熱軋鋼帶表面凹陷缺陷分析及控制措施

張 華，王 鑫*，景 鶴，王洪海，崔丕林，馬 良，楊承宇，董 洋，汪 涵

（鞍鋼股份熱軋帶鋼廠，遼寧 鞍山 114000）

為了滿足國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，同時應(yīng)對國、內(nèi)外熱軋帶鋼激烈的市場競爭[1]，各鋼企以縮短制備工藝來降低成本，如減掉酸洗工序[2]、減掉裁邊工序[3]等；同時試圖以熱軋帶鋼直接替代冷軋帶鋼，將高表面熱軋酸洗板直接投放市場，這樣造成了熱軋后續(xù)工序?qū)υ牧蠠彳堜搸У谋砻尜|(zhì)量需求愈來愈高，同時下游客戶為了滿足自身的成材率、短流程、高效率等日益增長的高標(biāo)準(zhǔn)，也均對熱軋鋼帶的表面質(zhì)量提出了更高的要求。因此，熱軋帶鋼的表面質(zhì)量是各鋼企生產(chǎn)控制的重要指標(biāo)，越來越受到重視[4-6]。

鞍鋼熱連軋所生產(chǎn)的熱軋帶鋼會出現(xiàn)凹坑缺陷，這種缺陷在后續(xù)生產(chǎn)加工過程中很難被消除，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。本文通過對鞍鋼熱軋鋼帶表面凹陷缺陷的宏觀形貌分析，以揭示連軋卷取張力輥造成表面凹陷缺陷的形成機(jī)理；并基于動能平衡原理，確定影響工作輥掛蠟的五大類因素，提出預(yù)防措施。

1 熱軋鋼帶表面凹陷缺陷分析

圖1為熱軋帶鋼表面凹陷缺陷的宏觀形貌。從圖中可以看出，凹陷缺陷呈連續(xù)的線條狀，在視場內(nèi)是非周期性凹坑，這有別于片狀或鱗狀的氧化鐵皮壓入[7]。因此造成這種凹陷缺陷的主要原因是：熱軋帶鋼在軋制速度較快，對中性或穩(wěn)定性出現(xiàn)異常時，出現(xiàn)鋼帶對輥面、導(dǎo)尺表面的損傷，或者頭部不規(guī)則形狀對軋輥、卷取張力輥沖擊，在鋼帶接觸部位瞬間熔化，造成異物粘連輥面，后續(xù)碾壓鋼帶表面，鋼帶表面成點狀、片狀或條狀的周期性或非周期性凹坑。這種缺陷常分布于帶鋼軋制方向上的某一段區(qū)間內(nèi)，一線工人稱其為軋輥掛蠟，或張力輥掛蠟等。

圖1 熱軋鋼帶表面凹陷缺陷圖

2 基于動能轉(zhuǎn)化原理的掛蠟缺陷形成原因

公式（1）和（2）是能量的平衡定理。公式表明軋件與設(shè)備碰撞瞬間動能E轉(zhuǎn)化成了熱能Et和變形能Es。動能損失轉(zhuǎn)化了熱能。因此板頭受熱熔化是產(chǎn)生掛臘的根本原因。

式中，E為板卷頭部撞擊時總轉(zhuǎn)化的動能；Et為板卷頭部撞擊時動能轉(zhuǎn)變的熱能；Es為板卷頭部撞擊時動能轉(zhuǎn)變的變形能；K為動能與熱能轉(zhuǎn)換的比例系數(shù)；E1為板卷頭部撞擊前動能；E2為板卷頭部撞擊后動能；T為板卷頭部撞擊的作用時間；M為板卷頭部質(zhì)量；V1為板卷頭部撞擊前速度；V2為板卷頭部撞擊后速度。

