班按操作規(guī)程要求對(duì)6個(gè)測(cè)厚儀的運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，并定期校正測(cè)厚儀；軋機(jī)主操作工時(shí)刻注意軋機(jī)主傳動(dòng)電流變化，以防超過保護(hù)極限值跳閘停車，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象及時(shí)通知電氣技術(shù)員進(jìn)行處理，同時(shí)配合軋機(jī)液壓工密切關(guān)注傳動(dòng)系統(tǒng)、AGC系統(tǒng)壓力變化及液壓伺服閥運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)向液壓工反映處理，時(shí)刻關(guān)注六連軋軋機(jī)主體設(shè)備及控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，有異響或其他不正常現(xiàn)象及時(shí)停機(jī)查找問題，保證軋機(jī)各設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行正常，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致操作失誤斷帶。

加強(qiáng)工裝設(shè)備使用管理

根據(jù)軋輥使用爆輥情況及綜合分析得知，工作輥頻繁爆輥斷帶的主要原因是軋輥內(nèi)部存在微裂紋、下線軋輥殘余應(yīng)力未釋放完就修磨上線使用，以及工作輥硬度偏高等。因此，通過優(yōu)化軋輥磨削工藝、完善軋輥探傷輪休要求、適當(dāng)降低軋輥硬度等措施，爆輥導(dǎo)致斷帶幾率得到大大降低。同時(shí)規(guī)范軋輥軸承使用管理要求，提高軸承質(zhì)量和使用壽命，并定期檢查使用情況，有問題提前更換，避免因軸承磨損和燒壞導(dǎo)致軋輥停止運(yùn)轉(zhuǎn)而斷帶。

形變馬氏體組織控制

節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼冷軋過程形變誘導(dǎo)馬氏體體積分?jǐn)?shù)隨應(yīng)變量的增加而增加，隨著馬氏體體積分?jǐn)?shù)的增加，材料加工硬化程度逐漸升高，當(dāng)總壓下率達(dá)到一定程度后其特有的時(shí)效裂紋就會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后將會(huì)導(dǎo)致斷帶。實(shí)踐證明，軋制規(guī)格越薄，形變誘導(dǎo)馬氏體體積分?jǐn)?shù)越高，斷帶率越高，因此，節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼冷連軋總壓下率控制在50%～70%之間比較適宜，既保證產(chǎn)品表面質(zhì)量，同時(shí)有效降低斷帶率。

焊縫質(zhì)量控制

焊縫位置斷帶的主要原因是焊接質(zhì)量不佳及參數(shù)設(shè)置不合理。因此，需要加強(qiáng)激光焊機(jī)設(shè)備管理，保證設(shè)備運(yùn)行工況良好，同時(shí)確定合理的焊接工藝參數(shù)及軋制工藝參數(shù)。每班按規(guī)程要求進(jìn)行焊縫試樣沖孔實(shí)驗(yàn)，確保焊縫質(zhì)量良好，不斷優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，并要求使用手持砂輪對(duì)每卷焊縫月牙位置的毛刺進(jìn)行打磨，直至光滑，避免軋制過程因應(yīng)力集中而斷帶。同時(shí)生產(chǎn)排產(chǎn)嚴(yán)格控制焊縫前后兩帶鋼的厚差比和寬差比，盡量避免將厚差比、寬差比大的鋼卷排在一起，當(dāng)由于原料規(guī)格等原因無法避免時(shí)，為保證生產(chǎn)穩(wěn)定，必須提前與軋機(jī)主操作工溝通確認(rèn)，采用低速軋制，避免帶鋼發(fā)生斷帶故障。

改進(jìn)效果

通過加強(qiáng)原料質(zhì)量監(jiān)控、優(yōu)化軋制工藝參數(shù)、強(qiáng)化工裝設(shè)備使用管理、合理控制馬氏體體積分?jǐn)?shù)等一系列措施，冷連軋生產(chǎn)過程中斷帶率明顯降低，見表2。從表2可以看出，冷連軋總斷帶率大幅度降低，原料質(zhì)量缺陷、冷軋操作等原因?qū)е碌臄鄮释瑫r(shí)均有較大幅度的降低。提高了連軋機(jī)組有效作業(yè)率，降低生產(chǎn)成本。

表2 2019年4～5月冷連軋過程斷帶情況統(tǒng)計(jì)

結(jié)束語

通過分析節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼冷連軋過程發(fā)生斷帶的原因，采取加強(qiáng)原料質(zhì)量監(jiān)控、優(yōu)化軋制工藝參數(shù)及規(guī)范操作等措施，冷連軋斷帶率得到有效改善。

(1) 節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼冷軋過程發(fā)生斷帶主要原因是原料質(zhì)量缺陷，原料質(zhì)量缺陷導(dǎo)致斷帶次數(shù)占總斷帶的比例為60.47%。

(2) 通過加強(qiáng)熱軋來料表面及邊部質(zhì)量監(jiān)控，優(yōu)化冷連軋工藝參數(shù)及操作等措施，同時(shí)確保工裝設(shè)備運(yùn)行狀況良好，冷連軋過程發(fā)生斷帶率得到大幅降低，2019年5月份總斷帶率降低至0.35%，提高連軋機(jī)組作業(yè)率，降低生產(chǎn)成本。