毛玉川 ,劉英明 ,孫榮生 ,張一凡 ,張福義 ,鄭麟飛
(1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠,遼寧 鞍山 114021;2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院,遼寧 鞍山114009)
鞍鋼股份有限公司冷軋廠四分廠 (以下簡稱“四分廠”)冷連軋機(jī)組生產(chǎn)厚度0.6 mm以下家電薄料在軋制速度達(dá)到600 m/min以上時,帶鋼板面出現(xiàn)斷續(xù)或連續(xù)通長線狀劃傷缺陷,主要以帶鋼上表面居多,下表面偶爾出現(xiàn),側(cè)光可見,無手感。隨著軋制速度加快,線狀劃傷缺陷也越嚴(yán)重。每月都會因為家電板產(chǎn)生線狀劃傷缺陷造成一定量的改判,無法交付用戶使用,影響了合同的正常執(zhí)行。為了降低線狀劃傷缺陷對表面質(zhì)量的影響,四分廠只能通過頻繁更換冷連軋機(jī)組工作輥和限制速度進(jìn)行生產(chǎn),嚴(yán)重制約了四分廠冷連軋機(jī)組生產(chǎn)的產(chǎn)品表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。面對現(xiàn)場無法有效防治家電薄料線狀劃傷缺陷的棘手問題,如何解決家電薄料線狀劃傷缺陷已成為四分廠生產(chǎn)家電薄料的主要問題。
根據(jù)對四分廠冷連軋機(jī)組生產(chǎn)家電薄料的跟蹤和分析,該冷連軋機(jī)組線狀劃傷缺陷主要特征如下:
(1)劃傷主要發(fā)生在厚度0.6 mm以下的家電薄料軋制時,總壓下率比較大,一般超過80%。
(2)劃傷主要發(fā)生在3架和4架軋機(jī),缺陷主要以帶鋼上表面居多,下表面偶爾出現(xiàn),呈斷續(xù)或連續(xù)線狀劃傷,側(cè)光可見,基本無手感,線狀劃傷缺陷形貌如圖1所示。出現(xiàn)劃傷架次的工作輥輥面也會有不同程度的劃傷。
圖1 線狀劃傷缺陷形貌Fig.1 Appearance of Linear Scratch Defect
(3)劃傷主要發(fā)生在機(jī)組高速生產(chǎn)情況下,當(dāng)軋制速度大于600 m/min時,非常容易產(chǎn)生劃傷缺陷,且軋制速度越高,軋制噸數(shù)越多,線狀劃傷缺陷的數(shù)量越多,產(chǎn)生的劃傷缺陷越嚴(yán)重。
(4)每次更換新工作輥后,前六卷帶鋼基本上不會產(chǎn)生線狀劃傷缺陷。
目前,對熱劃傷缺陷產(chǎn)生機(jī)理較普遍的解釋是:軋制過程是通過軋輥與軋件的摩擦力將軋件拖至輥縫之間,使其產(chǎn)生平面壓縮變形過程。當(dāng)輥件間軋制變形區(qū)內(nèi)因變形功過大,產(chǎn)生大量的熱能,導(dǎo)致油膜厚度變薄以致局部破裂,使軋輥與帶鋼直接接觸,進(jìn)而產(chǎn)生熱劃傷缺陷。換言之,熱劃傷是冷卻和潤滑效果不良產(chǎn)生的。反之,當(dāng)變形區(qū)內(nèi)的油膜厚度過大,摩擦系數(shù)降低至一定程度時,則容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。
四分廠冷連軋機(jī)組生產(chǎn)家電薄料時,各架軋輥速度由低至高排列,但第一和第二機(jī)架的最大速度均不會超過600 m/min,所以前兩個機(jī)架不會產(chǎn)生熱劃傷缺陷。四分廠冷連軋機(jī)組一般均采用C方式軋制,即利用前四個機(jī)架來完成變形過程,第五機(jī)架僅作為平整機(jī)使用,從而獲得較好板形,末機(jī)架相當(dāng)于平整作用,壓下率比較小,而且末架工作輥粗糙度比較大,也不會產(chǎn)生熱劃傷缺陷。第三和第四機(jī)架軋制速度高,容易發(fā)生熱劃傷。由冷連軋機(jī)組乳化液系統(tǒng)噴嘴布置形式的特性和乳化液的流動性可知,下輥的冷卻情況比上輥要好,所以下輥的溫度也隨之比上輥要低。這就是劃傷主要發(fā)生在上表面的原因。
