楊娟麗 魏幸 岳希星

第一作者簡(jiǎn)介：楊娟麗（1980-），女，工程碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)閴毫庸?、新產(chǎn)品開發(fā)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.035

摘? 要：該文的主要目的是尋求一種有效檢測(cè)手段，針對(duì)鈦帶卷冷軋起步斷帶的問題給出指導(dǎo)分析，用于快速指導(dǎo)生產(chǎn)。首先通過對(duì)斷口不同部位雜質(zhì)元素氧含量、氮含量的分析，排查熔煉過程中低密度夾雜的質(zhì)疑；其次通過對(duì)斷口低載荷力維氏硬度對(duì)比分析，查找斷口不同部位硬度微小差異。初步得出結(jié)論，該斷帶與LDI沒有關(guān)系，熱軋過程中表面氧殘壓入是該次斷帶的主要原因。通過該次分析，可以為帶式生產(chǎn)過程中工藝制定提供參考，從源頭把控表面質(zhì)量，保證帶式生產(chǎn)的連續(xù)性。

關(guān)鍵詞：斷口；基體；HV0.2；LDI；氧殘

中圖分類號(hào)：TG142.71? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）13-0144-04

Abstract： The main purpose of this paper is to find an effective detection method to guide and analyze the problem of starting strip breaking in cold rolling of titanium strip， which can be used to guide the production quickly. First of all， through the analysis of the oxygen content and nitrogen content of impurity elements in different parts of the fracture， the query of low-density inclusions in the melting process is investigated. Secondly， through the comparative analysis of the low-load Vickers hardness of the fracture， the slight difference of hardness in different parts of the fracture is found. It is concluded that the broken strip has nothing to do with LDI， and the residual pressure of surface oxygen during hot rolling is the main reason for the broken strip. The analysis is expected to provide a reference for the process formulation in the belt production process， control the surface quality from the source and ensure the continuity of the belt production.

Keywords： fracture; matrix; HV0.2; LDI; oxygen residue

帶式軋制與片式軋制相比，其主要優(yōu)點(diǎn)就是可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，滿足高效率、高產(chǎn)能的需求，避免片式軋制盡管靈活性較強(qiáng)，但存在間歇上料，耗時(shí)耗能的問題。也正是由于帶式軋制自身存在的特點(diǎn)，決定了帶式軋制必須保證原料質(zhì)量的穩(wěn)定性，具備連續(xù)生產(chǎn)的先決條件，避免由于內(nèi)、外部因素導(dǎo)致斷帶分卷的現(xiàn)象。

實(shí)際帶式冷軋過程中，原料表面肉眼難見的細(xì)微缺陷會(huì)在大壓下、大張力的條件下進(jìn)一步擴(kuò)展[1]，也會(huì)造成軋制斷帶現(xiàn)象的發(fā)生，給正常帶式生產(chǎn)造成極大不便。冷軋過程中斷帶造成軋制中斷，容易引起軋機(jī)工作輥表面劃傷，損壞軋制設(shè)備，嚴(yán)重的會(huì)造成軋輥脫皮失效，影響機(jī)組的正常生產(chǎn)運(yùn)行，增加軋制成本[2]。頻繁的斷帶，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)線產(chǎn)量，以及產(chǎn)品的成材率和品質(zhì)，給企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一次重大的斷帶事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)幾十萬元。因此，斷帶問題需要得到高度重視。所以，為降低斷帶率，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，分析斷帶產(chǎn)生的原因，找準(zhǔn)對(duì)策解決源頭問題，是帶式生產(chǎn)極為關(guān)鍵的一項(xiàng)工作。

1? 生產(chǎn)設(shè)備及工藝

不銹鋼或鈦材的冷軋帶式生產(chǎn)目前常用20輥軋機(jī)（圖1），設(shè)備主要由裝卸卷小車、開卷機(jī)、軋機(jī)兩側(cè)的張力卷取機(jī)、軋機(jī)，以及軋機(jī)的壓下（AGC），彎輥、竄輥（AFC）系統(tǒng)、帶材的冷卻，刮油，測(cè)厚，張力（ATC）等系統(tǒng)組成。軋制過程基本實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，包括軋程編排、軋制力預(yù)設(shè)、前后張力預(yù)設(shè)、軋制油流量控制和軋制厚度反饋等等，通過噸位反饋、板形反饋、厚度反饋，人為實(shí)時(shí)干預(yù)實(shí)現(xiàn)軋制過程中的軋制參數(shù)微調(diào)。穩(wěn)定軋制階段，不銹鋼帶的軋制速度一般控制在500 m/min，目前最高速度已達(dá)到800 m/min。鈦帶卷由于材料變形、導(dǎo)熱特點(diǎn)限制，目前常規(guī)軋制速度控制在200 m/min左右。

