平整后冷軋鋼帶表面的橫向紋路及其控制

韓玉龍 田榮彬 高 軍

(內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司，內蒙古 包頭 014010)

平整是冷軋鋼帶生產的關鍵工序，對產品的最終質量具有至關重要的作用。經平整的冷軋鋼帶往往存在材料屈服強度超標以及板形缺陷和表面缺陷，其中表面缺陷最為常見。表面缺陷一直是國內外鋼廠最感棘手的問題之一，其形式各異，又難以消除。近年來，在包鋼薄板廠1750冷軋平整機組，橫向紋路(以下簡稱“橫紋”)缺陷(形貌見圖1)困擾著現場，支撐輥更換周期由原來的15天縮短到了1～2天，嚴重影響了包鋼產品的質量信譽和向客戶的交貨期。

包鋼冷軋平整機是由意大利DANIELI公司于2004年成套提供的設備，機組設計年產量80萬t，為單機架四輥結構，配置液壓AGC系統、正負彎輥技術、軋制線調節系統，具有干/濕兩種生產方式，最大軋制力10 MN，最大延伸率3%，主電機功率1 300 kW，機組最大速度1 000 m/min，成品厚度0.25～3.00 mm，寬度960～1 600 mm。涉及的鋼種主要有CQ、DQ、DDQ、HSLA、IF、50W1000、50W600等。

圖1 橫紋的典型形貌Fig.1 Typical pattern of the cross grains

1 包鋼1750冷軋平整機的生產特點

包鋼1750冷軋平整機的原料絕大部分來自上道薄板坯連鑄連軋生產線(以下簡稱CSP生產線)，根據其上、下道工序及生產組織模式，主要有如下一些特點。

1.1 熱軋CSP供料

作為包鋼薄板廠的配套項目，1750冷軋平整機大部分熱軋原料來自CSP生產線。由于CSP生產線自身的工藝特點，其熱軋卷的屈服強度比常規生產線熱軋卷的屈服強度要高20 MPa左右；熱軋卷的晶粒度更加細小，比常規生產線熱軋卷的晶粒度大1～2級[1]；熱軋鋼帶氧化鐵皮更加致密，導致在冷軋生產時軋機負荷偏大，板形難以控制，酸洗后鋼帶表面粗糙度低，軋后反射率偏低。二者之間的對比見圖2(包鋼CSP原料與包鋼常規熱連軋原料對比，以普通低碳鋼為例)。

圖2 CSP生產線和常規生產線生產的熱軋帶鋼卷的力學性能對比Fig.2 Comparison of mechanical properties of the hot-rolled strip coils produced in CSP and conventional production lines

1.2 酸軋機組碳鋼硅鋼混合軋制

包鋼薄板廠冷軋生產線主要設備見表1。酸洗軋機聯合(以下簡稱酸軋)機組為保證下道工序連續生產，采用硅鋼和碳鋼混合軋制的工藝，全月硅鋼作業時間超過20%，乳化液中灰分含量經常出現大于1 500×10-6的情況，乳化液系統不能進行有效更新，鋼帶表面殘留的鐵粉和硅泥較多，鋼帶表面反射率基本維持在40%～50%。

1.3 鋼帶罩式爐退火時易粘連

雖然包鋼配備了清洗線，但噸鋼50元左右的生產成本在當下低迷的市場狀況下，除個別效益較好的產品外，普板不具備清洗條件。為提高鋼帶的反射率，減少平整機組出現斑跡缺陷的概率，采取在罩式爐中于軋制油揮發溫度對鋼帶進行退火等措施，但也提高了粘連缺陷產生的概率。

表1 包鋼薄板廠的主要裝備Table 1 Main equipments in Baotou CSP plant

1.4 平整與重卷不匹配

重卷分卷機組主要起分卷和檢查鋼帶表面質量的作用。由表1可知，平整與重卷分卷機組生產率不匹配，平整機組需要分切大量鋼卷，大約有60%以上的鋼卷需要經過平整機組進行切分，同時受到車輛裝載方案的影響，部分鋼卷需要由1個大卷分成3個小卷，造成平整機組頻繁加、減速以保證鋼卷的分切，加大了平整機工作輥和支撐輥打滑的概率。

1.5 軋輥運輸運距長

包鋼在對冷軋生產線進行物流設計時，考慮場地因素，將酸軋車間(含酸再生站和乳化液站)設計在軋輥加工間與罩式爐平整車間之間，弊端是平整輥需要依靠汽車倒運，并且運距較長，因此，在制訂后期的工藝制度時，考慮到軋輥運輸的制約因素，將軋輥的正常換輥周期初步定為1 500 t，未充分考慮到軋輥磨損造成的鋼帶表面粗糙度降低而引起的打滑現象。

