花凌冬，王東城，計 江，徐揚(yáng)歡，張亞林

(1.天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300352；2.燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島 066004；3.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安 710032)

0 前言

隨著我國汽車家電、電工電子、建筑和航空等行業(yè)的迅猛發(fā)展，帶鋼的需求量也日漸增加，同時對帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高[1-3]。其中，表面質(zhì)量是一個重要指標(biāo)，不僅直接影響產(chǎn)品外觀，還影響產(chǎn)品后續(xù)加工效率和服役效果[4-6]。對于冷軋基料，熱軋后需經(jīng)過酸洗工序才能進(jìn)行冷軋。酸洗后的帶鋼表面經(jīng)常出現(xiàn)各種缺陷，很多缺陷是在酸洗過程形成的[7-9]，典型缺陷包括：酸洗氣泡、過酸洗與欠酸洗、水銹、劃傷、白斑等。通常，如果不同廠家來料或不同規(guī)格來料均出現(xiàn)同一缺陷，則基本可以斷定缺陷來源是酸洗過程，此時需對酸洗設(shè)備與工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如果只有某一廠家來料或某種規(guī)格來料酸洗后出現(xiàn)缺陷，則該缺陷來源于熱軋生產(chǎn)過程的可能性較大，代表性缺陷包括：表面發(fā)黑、特殊紋路等，此時應(yīng)對熱軋設(shè)備、工藝或控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

針對酸洗后表面發(fā)黑問題，宋鵬[10]和李任龍[11]通過理化分析認(rèn)為發(fā)黑附著物為熱軋來料氧化鐵皮與非金屬氧化物，酸洗發(fā)黑的主要原因是破鱗效果不好、酸液濃度控制不當(dāng)；王紅霞等人[12]認(rèn)為酸洗發(fā)黑直接原因是酸洗后鋼板表面呈顆粒狀，產(chǎn)生的漫反射和消光作用較強(qiáng)造成的；王銀軍等人[13-14]認(rèn)為帶鋼邊部酸洗黑帶的主要原因是帶鋼熱軋卷取后，在570～640 ℃冷卻區(qū)段邊部處于富氧狀態(tài)，造成帶鋼邊部氧化鐵皮增厚，并通過優(yōu)化卷取溫度與層流冷卻工藝有效改善了這一問題。

針對酸洗后表面特殊紋路問題，閆文凱[15]認(rèn)為鋼中殘余元素在基體與氧化層間形成粘附性較強(qiáng)的網(wǎng)狀富集相是酸洗后形成山形紋的根本原因；徐海衛(wèi)等人[16]認(rèn)為山水畫缺陷的本質(zhì)為黏附于帶鋼表面的疏松多孔、凹凸不平的膜狀物質(zhì)，產(chǎn)生原因是粗軋除鱗不徹底，通過優(yōu)化粗軋除鱗工藝參數(shù)與精軋除鱗開閉狀態(tài)有效抑制了該缺陷；呂長寶[17]也認(rèn)為酸洗山水紋缺陷主要是由粗軋末道次的粗軋紋路演變而來，是可逆式粗軋機(jī)除鱗能力不足導(dǎo)致的；崔秋艷等人[18]則通過冷坯入爐、降低加熱爐各階段加熱溫度及縮短停留時間等措施實(shí)現(xiàn)了山水畫缺陷的預(yù)防。

某1 100 mm熱軋產(chǎn)線主要產(chǎn)品為普碳鋼，粗軋段有3架立輥軋機(jī)和5架粗軋機(jī)，呈E1-R1-R2-E2-R3-R4-E3-R5布置；精軋段有1架立輥軋機(jī)和8架精軋機(jī)，呈E4-F1～F8布置。該軋機(jī)生產(chǎn)的冷軋基料進(jìn)行酸洗后，會出現(xiàn)兩種邊部缺陷。一是熱軋后在上、下表面距離邊部20～30 mm以內(nèi)存在紅色銹帶，沿軋制方向連續(xù)分布，酸洗時必須降低速度，否則酸洗后會存在紅色氧化鐵皮殘留，嚴(yán)重影響酸洗效率；二是熱軋后帶鋼兩側(cè)面存在無規(guī)則分布的“斑塊”，酸洗后也無法完全消除，會一直殘留到鍍鋅工序，“斑塊”處很容易造成鋅層剝落，嚴(yán)重影響冷軋成品質(zhì)量。為此，需要對兩種缺陷產(chǎn)生機(jī)理與產(chǎn)生區(qū)段進(jìn)行研究，并提出有效解決措施。