圖1? 20輥軋機(jī)平面布置

帶式冷軋工藝：上料→開卷（收襯紙）→直頭→穿帶→夾送→卷取→裝工作輥（設(shè)定軋制程序）→多道次可逆軋制→抽輥→收卷→下卷→打包→吊運(yùn)。

從整個(gè)冷軋工藝可以看出，如何保證軋制穩(wěn)定性極為關(guān)鍵，在軋機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的階段，原料的質(zhì)量成為保證軋機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，任何原料缺陷所帶來的斷帶，都將影響帶式生產(chǎn)的連續(xù)性，給生產(chǎn)、設(shè)備（圖2）、成本造成極為嚴(yán)重的損失。

（a）? 軋制斷帶在輥系中堆積一

圖2? 斷帶在輥系內(nèi)堆積造成輥系損傷

2? 原料質(zhì)量造成的斷帶及預(yù)防措施

2.1? 邊部質(zhì)量

原料制備或運(yùn)輸過程控制不得當(dāng)，使得帶材邊部產(chǎn)生了不同程度的裂紋、缺口等缺陷（圖3（a）），在20輥軋機(jī)軋制過程中，缺陷在壓下變形、張力拉伸的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而以缺陷為裂紋源產(chǎn)生斷帶。針對(duì)存在邊部連續(xù)缺陷的帶卷，為了能夠適應(yīng)軋制條件，在合同允許的情況下，采取切邊的方式去除缺陷。針對(duì)存在邊部單點(diǎn)缺陷的帶卷，根據(jù)缺陷部位，能滿足分卷?xiàng)l件的，采取分卷軋制，但此方式會(huì)造成成材率的極大損失；如果不滿足分卷?xiàng)l件，則可采取挖月牙的方式，使得缺陷位置在通過輥縫時(shí)，應(yīng)力得到有效釋放，來滿足卷式生產(chǎn)條件。

2.2? 表面質(zhì)量

來料在前道工序生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)存在局部孔洞（圖3（b））、皺裂（圖3（c））、大起皮（圖3（d））和砂磨超薄點(diǎn)（圖3（e））等嚴(yán)重缺陷，但又不能因?yàn)榫植看嬖谌毕?，進(jìn)行整卷反復(fù)返工處理，因此需要帶著這些缺陷進(jìn)行軋制。針對(duì)此類情況，技術(shù)人員和操作人員往往會(huì)一同進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)判定，根據(jù)缺陷類型、缺陷大小、缺陷在寬度方向的位置，結(jié)合具體材質(zhì)和計(jì)劃變形量綜合評(píng)判生產(chǎn)的難易程度，確定是否采取缺陷過輥縫軋制。

2.3? 軋制過程

鈦卷帶式軋制，軋制速度一般會(huì)在100 m/min以上，因此在輥系區(qū)域會(huì)產(chǎn)生大量軋制熱。為了提升輥系的穩(wěn)定性，同時(shí)保證帶卷軋制過程中表面質(zhì)量，20輥軋機(jī)均配備有大量軋制油冷卻系統(tǒng)，軋制油在冷卻帶卷軋制熱的同時(shí)，盡管經(jīng)過了擠干，仍然相對(duì)地會(huì)帶來層間的滑動(dòng)，從而造成帶卷在軋制過程中收卷塔形（圖3（f））問題的產(chǎn)生，進(jìn)而造成軋制跑偏，當(dāng)偏移量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，將會(huì)在拉應(yīng)力過大的一側(cè)產(chǎn)生拉裂斷帶。針對(duì)這種情況，往往采取除油重卷的方式給予解決。

（a）? 邊部裂紋/缺口 （b）? 局部孔洞? ? ? ?（c）? 皺裂

（d）? 大起皮? ? ?（e）? 砂磨超薄點(diǎn)? ? （f）? 收卷塔形

圖3? 來料缺陷

通過上述斷帶原因篩查，圖3中所示幾類來料缺陷所造成的斷帶，均可以通過追溯性排查，肉眼可見。但針對(duì)原料不可見缺陷，尤其在薄帶軋制過程中產(chǎn)生的斷帶現(xiàn)象，預(yù)見性不明顯，時(shí)常造成不可預(yù)估的損失，因此，本文所選取斷口樣品，主要是針對(duì)此類原料沒有表象，但在高速軋制過程中產(chǎn)生了斷帶的斷口部位。

3? 取樣

選取沒有原料缺陷高速軋制時(shí)斷帶斷口進(jìn)行分析，在斷帶斷口的不同位置、帶卷不同程度缺陷處分別取樣，分別進(jìn)行斷口形貌分析，初步分析產(chǎn)生斷帶的主要因素。圖4為帶卷斷帶位置的宏觀形狀及取樣位置示意點(diǎn)①～⑤；圖5缺陷1、缺陷2、缺陷3分別對(duì)應(yīng)圖4中①、②、③位置處表面的缺陷形貌。

