熱軋薄帶鋼異常斷面的分析與改進(jìn)

方少華

（上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京210039）

1 前 言

近年來，隨著熱軋產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量控制水平的快速提升，上下游工序的溝通更加緊密，下游工序更多質(zhì)量缺陷能夠得到快速識別和改進(jìn)，如冷軋帶鋼局部起筋與熱軋帶鋼橫斷面質(zhì)量之間的關(guān)系。通過長期的摸索和積累，熱軋工序?qū)ΤＲ姷膸т撨叢糠绰N類的橫斷面成因已有明確認(rèn)識，即軋輥邊部局部磨損嚴(yán)重造成。為了提升熱軋帶鋼橫斷面質(zhì)量，常規(guī)的控制手段有合理編排軋制計(jì)劃、優(yōu)化竄彎輥控制策略、提升軋制潤滑效果改善軋輥磨損等［1］。但是對于發(fā)生率較低的帶鋼橫斷面中部及單側(cè)形狀異常的觀點(diǎn)不盡相同。以下是某熱軋產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中遇到的兩種異常橫斷面的分析與改進(jìn)。

2 斷面缺陷分析

2.1 中部凹陷斷面

2.1.1 缺陷形貌

該產(chǎn)線精軋前機(jī)架F0至F3的工作輥為高速鋼輥，在F2機(jī)架高速鋼輥使用過程中，帶鋼橫斷面中部出現(xiàn)凹陷的現(xiàn)象（見圖1），凹陷程度一般在3～8 μm。針對該現(xiàn)象，對各機(jī)架工作輥下機(jī)輥形進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)2機(jī)架下輥中部有明顯凸起（見圖2），且凸起程度與上機(jī)使用次數(shù)呈正相關(guān)，一般在上機(jī)使用4次后中部凸起程度能達(dá)到120～180 μm左右。

2.1.2 中部斷面凹陷分析

針對F2機(jī)架下機(jī)工作輥中部凸起的磨損異常，經(jīng)分析認(rèn)為造成此現(xiàn)象有3種可能：1）F2入口帶鋼橫斷面溫度分布不均勻；2）軋輥橫向冷卻不均；3）軋制油橫向潤滑不均勻。

圖1 帶鋼斷面中部凹陷

圖2 F2機(jī)架下輥中部凸起

為進(jìn)一步確定中部磨損不均勻的原因，分別對F2機(jī)架入口的機(jī)架間除鱗打擊重合度、軋輥冷卻水分布、入口防剝落水及軋制潤滑進(jìn)行了檢查。通過現(xiàn)場檢查確認(rèn)，機(jī)架間除鱗打擊重合度、軋輥冷卻水狀態(tài)均正常，防剝落水和軋制潤滑水嘴均無堵塞。同時還分別做了關(guān)閉F1、F2機(jī)架間除鱗、軋制潤滑以及關(guān)閉防剝落水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：1）關(guān)閉F1、F2機(jī)架間除鱗、軋制潤滑后的下機(jī)輥形演變情況如圖3所示，隨著上機(jī)次數(shù)的增加，下機(jī)輥中部凸起以每次30～40 μm的程度增加，說明下機(jī)輥中部凸起現(xiàn)象與機(jī)架間除鱗、軋制潤滑狀態(tài)無對應(yīng)關(guān)系。2）關(guān)閉F2機(jī)架入口防剝落水后下機(jī)輥形演變情況如圖4所示，每次下機(jī)后輥形沒有大的變化，中部凸起沒有隨著使用次數(shù)的增加而增加，只是磨損的增加。試驗(yàn)說明下機(jī)輥中部凸起現(xiàn)象與F2入口防剝落水的狀態(tài)有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

圖3 關(guān)閉機(jī)架間除鱗和軋制潤滑的F2下輥輥形演變

圖4 關(guān)閉F2防剝落水的下輥輥形演變

在確認(rèn)下機(jī)輥中部凸起導(dǎo)致帶鋼斷面中部凹陷問題與F2入口防剝落水有明顯的對應(yīng)關(guān)系后，對F2下防剝落水的狀態(tài)進(jìn)行了進(jìn)一步檢查。采取只裝下工作輥的方法進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)F2入口下防剝落水中部有兩個水嘴與入口導(dǎo)衛(wèi)中間鼻梁有干涉現(xiàn)象。防剝落水先噴射到鼻梁下沿后反彈到帶鋼表面，造成帶鋼中部防剝落水未完全均勻地噴射到帶鋼表面。且在不同軋輥輥徑工況條件下，干涉情況不一樣，在輥徑較小時防剝落水與導(dǎo)衛(wèi)不會干涉，當(dāng)輥徑逐漸增加后干涉情況逐步加重。