1 缺陷特征

初步判斷該1 100 mm熱軋產(chǎn)線的冷軋基料發(fā)往冷軋廠進(jìn)行酸洗時，邊部出現(xiàn)的兩種缺陷均產(chǎn)生于熱軋過程。進(jìn)一步對卸卷后的熱軋帶鋼邊部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)兩種缺陷已經(jīng)出現(xiàn)了，因此可以確定這兩種缺陷是在熱軋過程中產(chǎn)生的，但具體產(chǎn)生于熱軋哪個區(qū)段(加熱、粗軋、精軋、層冷、卷取)，還需要進(jìn)行深入研究。

兩種缺陷典型特征如圖1所示。在距邊部20～30 mm的上、下表面，存在明顯的紅色銹帶，沿軋制方向連續(xù)分布，這種缺陷給酸洗造成困難，酸洗后當(dāng)上、下表面存在銹帶殘留時，一方面會對冷軋輥的輥面造成損傷，另一方面銹帶會被壓入帶鋼，影響成品板表面質(zhì)量，只能通過降低酸洗速度的方法盡量去除該缺陷；在帶鋼側(cè)面有無規(guī)則分布的斑塊，呈光亮色，手感十分光滑，這種缺陷經(jīng)過酸洗后顏色變?yōu)榘祷疑?，大部分原始缺陷仍然保留，如圖2所示。

圖1 熱軋帶鋼邊部缺陷形貌

圖2 酸洗后側(cè)面斑塊

利用熱軋生產(chǎn)現(xiàn)場堆鋼時產(chǎn)生的廢鋼進(jìn)行缺陷跟蹤。發(fā)現(xiàn)在精軋機(jī)入口中間坯上、下表面并沒有明顯的銹帶缺陷，但精軋出口處卻可以觀察到比較明顯的銹帶缺陷，層流冷卻后則變得更加清晰，因此可以判斷邊部銹帶的初始產(chǎn)生區(qū)域?yàn)榫堖^程。與此不同，在精軋入口、精軋出口與層流冷卻出口處帶鋼側(cè)面均沒有明顯斑塊缺陷，但卷取后的鋼卷側(cè)面則可以看到明顯的斑塊缺陷，因此可以判斷側(cè)面斑塊缺陷的產(chǎn)生區(qū)域?yàn)閷恿骼鋮s之后。

2 缺陷產(chǎn)生機(jī)理

2.1 邊部銹帶產(chǎn)生機(jī)理

為確定邊部銹帶的產(chǎn)生機(jī)理，對缺陷部位進(jìn)行取樣，然后進(jìn)行宏觀與微觀形貌觀察，結(jié)果如圖3與圖4所示。由圖可知，在帶鋼側(cè)面與上、下表面存在很多“褶皺”，“褶皺”深度最大可達(dá)幾十微米。同時帶鋼側(cè)面與上、下表面的晶粒比內(nèi)部更加粗大?！榜薨櫋眱?nèi)部在試樣腐蝕前填充有很多紅色氧化鐵皮，由此可以確定邊部銹帶難酸洗的主要原因是酸液很難浸入“褶皺”內(nèi)部。

圖3 帶鋼側(cè)面宏觀圖

圖4 邊部銹帶缺陷微觀形貌

帶鋼側(cè)面與上下表面“褶皺”的形成機(jī)理如圖5所示[19-20]，由于中間坯角部存在雙向換熱，因此角部附近溫度較低，容易提前發(fā)生相變，與內(nèi)部金屬相比更加不容易發(fā)生再結(jié)晶，其晶粒尺寸相對較大，并且各個晶粒取向具有一定的隨機(jī)性，當(dāng)精軋F(tuán)1壓下時不同取向晶粒沿寬度方向的流變應(yīng)力存在差別，因此其寬展變形量也存在差別，從而造成側(cè)面形成大量深淺不一的褶皺，隨著軋制過程的不斷進(jìn)行，褶皺不斷翻平到上、下表面。為抑制這一現(xiàn)象，需要提高中間坯角部溫度。

圖5 褶皺形成機(jī)理

2.2 斑塊產(chǎn)生機(jī)理

同樣，對典型的斑塊缺陷進(jìn)行取樣，然后進(jìn)行宏觀與微觀形貌觀察，結(jié)果如圖6與圖7所示。由圖可知，無論宏觀還是微觀形貌，斑塊部位與其它部位相比明顯更加光滑，斑塊附近的組織與基體相差不大，顏色略微偏黑。通過形貌觀察無法判斷該缺陷的具體產(chǎn)生機(jī)理。