圖4? 沿?cái)嗫谛螤?，在拐點(diǎn)處分段取樣

（a）? 缺陷1? ? ? ?（b）? 缺陷2? ? ? ? （c）? 缺陷3

圖5? 不同部位、外觀斷口

4? 試驗(yàn)及分析

4.1? 斷口分析

沿?cái)嗫谛螤睿诠拯c(diǎn)處分段取樣（圖6），順序依次為①～⑤。觀察不同部位斷口形貌，查找斷帶產(chǎn)生的原因。

圖6? 不同部位斷口形貌

通過圖6不同部位斷口形貌對(duì)比可以看出：斷口整體呈纖維狀，灰暗色，屬于韌性斷裂，存在明顯的微裂紋擴(kuò)展和相互連接。③④⑤對(duì)應(yīng)位置斷口呈現(xiàn)顯著韌窩；①②對(duì)應(yīng)位置斷口形貌整體可見韌窩，但存在明顯集中及發(fā)散點(diǎn)，且與位置①相比，位置②更為顯著。初步推斷，由于位置①為帶卷邊部，容易產(chǎn)生邊部切邊不良造成應(yīng)力集中點(diǎn)。位置②存在明顯應(yīng)力集中及發(fā)散點(diǎn)，且集中點(diǎn)從帶卷表面起始，因此，懷疑表面存在硬脆點(diǎn)，需要進(jìn)一步分析。

4.2? 微觀形貌分析

由于無法復(fù)原斷口部位原始表面形貌，為了與斷口部位（位置②）有可比性，在帶卷不同部位，查找不同形狀的缺陷進(jìn)行比對(duì)分析，垂直缺陷長(zhǎng)度方向中分橫切，通過橫斷面觀察對(duì)應(yīng)缺陷及基體微觀形貌。

通過表1可以看出，對(duì)應(yīng)缺陷處除表面存在缺陷外，靠近基體組織與基體未呈現(xiàn)明顯差異。因此在4.1中所懷疑的硬脆層，需要進(jìn)一步通過成分、硬度定量對(duì)比。

表1? 不同缺陷及基體微觀形貌

4.3? 成分對(duì)比

鈦及鈦合金加工中，低密度夾雜（LDI）的來源由原料中富氧、富氮等缺陷料帶入、電極焊接時(shí)O和N污染等。針對(duì)帶材，LDI最容易在板坯內(nèi)部形成，體現(xiàn)出高O和N。為了檢驗(yàn)實(shí)際是否存在此類硬脆現(xiàn)象，進(jìn)一步開展成分定量檢驗(yàn)。

通過表2成分分析可以看出，缺陷部位和基體部位O和N含量一致，初步排除LDI。

4.4? 硬度對(duì)比

排除LDI成分異常后，為了進(jìn)一步分析斷帶及缺陷產(chǎn)生的原因，開展顯微硬度檢測(cè)。為了排除載荷力過大，造成反彈引起的數(shù)值誤差，選擇0.2 kgf開展試驗(yàn)。

表2? 斷口及缺陷處對(duì)應(yīng)成分檢驗(yàn)

從圖7不同部位HV0.2對(duì)比可以看出，無論是斷口還是缺陷，斷口起始位置及缺陷處硬度明顯高于基體處硬度。

斷口②：缺陷處硬度平均值比基體硬度平均值高15。

缺陷1：缺陷處硬度平均值比基體硬度平均值高13.67。

缺陷2：缺陷處硬度平均值比基體硬度平均值高10。

缺陷3：缺陷處硬度平均值比基體硬度平均值高12.67。

缺陷部位硬度稍高，可能是板坯存在不可見的殘留缺陷，在高溫?zé)彳堖^程中，加熱氣氛中的氧以擴(kuò)散方式深入缺陷內(nèi)部，熱軋的塑性不足以使其開裂，后續(xù)酸洗時(shí)缺陷部位較深的氧化層經(jīng)過拋丸酸洗未徹底清除，經(jīng)由后續(xù)冷軋，在大的冷軋變形量及張力作用下，缺陷部位由于存在硬脆應(yīng)力集中點(diǎn)，從而產(chǎn)生脆性開裂[4]。

5? 結(jié)論

1）鈦帶卷冷軋斷帶及表面缺陷的產(chǎn)生，與鑄錠熔煉過程中的LDI夾雜關(guān)系較小，主要與后續(xù)熱加工、冷加工處理方式相關(guān)。

2）鈦帶卷熱軋產(chǎn)生的表面缺陷，在后續(xù)加工過程中，需要通過拋丸酸洗或者機(jī)械磨削的手段進(jìn)行去除，避免由于熱軋氧殘的滲入，造成冷軋過程斷帶現(xiàn)象的產(chǎn)生。

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