2 冷軋鋼帶表面產生橫紋的原因

橫紋一般具有以下特點：肉眼可見，精細致密，明暗交替，與軋制方向垂直。在軋制方向有連續橫紋和非連續橫紋[2]。橫紋與軋制鋼帶的幾何尺寸有一定的關聯，軋制鋼帶越窄越薄，橫紋的出現越頻繁，同時軋制速度以及升降速的加速度對橫紋的出現和消除都具有對應關系。

2.1 上道工序

在絕大多數情況下，平整機采用延伸率控制模式，延伸率是平整后軋件的變形量與軋件原始長度的比值，軋件長度通過安裝在平整機前后的帶碼盤的測量輥測定。延伸率的調整主要通過調整平整機AGC液壓缸壓力或AGC液壓缸伸出位置來實現，軋件延伸率控制原理如圖3所示。因此，酸軋引起的原料厚度波動，酸軋產生的原料浪形和表面殘留物，罩式爐退火產生的粘接缺陷都會導致軋件延伸率波動，進而在軋輥表面形成振痕，最終在鋼帶表面產生橫紋。

首先，酸軋工序引起的原料厚度波動勢必引起平整機軋制力的波動。正常情況下，酸軋機組引起的原料厚度波動為4～13 μm，軋制力波動很小。但在酸軋機組進行動態變規格、升降速操作等特殊情況下，鋼帶厚度波動往往超過30 μm，極端情況超過100 μm，引起平整軋制力大幅度波動，最終造成鋼帶表面出現橫紋。圖4為酸洗、軋制后鋼帶厚度波動圖。

圖3 軋件延伸率控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of controlling elongation of the rolled piece

圖4 酸洗、軋制后鋼帶厚度的波動圖Fig.4 Variation range of thickness of the steel strip after pickling and rolling

其次，原料的板形缺陷使平整機難以調整。大的浪形缺陷使平整機需要大的變形量才能調整到位。根據材質，包鋼冷軋平整機一般采用0.8%的延伸率平整鋼帶。鋼帶不平度計算公式：

(1)

式中：I為鋼帶的不平度值；h為鋼帶波浪高度；l為鋼帶波浪間隔。0.8%的延伸率不能修正10 I以上的浪形。因此，在實際生產中，通過平整機改善原料浪形缺陷的效果有限，最終產生類似應變痕狀的橫紋。

第三，包鋼1750冷軋平整機上道酸軋工序采用硅鋼、碳鋼混合軋制工藝，表面殘留的鐵粉、硅泥較多，酸軋工序產生的表面殘留物在罩式爐退火的密閉環境中難以有效去除，用平整液洗不干凈，因此進入平整機的退火鋼帶表面摩擦因數不均勻，造成軋制力偏差大，從而產生橫紋。

最后，由于罩式爐退火的特點，鋼帶在加熱和冷卻過程中會形成徑向溫度梯度，造成鋼卷層間存在壓應力。在壓應力作用下，鋼帶層間局部凸起處將產生塑性變形，增加層間緊密接觸面積。由于變形引起晶格畸變，使空位、位錯等缺陷增多，界面區能量增高，鐵原子處于激活狀態，極易產生擴散，形成金屬鍵鏈接。同時在高溫下，鐵原子擴散速度加快，當擴散到一定深度時，金屬鍵鏈接變成冶金鏈接，即形成了粘接，平整后鋼帶表面形成馬蹄狀印跡，即粘接缺陷。馬蹄狀缺陷倒印在軋輥表面，在后續加工過程中鋼帶表面形成橫紋。

2.2 平整工藝

平整的目的主要是消除材料的屈服平臺，使鋼帶表面獲得理想的粗糙度，調整板形使鋼帶平直。因此，冷軋平整開卷張力和延伸率的選擇、平整液的流量和濃度、軋輥更換周期和粗糙度、軋制速度、軋機板形控制等，都會引起材料的彈塑性變形及平整機打滑等現象，最終產生橫紋。

冷軋平整開卷張力最大為41 kN，在生產窄薄料過程中，張力設置過大會造成開卷過程中鋼帶進入彈塑性變形區，平整后表面形成橫紋。同理，根據圖3，平整工藝的延伸率過小也會造成軋制力降低，鋼帶進入彈塑性變形區進而形成橫紋。

冷軋平整液一般用水溶性防銹劑、表面活性劑及多種功能添加劑配制而成，具有良好的防銹和清洗性能及一定的潤滑性。平整液潤滑性過好會造成鋼帶與工作輥之間、工作輥與支撐輥之間的摩擦因數降低而出現打滑，從而產生橫紋。同理，在一個換輥周期內，隨著平整軋制壓下的增加，軋輥表面粗糙度降低，也會導致打滑而產生橫紋。

