李均禹 李立新 周 順 彭 洲 蘇 嚴(yán)

(武漢科技大學(xué) 省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室,湖北 武漢 430081)

SUS304不銹鋼是一種應(yīng)用廣泛的奧氏體不銹鋼,在其冷軋生產(chǎn)過程中時常會發(fā)生粘輥現(xiàn)象。粘輥是指軋制材料的部分碎片在軋制過程中不斷粘附累積在工作輥表面,導(dǎo)致工作輥使用壽命縮短、產(chǎn)品表面質(zhì)量惡化。國內(nèi)外學(xué)者一直在研究粘輥機(jī)制及其影響因素[1-6]。由于鐵素體不銹鋼的粘輥現(xiàn)象比奧氏體不銹鋼嚴(yán)重得多[7],目前關(guān)于鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的研究較多,而對奧氏體不銹鋼冷軋粘輥的研究較少。彭艷等[8]建立了冷軋粘著指數(shù)模型,并作為判斷鈦板冷軋粘輥程度的依據(jù),這為判斷奧氏體不銹鋼冷軋粘輥程度提供了思路。

本文以SUS304奧氏體不銹鋼為研究對象,在已有粘輥模型的基礎(chǔ)上,考慮冷軋時軋輥的彈性壓扁以及前后張力等影響,從軋制規(guī)程、軋制速度、軋輥尺寸等方面探究了影響粘輥的主要因素,并提出了具體改進(jìn)措施。

1 粘著指數(shù)模型優(yōu)化

已有的冷軋粘著指數(shù)模型[8]:

λ=f(Ea,M,Tm,ξ50,V,ε,k,p,c,H,h1,r,RZ,ΔγA-B)

(1)

式中:λ為粘著指數(shù),其值與材料性質(zhì)、潤滑油性能、軋制工藝參數(shù)等有關(guān);Ea為潤滑油吸附能;M為潤滑油相對分子質(zhì)量;Tm為潤滑油熔點;ξ50為潤滑油在50 ℃時的運動黏度;V為軋輥的圓周速度;ε為壓下率;k、p、c分別為軋件的熱導(dǎo)率、密度和比熱容;H為板材硬度;h1為軋件出口厚度;r為軋輥半徑;RZ為軋輥表面不平度的平均高度;ΔγA-B為界面粘著能?？紤]到不同材料對于模型的適用情況存在差異,為了更好地表征SUS304不銹鋼在實際冷軋時的粘著程度,本文對其冷軋粘著指數(shù)模型進(jìn)行了優(yōu)化。

1.1 潤滑油膜破裂失效的臨界溫度

塑性加工過程通常處于邊界摩擦狀態(tài),或是以邊界摩擦為主的混合摩擦狀態(tài)。在邊界摩擦狀態(tài),具有潤滑作用的潤滑劑油膜稱為邊界潤滑膜。孫建林[9]對邊界潤滑膜失效臨界溫度公式進(jìn)行了推導(dǎo)簡化:

(2)

式中:R為氣體常數(shù),取8.314 J/(mol·K);Us為軋輥與板材變形區(qū)相對滑動速度。

Gelujiefu等[10]提出了一種接觸表面間相對滑動速度的計算方法:

(3)

式中:V、Δh、h1分別為軋輥的圓周速度、壓下量和軋件出口厚度。

1.2 輥縫最高溫度

由布洛克滑動界面最高溫度模型[11]得到輥縫最高溫度的計算公式:

(4)

式中:Tmax為輥縫最高溫度;A為形狀系數(shù),取決于熱通量q在熱源寬度w上的分布形式,熱通量均勻分布時q=qav,A取1.13,半橢圓分布時A取1.11;qav為熱通量分布平均值;w為熱源寬度,可以近似為變形區(qū)接觸弧長L;v為熱源速度,可以近似為軋輥與板材變形區(qū)相對滑動速度Us。圖1為假設(shè)的不規(guī)則帶狀移動熱源模型。

圖1 移動帶狀熱源Fig.1 Moving band-shaped heat source

根據(jù)文獻(xiàn)[12],熱通量平均分布值qav為:

