高速線材裂紋原因分析與控制

尚俊男，劉磊剛，車安，楊迎強(qiáng)

（鞍鋼股份有限公司線材廠，遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼股份有限公司線材廠（以下簡(jiǎn)稱“鞍鋼線材廠”）2#線于2010 年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)格范圍為Ф5.0～Ф25.0 mm，產(chǎn)品包括簾線鋼、冷鐓鋼、鋼繩用鋼、焊絲鋼、彈簧鋼、預(yù)應(yīng)力用鋼六大類400 余個(gè)品種。 隨著品種結(jié)構(gòu)以及市場(chǎng)需要的變化，對(duì)盤條表面要求逐步提高，尤其汽車彈簧鋼、汽車?yán)溏呬摗⒑熅€鋼等鋼種，要求表面“零缺陷”[1]。2015—2020 年線材廠多次接收到客戶異議和抱怨，如某客戶使用SCM435、ML40Cr 等牌號(hào)合金冷鐓鋼打制螺栓時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。盤條鋼表面裂紋缺陷嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此，為提高產(chǎn)線的控制能力，對(duì)盤條表面裂紋控制的要點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

1 工藝路線

按照軋件通過(guò)的順序，鞍鋼線材廠2#線軋線工藝布置依次為：加熱鋼坯—高壓水除鱗裝置—一粗軋（4 架軋機(jī)）—脫頭輥道—二粗軋（2 架軋機(jī)）—中軋（8 架軋機(jī)）—預(yù)精軋1 組（4 架軋機(jī)）—預(yù)精軋二組（2 架軋機(jī)）—精軋機(jī)組（8 架軋機(jī)）—雙模塊減定徑機(jī)組 （4 架軋機(jī)）—水箱—測(cè)徑儀—吐絲機(jī)前夾送輥—吐絲機(jī)，全線軋機(jī)除粗軋1#、2#軋機(jī)采用箱型孔外，其余道次軋機(jī)均采用橢圓-圓孔型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全連續(xù)無(wú)扭軋制。其中，Ф5.0～Ф11.5 mm 線材的軋制線為直線，軋件經(jīng)精軋后到減定徑，Ф12.0～Ф25.0 mm 線材的軋制線為軋件經(jīng)預(yù)精軋后經(jīng)過(guò)旁通到減定徑。

2 線材表面裂紋產(chǎn)生原因

2.1 坯料缺陷

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，嚴(yán)重的坯料橫裂紋、縱裂紋均會(huì)遺傳至成品表面，嚴(yán)重影響線材表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)需要整批判廢。 坯料常見(jiàn)的表面缺陷有縱裂紋、橫裂紋、氣孔、夾渣等各種缺陷[2]。 判斷盤條上的表面裂紋是由煉鋼連鑄引起的還是由軋鋼引起的，看裂紋周邊有無(wú)氧化特征不是唯一判定標(biāo)準(zhǔn)[3]。 經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼坯表面缺陷控制在一定范圍內(nèi)，軋制至成品道次缺陷也可消除。 在軋制孔型一定的條件下，裂紋深度隨變形量的增加而減小，而且可以初步認(rèn)為軋制過(guò)程中軋件表面裂紋深度與橫截面積的變化成正比[4]。因此，將2#線生產(chǎn)作業(yè)區(qū)生產(chǎn)的鋼坯人為制造缺陷，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)軋制并總結(jié)數(shù)據(jù)，鋼坯表面橫縱人工裂紋及鋼坯裂紋遺傳金相照片分別如圖1、 圖2所示。通過(guò)理論計(jì)算得出不同規(guī)格線材表面裂紋深度0.05 mm 時(shí)所對(duì)應(yīng)的鋼坯裂紋深度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋼坯橫縱裂紋深度Table 1 Depth of Transverse and Longitudinal Cracks in Steel Billetsmm

圖1 鋼坯表面橫縱人工裂紋Fig. 1 Horizontal and Vertical Artificial Cracks on Surface of Steel Billets