根據(jù)上述動能轉(zhuǎn)化原理，以及生產(chǎn)實際情況來分析，鋼帶頭部進(jìn)入張力輥時撞擊設(shè)備，包括：導(dǎo)尺、上張力輥護(hù)板、上張力輥等，其整個過程均含有動能和變形能的轉(zhuǎn)化。由于薄材頭部形狀復(fù)雜（垂直方向上翹、平直、下扣），撞擊上張力輥紅色接觸區(qū)域時，產(chǎn)生較大的能量轉(zhuǎn)化，鋼帶頭部金屬有瞬間熔化可能性大；鋼帶頭部水平方向西彎、對中、東彎，撞擊導(dǎo)尺，也有動能轉(zhuǎn)化產(chǎn)生熱能過程。鋼帶頭部動能轉(zhuǎn)化熱能，鋼帶頭部接觸部分被熔化，在撞擊過程中被傷害的是其中軟的一方，鋼帶頭部和張力輥比較材質(zhì)較軟，因此張力輥多肉為熱軋鋼帶頭部被熔化的部分粘結(jié)。觀察上張力輥掛臘形狀，經(jīng)常是輥面中部短的橫向掛蠟，與板卷頭部的舌形吻合，料頭與張力輥之間有能量轉(zhuǎn)化，出現(xiàn)金屬熔化粘結(jié)感，上張力輥多肉，也印證動能轉(zhuǎn)化過程。造成異物粘連多肉的張力輥，后續(xù)碾壓鋼帶表面，在鋼帶表面形成凹陷缺陷，即被稱做掛蠟缺陷。

基于能量守恒原理解釋設(shè)備掛蠟形成原因，與文獻(xiàn)[8-10]的研究結(jié)果一致，即連軋卷取張力輥掛臘產(chǎn)生原因是板卷頭部與上夾送輥撞擊瞬間產(chǎn)生熱量，將所接觸到的鋼板熔化，隨后在粘結(jié)和摩擦力形成的剪切力作用下，鋼板頭部撞擊最嚴(yán)重處的金屬被熔化，粘在了張力輥上，形成張力輥掛蠟，其它與鋼板接觸設(shè)備的掛蠟原因也是基本相同。

另外，材質(zhì)硬且薄的鋼帶易產(chǎn)生掛臘，薄、硬鋼帶撞擊的作用時間T比厚、軟鋼帶的撞擊作用時間短，另外薄規(guī)格鋼帶軋制速度V快，因此導(dǎo)致轉(zhuǎn)化動能Et大的多，所以薄、硬的鋼帶出現(xiàn)掛蠟概率大。

3 卷取張力輥掛蠟的形成機(jī)理

熱軋鋼帶在軋制線傳輸，從鋼坯出爐到鋼帶卷取機(jī)卷取，鋼坯速度平均為2m/s左右提高到鋼帶最高到20m/s，軋件的水平控制和對中控制均是熱軋鋼帶控制技術(shù)核心環(huán)節(jié)，由于對中和水平控制偏差，以及軋制不穩(wěn)定性，軋件和軋輥以及軋件和導(dǎo)尺生產(chǎn)過程的碰撞的瞬間沖擊，更容易發(fā)生動能轉(zhuǎn)化，造成鋼帶接觸部位瞬間熔化，產(chǎn)生異物粘連輥面、導(dǎo)尺表面等。

當(dāng)卷取張力輥引鋼帶板卷頭部咬入卷取機(jī)時，板卷頭部與張力輥撞擊見鋼板頭部與卷取張力輥接觸示意圖2，桔紅色粗線條代表鋼帶頭部。該分析圖是按比例繪制，由于鋼帶頭部不能絕對平直，頭部和上張力輥接觸區(qū)域分三部分區(qū)域，1區(qū)域為板卷翹頭狀態(tài)時，板卷頭部與上張力輥撞擊位置區(qū)域，2區(qū)域為板卷平直頭部狀態(tài)時，板卷頭部與上張力輥撞擊位置區(qū)域，3區(qū)域為板卷扣頭狀態(tài)時，板卷頭部與上張力輥撞擊位置區(qū)域。

圖2 鋼板頭部與卷取張力輥接觸示意圖

以高速運動的鋼帶撞擊上張力輥瞬間，動能分解為垂直張力輥方向的分量和切線張力輥方向的分量，即垂直方向的動能分量產(chǎn)生熱能、垂直方向分力產(chǎn)生摩擦力；切線方向動能分量產(chǎn)生板卷頭部彎曲，實現(xiàn)卷取，這部分是有用功。因此，減少動能轉(zhuǎn)化和產(chǎn)生熱能就能控制掛臘，所以要控制垂直方向的動能分量、力的分量是減少掛臘的關(guān)鍵，這部分分量是無用功。由示意圖2分析可見，降低垂直方向動能、力，必須使板卷頭部與上張力輥在綠色區(qū)域接觸，就是上面介紹的鋼帶頭部和張力輥接觸是平頭2區(qū)域和扣頭的3區(qū)域，即在輥道以下區(qū)域接觸，通過現(xiàn)場實際觀察掛臘現(xiàn)象，鋼帶來料頭部在輥道水平面以下不產(chǎn)生掛臘，即來料平扣頭不掛臘，原因是該綠色區(qū)域垂直方向動能和力的分量小，不足以產(chǎn)生金屬熔化，因此不能產(chǎn)生掛臘。產(chǎn)生掛蠟的風(fēng)險區(qū)域就是水平線以上有135mm對應(yīng)的紅色接觸范圍，取消鋼帶與引料輥該區(qū)域接觸，是解決掛臘關(guān)鍵所在。