(5)

式中:J為熱功當(dāng)量,取4.184 0 J;m為與摩擦因數(shù)μ有關(guān)的系數(shù),根據(jù)經(jīng)驗取m=7;P為單位寬度軋制力,根據(jù)Hill對Bland-Ford公式簡化后的公式[13]計算:

(6)

(7)

(8)

式中:ε0為本道次軋前的預(yù)變形量,ε0=(H0-h0)/H0;ε1為本道次軋后的總變形量,ε1=(H0-h1)/H0;H0、h0、h1分別為冷軋前軋件的厚度、本道次軋前軋件的厚度和本道次軋后軋件的厚度。

由于不銹鋼連續(xù)冷軋時常采用張力軋制,優(yōu)化后的冷軋粘著指數(shù)模型需考慮張力的影響。文獻(xiàn)[15-16]分別給出了張力影響系數(shù)nt的計算公式:

(9)

(10)

式中:μt為加權(quán)系數(shù),取0.7;tf、tb分別為前后張力;當(dāng)無張力軋制時,張力影響系數(shù)nt=1。

由于冷軋過程中材料的變形抗力很大,軋輥會產(chǎn)生明顯的彈性壓扁現(xiàn)象,此時變形區(qū)長度可用西齊柯克公式計算[17]:

(11)

(12)

計算鋼板冷軋時的摩擦因數(shù)[18]:

(13)

1.3 優(yōu)化后的粘著指數(shù)

確定潤滑油膜破裂失效的臨界溫度和輥縫最高溫度的計算公式后,建立優(yōu)化的粘著指數(shù)模型:

ξ50,σφ,γ,h0,h1,r,k,p,c,tf,tb)

(14)

當(dāng)λ′>1時,即Tmax>Tr,此時輥縫最高溫度高于潤滑油膜破裂失效的臨界溫度,潤滑油發(fā)生破裂失效,容易產(chǎn)生粘輥現(xiàn)象;當(dāng)λ′<1時,即Tmax

對粘著指數(shù)模型主要做了如下優(yōu)化:考慮冷軋時軋輥的彈性壓扁現(xiàn)象,使變形區(qū)長度和軋輥半徑的計算更符合實際;不銹鋼冷軋多采用連軋,需考慮張力的影響,將前后張力作為新的自變量添加到新模型中;結(jié)合冷軋摩擦因數(shù)的影響因子,給出了不同軋輥表面不平度時摩擦因數(shù)的計算公式,使不同狀況下的摩擦因數(shù)更精確。

1.4 計算機(jī)模擬軟件開發(fā)

根據(jù)優(yōu)化后的粘著指數(shù)模型,通過Visual Basic軟件進(jìn)行編程,具有通過輸入相關(guān)自變量參數(shù)就能計算得到相應(yīng)冷軋粘著指數(shù)的功能。計算機(jī)仿真軟件的參數(shù)輸入界面及計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 計算機(jī)仿真軟件的參數(shù)輸入界面(a)及計算結(jié)果(b)Fig.3 Interface of parameter input(a) and calculation results(b) of computer simulation software

2 影響粘輥程度的因素

由式(14)可知,粘著指數(shù)λ與潤滑油種類和性能、軋輥速度、壓下量、材料性質(zhì)、前后張力、軋輥尺寸、軋面粗糙度等因素有關(guān)。下文主要就其中的軋制規(guī)程、軋輥速度、軋輥尺寸、前后張力等因素進(jìn)行探討。

2.1 軋制規(guī)程對粘著程度的影響

為更好地研究軋制規(guī)程對SUS304不銹鋼冷軋粘著的影響,對國內(nèi)某冷軋廠存在明顯粘著現(xiàn)象的生產(chǎn)線進(jìn)行分析。將該生產(chǎn)線的軋制規(guī)程命名為軋制規(guī)程1。在保持總壓下量不變的前提下,改變各道次壓下率,得到軋制規(guī)程2,具體數(shù)據(jù)如表1所示,表中括號外數(shù)據(jù)為軋制規(guī)程1,括號內(nèi)數(shù)據(jù)為軋制規(guī)程2。為考慮單一變量,需控制其他變量保持不變,故不考慮前后張力,取軋制速度V=3.5 m/s,潤滑油熔點Tm=50 ℃,運動黏度ξ50=11 mm2/s,吸附能E=50 kJ/mol,相對分子質(zhì)量M=350,軋輥半徑r=16 mm,原始粗糙度RZ=2.22 μm,計算兩種壓下規(guī)程下各機(jī)架對應(yīng)的粘著指數(shù)λ值,結(jié)果如圖4所示。