圖2 鋼坯裂紋遺傳金相照片F(xiàn)ig. 2 Metallographic Photos of Crack Inheritances on Steel Billets （50×）

2.2 軋制缺陷

2.2.1 軋輥產(chǎn)生的缺陷

軋輥產(chǎn)生的缺陷如圖3 所示。

圖3 軋輥產(chǎn)生的缺陷Fig. 3 Defects Caused by Rolling Rolls

（1）由于缺少冷卻水、 軋輥超周期使用以及材質(zhì)等原因易造成軋輥表面出現(xiàn)裂紋，如圖3（a）所示。圖3（b）為軋輥表面裂紋對(duì)線材的影響，可以看出，軋輥表面裂紋對(duì)冷鐓鋼表面產(chǎn)生嚴(yán)重影響，在金相上呈“結(jié)疤狀”裂紋，裂紋呈小角度延伸至基體。

（2）當(dāng)改變軋輥材質(zhì)時(shí)，由于不同材質(zhì)的寬展系數(shù)不同，軋制線上相應(yīng)的鐵型尺寸也發(fā)生了變化，會(huì)產(chǎn)生寬展超寬的情況，導(dǎo)致軋件刮磨導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)襯板和導(dǎo)輪“軋鋼”的情況，在成品表面會(huì)出現(xiàn)多條細(xì)裂紋，如圖3（c）所示。

（3）軋輥墊片高度的監(jiān)控，水平架次軋輥墊片裝配出現(xiàn)問(wèn)題影響軋制線高度，一般情況下不會(huì)造成質(zhì)量波動(dòng)，可能會(huì)造成堆鋼，同時(shí)線上巡檢作業(yè)極易發(fā)現(xiàn)，但是立式軋機(jī)裝配錯(cuò)誤會(huì)對(duì)質(zhì)量造成嚴(yán)重波動(dòng)，由于入口滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)與軋輥孔型不對(duì)中，對(duì)導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)輪磨損極其嚴(yán)重，對(duì)軋件造成劃痕，成品產(chǎn)生裂紋缺陷。

（4）軋輥輥錯(cuò)會(huì)對(duì)導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)輪造成極大影響，而且軋件扭轉(zhuǎn)極易進(jìn)入槽口區(qū)域，造成成品裂紋，扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重時(shí)，導(dǎo)輪端部會(huì)形成尖銳形狀嚴(yán)重刮傷軋件，對(duì)成品影響極其嚴(yán)重。 圖3（d）、3（e）分別為滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)嚴(yán)重磨損圖片和軋件扭轉(zhuǎn)時(shí)的軋輥圖片。

2.2.2 導(dǎo)衛(wèi)刮傷產(chǎn)生的裂紋

滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的嚴(yán)重刮傷主要體現(xiàn)在大規(guī)格軟線，由于鋼的自重問(wèn)題，與導(dǎo)衛(wèi)產(chǎn)生刮擦，在成品呈短粗型缺陷。 劃傷是生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)的軋制缺陷，產(chǎn)生原因復(fù)雜，難以完全避免，只能盡量減少[5]。

2.2.3 軋槽充滿產(chǎn)生的裂紋

由于受孔型限制以及鋼質(zhì)變化時(shí)變形抗力的影響，軋件在軋槽充滿易產(chǎn)生裂紋[6]。 對(duì)于軋槽充滿產(chǎn)生的裂紋，主要包括鐵型尺寸、軋制線、模塊軋槽、套位四個(gè)方面。

（1）鐵型尺寸和軋制線不當(dāng)會(huì)在軋件上產(chǎn)生單、雙邊耳子，導(dǎo)衛(wèi)開(kāi)檔，輥錯(cuò)以及軋輥軸向竄動(dòng)，繼而在后續(xù)道次軋制后形成折疊，影響成品表面質(zhì)量。 鐵型尺寸和軋制線不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 鐵型尺寸和軋制線不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷Fig. 4 Defects Caused by Swage Dimensions and Rolling Line Being Improper