根據(jù)線狀劃傷的特征規(guī)律和熱劃傷產(chǎn)生原因,結(jié)合四分廠冷連軋機(jī)組情況分析,確定本文所述的線狀劃傷為熱劃傷。
結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和工藝潤滑理論,主要從三個方面進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn):
(1)軋制壓下規(guī)程;
(2)軋輥參數(shù):工作輥粗糙度及磨削工藝;
(3)乳化液系統(tǒng):乳化液的濃度、各機(jī)架乳液流量壓力和軋制油配方。
總壓下率一定情況下,變形量越大,加工硬化越大的道次,產(chǎn)生的變形熱也越多,輥縫間的溫度也會較高,隨著軋制速度的升高,越容易發(fā)生熱劃傷。對軋制壓下規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化,降低3架和4架壓下率,增加卷取張力,降低3架、4架變形熱,能夠有利于熱劃傷缺陷的減輕,壓下規(guī)程優(yōu)化見表1。
表1 壓下規(guī)程優(yōu)化Table 1 Optimization of Reduction Procedures
四分廠冷連軋機(jī)組各架工作輥使用樹脂砂輪磨削,輥面存在不同程度的磨削劃痕問題,尤其3架工作輥使用60樹脂砂輪磨削,輥面劃痕較重,數(shù)量較多,長度5~10 mm;4架工作輥使用80樹脂砂輪磨削,輥面劃痕也較重,數(shù)量較多,長度3~5 mm,兩個機(jī)架輥面粗糙度較低,容易出現(xiàn)輥打滑情況,影響表面質(zhì)量控制。輥面磨削劃痕的存在,使得油膜厚度不均,造成潤滑不均勻。為此,改進(jìn)3架和4架工作輥磨削工藝,優(yōu)化粗糙度控制,改進(jìn)磨削砂輪材質(zhì),由原來的樹脂砂輪改為陶瓷砂輪,3架、4架工作輥粗糙度優(yōu)化見表2。
表2 3架、4架工作輥粗糙度優(yōu)化Table 2 Optimization of Roughness of Work Rolls of No.3 and No.4 Rolling-mill Housings
使用F級3NQ陶瓷砂輪磨削,解決了短劃傷的問題,輥面劃痕很輕,數(shù)量幾乎沒有,長度為1~3 mm,但進(jìn)刀紋較重;使用G級3NQ陶瓷砂輪磨削,進(jìn)刀紋消除,但磨削比低;最終通過使用F+級3NQ陶瓷砂輪,綜合性能較好,磨削比達(dá)到5.68。
通過優(yōu)化工作輥粗糙度和磨削工藝,提高了磨削質(zhì)量,減少了輥面的磨削劃痕和進(jìn)刀紋等缺陷,兩種磨削工作輥對比如圖2所示。由圖可知,使用樹脂砂輪普通磨削,磨削傷較多,而陶瓷砂輪精磨削,磨削傷很少,潤滑的均勻性得到了改善,對減少熱劃傷有一定作用。
圖2 兩種磨削工作輥對比Fig.2 Comparison of Two Types of Work Rolls after Grinding
變形區(qū)的油膜是在軋制過程中,乳化液進(jìn)入輥縫,由于乳化液的離水展著性,油水分離形成的一層油膜。它的特性決定了冷軋的潤滑效果成膜能力。油膜越厚,油膜強(qiáng)度越大,潤滑效果越好。
2.3.1 乳化液濃度的改進(jìn)
改進(jìn)前A系統(tǒng)乳化液濃度控制在2.5%~3.5%,熱劃傷缺陷比較明顯。對A系統(tǒng)乳化液的濃度提高至3.8%~4.5%。乳化液濃度增加,進(jìn)入輥縫的有效油量增加,潤滑效果增加。潤滑效果的增加降低了軋輥的溫度,從而減少了熱劃傷出現(xiàn)的概率。