表1 軋制規(guī)程1和2Table 1 Rolling schedules 1 and 2

圖4 軋制規(guī)程與粘著指數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relation between rolling schedule and sticking index

從圖4可以看出:由于軋制規(guī)程1各道次的壓下率較大,其粘著指數(shù)整體偏大;優(yōu)化后的軋制規(guī)程2各道次的粘著指數(shù)λ整體在1.1～1.2之間,但仍大于1,說明調(diào)整軋制規(guī)程能減少個別道次粘著指數(shù)較大的情況的發(fā)生,但對粘輥較嚴(yán)重、各道次粘著指數(shù)普遍偏高的情況,并不能有效地降低其整體粘著指數(shù)。

因此,本文提出了另一種方法來降低整體粘著指數(shù),即增加軋制規(guī)程的道次,使每一道次的壓下率降低。將軋制規(guī)程從5道次分別增加至6和7道次,具體數(shù)據(jù)如表2所示,括號內(nèi)的為軋制規(guī)程3,括號外的為軋制規(guī)程4。

表2 軋制規(guī)程3和4Table 2 Rolling schedules 3 and 4

在保持其他參數(shù)不變的情況下,計算兩種壓下規(guī)程下各機(jī)架對應(yīng)的λ值,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,增加了1個道次的軋制規(guī)程3各道次的粘著指數(shù)基本為1左右,增加了2個道次的軋制規(guī)程4各道次的粘著指數(shù)均小于1,說明通過增加軋制規(guī)程道次進(jìn)而降低各道次壓下率的方法能有效降低粘著指數(shù)。

2.2 軋制速度和壓下率對粘著程度的影響

不考慮潤滑油性能的影響,在保持其他參數(shù)不變的情況下,按照軋制規(guī)程1模擬3種不同軋制速度與冷軋機(jī)各機(jī)架粘著指數(shù)的關(guān)系,如圖5所示。從圖5可以看出,在相同道次下,軋制速度越大,粘著指數(shù)越大,粘輥越嚴(yán)重。這是由于軋制速度的提高促進(jìn)了變形區(qū)溫度的升高,溫度越高潤滑膜越容易破裂,進(jìn)而導(dǎo)致粘輥。當(dāng)軋制速度超過1.5 m/s時,部分道次的粘著指數(shù)大于1,存在粘輥風(fēng)險。

圖5 軋制速度與粘著指數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relation between rolling speed and sticking index

取1.5、2.5、3.5 m/s 軋制速度下軋制規(guī)程1的第1道次為研究對象,分別計算10%、15%、20%、25%壓下率下的粘著指數(shù)λ。軋制規(guī)程和計算結(jié)果分別如表3和圖6所示?？梢钥闯?在軋制速度一定的情況下,隨著壓下率的增加,單道次粘著指數(shù)呈上升趨勢。軋制速度相同時,壓下率越大,粘著指數(shù)越大;壓下率相同時,軋制速度越大,粘著指數(shù)越大。說明通過降低軋制速度、減小道次壓下率能夠有效降低粘輥程度。

表3 第1道次軋制規(guī)程Table 3 Rolling schedule of the first pass

圖6 壓下率與粘著指數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relation between reduction rate and sticking index