4 預(yù)防張力輥掛蠟的具體措施

根據(jù)動能平衡和轉(zhuǎn)換分解，提出五種解決掛蠟的有效措施?；驹瓌t是：板卷頭部與上張力輥在綠色區(qū)接觸→改變垂直方向動能分量 →減少熱能轉(zhuǎn)化→減少掛臘。

（1）控制來料頭部形狀：提高操作控制水平，控制來料頭部形狀全部為平叩頭，鋼帶頭部能夠與上張力輥在綠色區(qū)域接觸。

（2）改變張力輥位置：上張力輥抬高軋線標(biāo)高以上一定位置，本案例提高135mm以上，就能容易進(jìn)入綠色區(qū)域接觸。

（3）改變上張力輥護(hù)板位置：改變上張力輥護(hù)板位置見圖2，上護(hù)板由4位置改變到適當(dāng)?shù)奈恢茫ū热?位置），將翹頭鋼帶轉(zhuǎn)變平成扣頭鋼帶，能實現(xiàn)板卷頭部與上張力輥綠色區(qū)域接觸，因此能夠解決板卷掛臘。該裝置的實現(xiàn)目標(biāo)是板卷頭部與上護(hù)板垂直分力盡可能減少，頭部與上張力輥在綠色區(qū)接觸，這樣即不能卡鋼也可以減少掛臘。

（4）降低穿帶速度：出現(xiàn)掛蠟嚴(yán)重的是薄規(guī)格和材質(zhì)硬的產(chǎn)品，需要降低鋼帶穿帶速度來降低瞬間動能轉(zhuǎn)化比。

（5）張力輥安裝軋制油：解決板卷頭部沖擊熔化，也可以在上張力輥上安裝軋制油、水膜等散熱。

按照上述采用上述控制來料頭部形狀、改變上張力輥位置、調(diào)整張力輥護(hù)板角度、降低軋制速度、加速張力輥冷卻等辦法，能夠有效控制了張力輥掛蠟問題，有效控制酸洗板薄材、集裝箱薄材、低合金薄材表面凹陷缺陷發(fā)生，控制方案也成為熱軋工序表面質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)之一。

5 結(jié)語

熱軋工序產(chǎn)生掛蠟環(huán)節(jié)比較多，我們軋鋼技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場具體情況控制軋件與軋輥、機(jī)架輥、導(dǎo)尺、張力輥接觸瞬間狀況，按照上面具體的動平衡原理推導(dǎo)出的動能轉(zhuǎn)化公式，對接觸區(qū)域控制、接觸區(qū)域分量控制、減少動能轉(zhuǎn)化、增加接觸瞬間熱量擴(kuò)散等，完全控制各環(huán)節(jié)的設(shè)備出現(xiàn)掛蠟，以及導(dǎo)致的鋼板表面凹陷缺陷。

特別是卷取區(qū)域張力輥掛蠟導(dǎo)致鋼帶表面凹陷是困擾鋼帶表面質(zhì)量提高的主要缺陷，采用本文方案，增加卷取區(qū)域張力輥護(hù)板、降低薄硬產(chǎn)品穿帶速度、調(diào)整鋼帶出軋機(jī)平扣頭狀態(tài)、張力輥增加液態(tài)冷卻、抬高上張力輥位置等方法，有效控制了卷取上張力輥掛蠟，避免鋼帶表面凹坑缺陷發(fā)生。

通過掛蠟機(jī)理分析，能夠控制熱軋帶鋼軋線各設(shè)備掛蠟發(fā)生概率，確保酸洗板薄材、集裝箱薄材、低合金薄規(guī)格表面質(zhì)量提升，成為熱軋工序表面質(zhì)量控制核心，為熱軋鋼帶下游工序提高成材率、減少工序、改進(jìn)工藝、提高效率奠定了堅實基礎(chǔ)。