圖6 側(cè)面斑塊缺陷宏觀樣貌

圖7 側(cè)面斑塊缺陷微觀形貌

為此，對卷取后鋼卷的側(cè)面進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)致觀察，發(fā)現(xiàn)靠近鋼卷芯部的幾圈帶鋼基本不存在斑塊缺陷，即帶鋼頭部的側(cè)面質(zhì)量很好，超過一定圈數(shù)后則開始出現(xiàn)斑塊缺陷，直至整卷帶鋼卷取完畢,如圖8所示。

圖8 鋼卷側(cè)面整體圖

分析現(xiàn)場生產(chǎn)工藝，層流冷卻之后，帶鋼頭部與其它部位的不同之處主要是卷取機(jī)前側(cè)導(dǎo)板的投入與否。帶鋼頭部幾十米卷取時，側(cè)導(dǎo)板是不起作用的，卷取一定長度后側(cè)導(dǎo)板才開始投入，因此判斷側(cè)面斑塊缺陷的產(chǎn)生是由于側(cè)導(dǎo)板與帶鋼側(cè)面之間壓力過大導(dǎo)致的。

3 缺陷治理措施

根據(jù)分析，為抑制邊部銹帶缺陷，需要提高中間坯角部溫度，降低晶粒大小與褶皺深度。在不影響工藝參數(shù)的前提下，可以通過優(yōu)化設(shè)計定寬機(jī)或立輥輥型的方法實(shí)現(xiàn)這一目的[21]，由于該1 100 mm熱軋產(chǎn)線沒有配備定寬機(jī)，因此對其E1和E2的立輥輥型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計前后的立輥輥型如圖9所示。

圖9 立輥輥型對比

由圖9可知，優(yōu)化后的輥型可以確保粗軋過程中間坯的角部出現(xiàn)明顯的倒角，避免尖角部位雙向換熱造成的溫度過低，降低邊角部發(fā)生褶皺的可能性和翻轉(zhuǎn)程度。此外，還可以加強(qiáng)過鋼時的對中性。

為抑制側(cè)面斑塊缺陷，將側(cè)導(dǎo)板的壓力控制模式更改為位置控制模式。這種控制模式需要設(shè)定側(cè)導(dǎo)板的開口度。精軋出口處安裝有多功能儀，可以測量精軋出口帶鋼寬度，以此為基礎(chǔ)再增加一個補(bǔ)償余量，即為側(cè)導(dǎo)板的開口度。首先，以人工干預(yù)的方式進(jìn)行試軋，人工設(shè)定一個補(bǔ)償余量，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)效果進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)卷形較為松散、不整齊時，說明補(bǔ)償余量過大，可適當(dāng)減?。划?dāng)側(cè)導(dǎo)板與帶鋼側(cè)面摩擦過大、火星飛濺時，說明補(bǔ)償余量過小，可適當(dāng)增加。經(jīng)過多支帶鋼的試軋，最終將補(bǔ)償余量設(shè)定為6 mm，操作側(cè)、傳動側(cè)各3 mm，不再手動干預(yù)，而改為全自動控制模式，動態(tài)調(diào)整側(cè)導(dǎo)板的開口度，以適應(yīng)帶鋼的寬度波動。

采取治理措施后，如圖10所示，帶鋼上、下表面的邊部附近已基本看不到銹帶缺陷，鋼卷側(cè)面斑塊缺陷已基本消除。產(chǎn)品發(fā)往冷軋廠后，進(jìn)行跟蹤調(diào)研，酸洗速度得到顯著提升，酸洗后帶鋼側(cè)面斑塊也未再出現(xiàn)，鋅層附著良好，極大提升了客戶的滿意度。

圖10 優(yōu)化效果

4 結(jié)論

(1)邊部銹帶缺陷的初始產(chǎn)生區(qū)域?yàn)榫堖^程，側(cè)面斑塊缺陷的產(chǎn)生區(qū)域?yàn)閷恿骼鋮s之后。

(2)中間坯角部附近溫度較低，容易提前發(fā)生相變，與內(nèi)部金屬相比更加不容易發(fā)生再結(jié)晶，導(dǎo)致晶粒尺寸相對較大，隨著精軋過程的進(jìn)行，使帶鋼側(cè)面與上、下表面出現(xiàn)大量褶皺，酸液很難浸入褶皺內(nèi)部，導(dǎo)致酸洗困難。

(3)側(cè)面斑塊缺陷的產(chǎn)生是由于側(cè)導(dǎo)板與帶鋼側(cè)面之間壓力過大導(dǎo)致的。

(4)通過優(yōu)化立輥輥型可有效抑制邊部銹帶缺陷，通過優(yōu)化側(cè)導(dǎo)板控制模式與參數(shù)可基本消除側(cè)面斑塊缺陷。