2.3 軋輥尺寸對粘著程度的影響

不銹鋼冷軋薄板通常用多輥軋機(jī)軋制,多輥軋機(jī)的最大特點之一就是采用小直徑的工作輥。輥機(jī)的輥數(shù)越多,工作輥直徑則越小,軋制帶材越薄,軋制帶材的最小可軋厚度與軋輥直徑成正比[20]。為探究軋輥尺寸對粘著程度的影響,選取輥徑分別為8、16、24 mm的3種工作輥,其他參數(shù)保持不變,計算對應(yīng)的粘著指數(shù)如圖7所示。從圖7可知,軋輥半徑越大,相同道次的粘著指數(shù)越大,說明使用更小直徑的軋輥可以在一定程度上降低粘輥傾向。

圖7 工作輥半徑與粘著指數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relation between roll radius and sticking index

2.4 張力對粘著程度的影響

在軋制薄帶鋼尤其是極薄帶鋼時,由于彈性變形,一定直徑的軋輥不可能再對相應(yīng)厚度的帶鋼產(chǎn)生壓縮作用,此時只有采用張力軋制才能使薄帶鋼或極薄帶鋼變形[21],所以探究張力對軋輥粘著程度的影響十分必要。為了探究單一參數(shù)對粘著指數(shù)的影響,在原有軋制規(guī)程1的基礎(chǔ)上,考慮前后張力的影響得到軋制規(guī)程5。

為探究張力大小對粘著指數(shù)的影響,減小前后張力得到軋制規(guī)程6,增加前后張力得到軋制規(guī)程7,分別計算3種軋制規(guī)程各機(jī)架對應(yīng)的粘著指數(shù),結(jié)果如圖8所示。由圖8可知:減小前后張力后,粘著指數(shù)整體略微上升;增加前后張力后,粘著指數(shù)整體略微下降,但幾乎可以忽略不計。前后張力的改變會引起變形抗力和軋制壓力的變化,從而影響輥縫最高溫度。但從計算結(jié)果看,通過增大前后張力來降低粘著指數(shù)的方法效果并不理想。

圖8 張力與粘著指數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relation between tension and sticking index

2.5 軋輥表面粗糙度和潤滑油運動黏度對粘著程度的影響

通過調(diào)整潤滑工藝可以降低冷連軋過程中軋輥的消耗,同時提高板形質(zhì)量[22]。由式(13)可知,軋輥表面粗糙度和潤滑油運動黏度的改變會影響摩擦因數(shù),進(jìn)而引起粘著指數(shù)的變化。在軋制規(guī)程1的基礎(chǔ)上,選取表面粗糙度RZ分別為1.821 2、2.221 2和2.621 2 mm的軋輥計算粘著指數(shù),結(jié)果如圖9(a)所示;選取運動黏度ξ50分別為7、11和15 mm2/s的潤滑油計算粘著指數(shù),結(jié)果如圖9(b)所示?？梢娡ㄟ^降低軋輥表面粗糙度、提高潤滑油黏度能夠在一定程度上降低粘著指數(shù),避免粘輥。

2.6 現(xiàn)場使用效果

將優(yōu)化后的粘著指數(shù)模型應(yīng)用于國內(nèi)某冷軋廠,對發(fā)生明顯粘輥現(xiàn)象的生產(chǎn)線進(jìn)行分析,將實際生產(chǎn)設(shè)定的工藝參數(shù)輸入VB程序,計算得到的粘著指數(shù)均大于1。然后通過調(diào)整軋制規(guī)程和軋制速度等工藝參數(shù),將粘著指數(shù)控制在1以內(nèi),再將調(diào)整后的工藝參數(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線,粘輥現(xiàn)象得到了明顯改善,證明了該模型的可靠性。

3 結(jié)論

通過合理調(diào)整軋制規(guī)程,優(yōu)化各道次壓下率,粘著指數(shù)明顯降低;在軋輥正常運行速度范圍內(nèi),適當(dāng)降低軋輥軋制速度能夠有效降低粘著指數(shù);在不影響正常生產(chǎn)的前提下,選用更小直徑的軋輥能降低粘著指數(shù);張力大小對粘著指數(shù)的影響較小;采用表面粗糙度較小的軋輥能夠降低粘著指數(shù);選用黏度較高的潤滑油能夠在一定程度上降低粘著指數(shù)。通過降低粘著指數(shù),能夠有效改善冷軋SUS304不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量,降低對軋輥的損耗,從而降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率。