針對不同輥徑條件下干涉程度不一樣的問題對照圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)存在最大輥徑時會發(fā)生導(dǎo)衛(wèi)與鼻梁干涉現(xiàn)象，如圖5所示。由于當(dāng)初考慮防剝落水的作用是冷卻帶鋼表面，防止軋輥表面氧化膜剝落。從長期的生產(chǎn)實(shí)際來看，工作輥表面質(zhì)量及帶鋼表面質(zhì)量均正常，因此該問題未能引起重視。但在高速鋼軋輥投入使用的過程中，對帶鋼斷面質(zhì)量的影響逐漸凸顯出來。

圖5 防剝落水的理論設(shè)計(jì)

2.1.3 解決措施

經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，F(xiàn)2機(jī)架下防剝落水只有中間2個水嘴存在與鼻梁干涉問題，從圖紙?jiān)O(shè)計(jì)看，鼻梁的設(shè)計(jì)比導(dǎo)衛(wèi)底板長30 mm，其他水嘴都能正常噴射，兩側(cè)導(dǎo)衛(wèi)底板在移動過程中與防剝落水并不干涉。在確認(rèn)該異常后，將鼻梁長度調(diào)整成與導(dǎo)衛(wèi)底板長度一致，從而干涉問題得以解決。

鼻梁長度調(diào)整后，下機(jī)工作輥輥面中部凸起現(xiàn)象消失，帶鋼橫斷面質(zhì)量也恢復(fù)正常。鼻梁調(diào)整后帶鋼斷面如圖6所示，可以看出斷面形狀整體貼近二次函數(shù)，斷面形狀較為理想。

圖6 防剝落狀態(tài)調(diào)整后的帶鋼斷面

從該缺陷的改進(jìn)中可知，防剝落水不僅對帶鋼表面質(zhì)量影響較大，同時對帶鋼橫斷面質(zhì)量也有非常大的影響。防剝落水對工作輥下機(jī)輥形的影響機(jī)理為：當(dāng)防剝落水噴射不均勻時，防剝落水噴射到的區(qū)域帶鋼表面溫度低，摩擦系數(shù)大，軋輥磨損大；防剝落水未噴射到的區(qū)域帶鋼表面溫度高，摩擦系數(shù)小，軋輥磨損小，當(dāng)橫向噴射不均時軋輥異常磨損的落差會不斷加劇，且隨著使用次數(shù)的增加而持續(xù)加重。

2.2 斷面單側(cè)塌陷

2.2.1 缺陷形貌和成因

該熱軋產(chǎn)線在實(shí)際生產(chǎn)過程中還有一種單側(cè)塌陷的異常斷面，具體表現(xiàn)為帶鋼凸度正常，但帶鋼橫斷面兩側(cè)的形狀明顯不對稱，如圖7所示。此現(xiàn)象主要在同寬軋制時出現(xiàn)，當(dāng)軋制規(guī)格或品種發(fā)生變化時有明顯改善甚至消失，對下機(jī)工作輥冷熱輥形和輥溫測量無明顯異常。

圖7 斷面?zhèn)鲃觽?cè)塌陷

針對換規(guī)格或鋼種后單側(cè)塌陷有改善或消失的現(xiàn)象，經(jīng)分析認(rèn)為，當(dāng)換規(guī)格或鋼種時，由于各機(jī)架溫度及負(fù)荷發(fā)生變化，各機(jī)架需要不同的輥凸度來保證板形，所以竄輥動作量會相應(yīng)變化。而同寬軋制時軋制工藝穩(wěn)定，板形自學(xué)習(xí)波動很小，此時竄輥?zhàn)兓啃　Ｈ舾Z輥長期處于小范圍工作，則易形成局部磨損或熱膨脹［2］。