（2）雙模塊軋機(jī)軋槽的充滿量需要特殊說(shuō)明，考慮到加工難度，高速段雙模塊孔型沒(méi)有外圓角，尖銳的槽邊易對(duì)軋件產(chǎn)生刮傷型缺陷，因此對(duì)軋槽的充滿程度要求極高，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中又要考慮成品尺寸精度問(wèn)題，在鞍鋼線材2#線生產(chǎn)作業(yè)區(qū)雙模塊控制是重中之重，同時(shí)也具有難度。

（3）高速線材連續(xù)軋制過(guò)程，遵循兩機(jī)架間秒流量相等原則，但實(shí)際軋制時(shí)，存在很多不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致各機(jī)架之間的秒流量暫時(shí)或長(zhǎng)期不能達(dá)到完全相同，軋機(jī)間存在嚴(yán)重堆鋼狀態(tài)時(shí)，頭尾起高套，導(dǎo)致頭尾鐵型尺寸較大，雙模塊軋件尺寸超標(biāo)，造成表面出現(xiàn)刮傷型裂紋，呈單邊、雙邊等不同形態(tài)。正常情況下，對(duì)于同一軋件由頭部到尾部活套允許±15 mm 左右的高度變化[10]，見(jiàn)圖5。

圖5 立活套示意圖Fig. 5 Schematic Diagram of Vertical Loops

3 控制措施

3.1 坯料缺陷控制措施

從表1 可知，對(duì)于肉眼可見(jiàn)的鋼坯裂紋，線材規(guī)格越大，鋼坯裂紋對(duì)成品表面的影響越大，為保證成品表面質(zhì)量，鋼坯裂紋深度應(yīng)控制在0.4 mm以內(nèi)。

3.2 軋制缺陷控制措施

3.2.1 軋輥產(chǎn)生缺陷的控制措施

（1）防止軋輥產(chǎn)生裂紋最基本做到保證在線冷卻水水壓、水量達(dá)標(biāo)，冷卻水嘴對(duì)準(zhǔn)軋槽，選用合適的材質(zhì)，防止軋輥裂紋除了選擇合適的材質(zhì)外，還要注意軋制噸位，防止軋輥疲勞[5]。建立軋輥倒槽換輥系統(tǒng)，單槽過(guò)鋼量按噸統(tǒng)計(jì)。

（2）在更換軋輥材質(zhì)的時(shí)候，需要根據(jù)不同的摩擦系數(shù)調(diào)整相應(yīng)的鐵型尺寸，防止軋件超寬，重點(diǎn)架次在5#、7#、9#，各機(jī)架寬展控制見(jiàn)表2。

表2 各機(jī)架寬展控制Table 2 Control of Broadening for Indivisual Rolling Mill Standmm

（3）軋輥墊片要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)裝配，同時(shí)定期檢查軋輥墊片和軋機(jī)牌坊上的墊片磨損程度，是否出現(xiàn)異?？梢詮能堉凭€對(duì)中情況體現(xiàn)。

（4）各個(gè)關(guān)鍵工位點(diǎn)嚴(yán)格控制，導(dǎo)衛(wèi)按周期更換，嚴(yán)禁出現(xiàn)輥錯(cuò)、導(dǎo)衛(wèi)輪偏等現(xiàn)象。

在生產(chǎn)中，對(duì)軋輥、軋槽和導(dǎo)衛(wèi)要及時(shí)更換，防止軋槽磨損程度過(guò)大或備件損壞對(duì)軋制調(diào)整帶來(lái)的不利影響[8]。

3.2.2 導(dǎo)衛(wèi)刮傷產(chǎn)生裂紋的控制措施

對(duì)線上易產(chǎn)生刮劃傷位置由滑動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)改為滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)可有效減少劃傷產(chǎn)生。 圖6、7 是導(dǎo)衛(wèi)改進(jìn)前后對(duì)比照片。