2.3.2 乳化液流量和壓力的改進(jìn)
對四分廠冷連軋機(jī)組A系統(tǒng)各架乳化液壓力進(jìn)行了改進(jìn),同時提高了3架和4架乳化液流量,3架、4架乳化液流量、壓力改進(jìn)前后對比如表3所示。
表3 3架、4架乳化液流量、壓力改進(jìn)前后對比Table 3 Comparison of Emulsion Flow and Pressure for No.3 and No.4 Rolling-mill Housings before and after Improvement
通過3架、4架乳化液流量和壓力的提高,使得進(jìn)入輥縫的乳化液量增多,油膜更容易形成,以此來提高軋制潤滑,有利于熱劃傷缺陷的減輕。
2.3.3 軋制油配方的改良
軋制油為混合物,由基礎(chǔ)油和添加劑組成,其中基礎(chǔ)油包括合成脂、動物油和礦物油,添加劑包括乳化劑、油性劑、極壓劑和防銹劑等。極壓劑能提高抗極壓性和潤滑性,在軋制過程中吸附在帶鋼摩擦面上,反應(yīng)形成具有層狀結(jié)晶構(gòu)造的薄膜,在邊界潤滑狀態(tài)下發(fā)揮作用,達(dá)到抗磨和極壓效果。對現(xiàn)用油第一次改良油中添加了極壓劑。高粘度合成酯能夠提高潤滑性,在第二次改良油中加入,具體改進(jìn)如表4所示。
表4 軋制油配方改良Table 4 Improvement of Formula for Rolling Oil
第一次改良軋制油主要是S系極壓劑進(jìn)行增量,通過試生產(chǎn),軋制速度有了一定的提高,但當(dāng)軋制速度超過700 m/min時,熱劃傷缺陷又出現(xiàn)。第二次改良軋制油,再次對S系極壓劑進(jìn)行增量,同時新增加了高粘度合成酯,進(jìn)一步提高潤滑性能和抗極壓性能。通過兩次改良軋制油配方,四分廠冷連軋機(jī)組生產(chǎn)家電薄料軋制速度由600 m/min提高至800 m/min,無熱劃傷發(fā)生,同時,退火后的鋼卷表面質(zhì)量沒有明顯變化。改良軋制油配方,提高了乳化液的潤滑性能和抗極壓性能,對消除熱劃傷起到了明顯的作用。
通過采用以上改進(jìn)方案,四分廠冷連軋機(jī)組生產(chǎn)家電薄料軋制速度提高至1 000 m/min以上時,無線狀劃傷缺陷出現(xiàn)。機(jī)組軋制狀態(tài)穩(wěn)定,生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量均得到了顯著提升,每月再未出現(xiàn)線狀劃傷缺陷的改判損失。此外,對下工序的跟蹤生產(chǎn),以及對用戶的走訪交流,均反映家電薄料表面質(zhì)量良好,對冷連軋機(jī)組改進(jìn)效果表示非常滿意。
(1)家電薄料在高速軋制下產(chǎn)生線狀劃傷缺陷的原因是輥件間軋制變形區(qū)內(nèi)變形功過大,大量的熱能使油膜厚度變薄甚至局部破裂,導(dǎo)致軋輥與帶鋼直接接觸。
(2)總壓下率一定情況下,優(yōu)化軋制壓下規(guī)程,降低3架和4架壓下率、增加卷取張力,有利于線狀劃傷缺陷的減輕。
(3) 通過優(yōu)化工作輥粗糙度(3 架 0.6±0.1 μm,4架0.5±0.1 μm)和使用陶瓷砂輪精磨削工藝,減少了輥面的磨削劃痕缺陷,對減少線狀劃傷有一定作用。
(4)通過乳化液系統(tǒng)的改進(jìn):乳化液的濃度提高至3.8%~4.5%、3架和4架乳化液的流量提高至5 000~6 500 L/min、壓力提高至0.7 MPa,以及改良軋制油配方,提高了乳化液的潤滑性能和抗極壓性能,對消除線狀劃傷起到了明顯的作用。
(5)通過優(yōu)化軋制壓下規(guī)程、改良軋制油配方、提高乳化液濃度和乳化液流量、壓力以及提高軋輥磨削質(zhì)量的綜合方案,可有效控制高速軋制下的線狀劃傷缺陷。