2.2.2 解決措施

1）前段機(jī)架輥形的優(yōu)化。該產(chǎn)線除F0機(jī)架外其他機(jī)架都具備竄輥功能，竄輥范圍±95 mm，輥形均為CVC輥形。由于熱連軋產(chǎn)線一般將F0～F3認(rèn)為是前段機(jī)架，F(xiàn)4～F6認(rèn)為是后段機(jī)架，前段機(jī)架主要作用是將來料凸度轉(zhuǎn)換為出口目標(biāo)凸度的比例凸度，為保證機(jī)架間板形及機(jī)組出口有良好的平直度，后段機(jī)架按目標(biāo)凸度比例凸度軋制。各機(jī)架本身凸度控制能力以及在整個機(jī)組中的不同位置，原輥形配置中將F1～F3機(jī)架采用CVC4輥形（等效凸度范圍為-600～300 μm），后段機(jī)架采用CVC1輥形（等效凸度范圍為-300～-50 μm）。按照竄輥位置利用率=竄輥在0～+95位置的塊數(shù)/軋制總塊數(shù)×100%的方式，對各機(jī)架竄輥在0～+95位置的利用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，F(xiàn)1～F3機(jī)架竄輥位置在0～+95 mm的概率分別為5.32%、12.67%、20.58%，證明在竄輥位置在0～-95 mm的概率分別為94.68%、87.33%、79.42%。竄輥范圍主要集中在負(fù)向竄輥，不利于軋輥的均勻?qū)ΨQ磨損，容易形成局部磨損。對輥形的等效凸度范圍重新評估，在滿足最終帶鋼凸度控制能力的前提下，輥身長度不變軋輥等效凸度范圍變小后輥形變得更加平緩，平緩輥形需要更大竄輥量來實(shí)現(xiàn)相同的凸度變化量，從而實(shí)現(xiàn)單塊鋼之間的竄輥步長增加的目的。經(jīng)過上機(jī)器試驗(yàn)，最終將前段機(jī)架輥形優(yōu)化為CVC2（等效凸度范圍為-600～50 μm）。

表1 各機(jī)架竄輥位置在0～+95范圍利用率

2）變凸度軋制功能的開發(fā)與應(yīng)用。在同寬軋制過程中，材料的各項(xiàng)屬性及軋線的工藝固定不變，板形自學(xué)習(xí)可以很快命中目標(biāo)凸度范圍內(nèi)，單塊鋼之間的竄輥位置也相對固定，易形成局部磨損或熱量集中，所以需要在相對穩(wěn)定的條件下打破這種平衡來增加竄輥步長。板形模型中的竄輥量是以帶鋼的目標(biāo)凸度來進(jìn)行設(shè)定計(jì)算［3］，若在同寬軋制時強(qiáng)制將模型用于計(jì)算的目標(biāo)凸度在凸度公差范圍內(nèi)調(diào)整就可以打破原有的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)增大竄輥步長的目的。基于以上思路，在原有模型中增加了變凸度功能。即將模型中的設(shè)定凸度目標(biāo)值在原來基礎(chǔ)上，增加±4 μm以內(nèi)的凸度目標(biāo)凸度隨機(jī)修正值，板形模型根據(jù)目標(biāo)凸度與修正值的和作為計(jì)算使用目標(biāo)凸度值設(shè)定。在軋制某一固定規(guī)格時模型開始計(jì)數(shù)，當(dāng)相同規(guī)格連續(xù)軋制到第4塊時，啟動變凸度軋制功能，最終實(shí)現(xiàn)竄輥步長的增大。

2.2.3 改進(jìn)后效果

工作輥CVC輥形優(yōu)化與變凸度軋制功能投入使用后，竄輥范圍如圖8所示。輥形優(yōu)化與變凸度軋制功能投入使用前，F(xiàn)1～F3竄輥范圍在+40～-95 mm。輥形優(yōu)化與變凸度軋制功能投入使用后，F(xiàn)1～F3機(jī)架竄輥位置分布向正向范圍移動，竄輥使用范圍在+50～-75 mm，竄輥利用率提高。同寬軋制時，竄輥步長有所增大，竄輥在極限位工作的情況消失，軋輥磨損均勻性得到改善，斷面單側(cè)塌陷問題得到有效解決。斷面形狀曲線如圖9所示。

3 結(jié)論

3.1 防剝落水不僅對帶鋼表面質(zhì)量有影響，同時防剝落水噴射不均勻產(chǎn)生的不均勻磨損和熱膨脹，也會對帶鋼斷面質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

3.2 在現(xiàn)場機(jī)組工況條件變化較小的條件下，增加竄輥步長和提高竄輥行程的利用率對斷面質(zhì)量有明顯改善作用。

圖8 竄輥位置對比情況

圖9 優(yōu)化后的斷面形狀

3.3 斷面質(zhì)量改善的落腳點(diǎn)還是要以均勻軋輥磨損和熱膨脹為基礎(chǔ)。