圖6 旁通鑄鐵導(dǎo)槽改單排的底輥托動(dòng)Fig. 6 Moving by Holding of Lower Rolls by Replacing Bypassing Cast Iron Guided Grooves with Rolls in Single Row

圖7 改進(jìn)前后彎道圖片F(xiàn)ig. 7 Pictures of Curved Conduits before and after Improvement

3.2.3 軋槽充滿產(chǎn)生裂紋的控制措施

（1）在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于軋槽充滿產(chǎn)生的裂紋第一要做到軋制線對(duì)中、無(wú)輥錯(cuò)、導(dǎo)衛(wèi)有效扶持軋件等關(guān)鍵工藝點(diǎn)執(zhí)行有效。 第二要了解軋槽充滿產(chǎn)生裂紋的特點(diǎn)，與坯料遺傳缺陷的無(wú)規(guī)則斷續(xù)型不同，孔型充滿產(chǎn)生的裂紋為連續(xù)型缺陷，垂直或大角度延伸至基體，而且部分與修剪環(huán)數(shù)有關(guān)，修剪量增加后，缺陷可能完全消除。

（2）雙模塊孔型充滿程度可通過(guò)輥縫調(diào)整、1#測(cè)徑儀鐵型尺寸（3#剪鐵型尺寸）以及修改原始設(shè)定軋機(jī)檔位進(jìn)行完善。比如軋制Φ18 mm 線材時(shí)，31#軋槽充滿，可通過(guò)增加31#輥縫、減少1#測(cè)徑儀鐵型尺寸、減少29#、30#輥縫進(jìn)行改善，也可改變?cè)箭X數(shù)比，31#、32#檔位由BL 改至CL （增加單機(jī)組之間的張力）。

（3）目前，大部分生產(chǎn)高速線材企業(yè)引入無(wú)張力軋制技術(shù)，通過(guò)活套控制方式提高生產(chǎn)效率[9]?；钐讬C(jī)構(gòu)需要定時(shí)點(diǎn)檢，并根據(jù)活套產(chǎn)生異常的原因及時(shí)調(diào)整壓下量、R 因子、零位和機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免異常磨損，保證軋制狀態(tài)順行。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

通過(guò)采取上述控制措施，2022—2023 年鞍鋼線材廠2#線生產(chǎn)作業(yè)區(qū)生產(chǎn)冷鐓鋼開(kāi)裂率降低15%，初驗(yàn)合格率達(dá)到95%以上，廢次降率達(dá)到0.5%，彈簧鋼表面裂紋可控制在30 μm 以下，大幅度降低客戶異議、抱怨頻率，得到多個(gè)國(guó)內(nèi)知名緊固件廠家好評(píng)，產(chǎn)線過(guò)程控制能力有效提高。

5 結(jié)論

（1）線材表面產(chǎn)生裂紋的主要原因是坯料遺傳裂紋和軋制裂紋，其中軋制缺陷包括軋輥產(chǎn)生裂紋、導(dǎo)衛(wèi)刮傷產(chǎn)生的裂紋和軋槽過(guò)充滿產(chǎn)生的裂紋。

（2）通過(guò)細(xì)化鋼坯裂紋標(biāo)準(zhǔn)、 對(duì)軋輥實(shí)施精準(zhǔn)控制、導(dǎo)衛(wèi)由滑動(dòng)摩擦改至滾動(dòng)摩擦、細(xì)化鐵型尺寸防止軋槽充滿四項(xiàng)控制措施，2022—2023 年鞍鋼線材廠2#線生產(chǎn)作業(yè)區(qū)生產(chǎn)冷鐓鋼開(kāi)裂率降低15%，初驗(yàn)合格率達(dá)到95%以上，廢次降率可達(dá)到0.5%，彈簧鋼表面裂紋可控制在30 μm 以下，大幅度降低客戶異議、抱怨頻率，得到多個(gè)國(guó)內(nèi)知名緊固件廠家好評(píng)，產(chǎn)線過(guò)程控制能力有效提高。