冷軋平整生產中，普遍存在平整機振動現象。在支撐輥使用的初期，平整機系統的振動以自激振動為主；在穩定軋制過程中，因工作輥與支撐輥的相對運動而在支撐輥表面形成振紋。在支撐輥使用的中、后期，系統的振動為強迫振動和自激振動共存，由振紋引起的強迫振動進一步加速了振紋的形成。振動系統的等效阻尼系數計算公式為[3]：

(2)

式中：Q為壓力不均影響系數；v為軋制速度；E為材料的彈性模量；b為軋件寬度；R為工作輥彈性壓扁半徑；Δh為平整機壓下量；L為軋件入口到開卷機之間的距離；ω為振動角頻率；h為軋件原始厚度。由式(2)可以看出，平整機的振動與軋制速度成正比，軋制速度與由振紋產生的橫紋關系密切。

2.3 平整設備

機架自身振動勢必引起輥系振動[4- 5]。牌坊與支撐輥軸承座間隙過大、支撐輥軸承座裝配不合適、支撐輥輥頭與傳動軸十字包間隙過大、上下支撐輥輥徑差等，都會造成軋輥在高速運行時產生振動，從而產生振痕類的橫紋。

設備不穩定的原因主要是軋制過程中接觸鋼帶的工作輥出現竄動[6]。工作輥竄動主要有徑向竄動和橫向竄動兩種，都屬于非正常情況，都是平整機各單元之間間隙過大所致。此外，傳動齒輪、傳動接頭均會有磨損，如果超出技術文件規定的范圍，輕則產生振動引發橫紋，重則發生打齒、掰軸等惡性事故。

3 預防橫紋的措施

3.1 上道工序原料

為消除橫紋及其類似缺陷對鋼帶質量的影響，在酸軋工序采取了以下措施。

(1)在軋件的幾何尺寸方面，建立全流程質量追溯制度，對厚度超機組保證值的鋼帶標注卷號和超差位置長度，如果超差部分在鋼帶頭尾則在平整工序切除，超差部分在鋼帶中間則該部分在平整工序采用空過操作；對平整卷板形也做相應的記錄，對頭尾不平整部分的不平度不提要求；原料不平度10 I以下采用0.8%的延伸率， 10～15 I采用1.5%的延伸率， 15～25 I采用2.0%的延伸率， 25 I以上，考慮到加工硬化，采用2.0%的延伸率。如不能消除板形缺陷則降級處理。

(2)在軋制潤滑和清潔方面，嚴格控制酸軋機組的乳化液指標。前面機架要保證軋機有足夠的潤滑，盡量降低鋼帶的表面粗糙度。末機架要將濃度降低至0.8%～1.2%，將溫度控制在53～57 ℃，并對鋼帶反射率進行監控。酸軋軋后反射率低于40%的，上清洗線清洗。包鋼1750冷軋平整前酸軋乳化液的技術要求列于表2。

表2 酸軋機組用乳化液的技術要求Table 2 Technical requirements for emulsion used in pickling- rolling set

(3)控制粘連方面，在酸軋機組末機架使用毛化輥，毛化輥粗糙度為3.5 μm，將酸軋后鋼帶的表面粗糙度控制在1.2 μm以上，如果粗糙度低，則更換工作輥。其次，保證卷取機卷取張力為27 N/mm2，并在每天對卷取張力測量輥張力檢測值進行校準，以確保測量系統準確。還有，在鋼帶進行罩式爐退火時，如果發生溫度波動，則適當延長保溫時間，但需控制鋼帶在再結晶溫度以上的總時間不超過3 h。

3.2 平整工藝

首先，在原料板形方面，平整機采用凸度輥，軋輥凸度設定為0.25 mm，一方面可以有效消除邊浪板形缺陷，另一方面可使軋件在軋制中心線穩定軋制。其次，針對不同鋼種、不同厚度的鋼帶，結合冷軋板的屈服強度，重新設定開卷張力，避免鋼帶進入彈塑性變形區。第三，與平整液生產廠合作進行平整液成分改進，以改善清洗性能，降低潤滑性能，提高防銹性能，降低平整機產生振動的概率。第四，平整機振動與速度成正比，因此應進行變速軋制，即經常改變平整機振動頻率，以降低軋輥振痕出現的概率。此外，采用低速開軋、板形穩定后高速軋制的方法來調整軋機。第五，嚴格執行上料溫度制度，鋼卷溫度在40 ℃以下方可進入平整機生產。最后，重新制定軋輥使用制度，工作輥每間隔100 km更換一次，并測定平整出口鋼帶的表面粗糙度，同一平面內偏差超過0.2 μm即進行更換；將上下工作輥輥徑差控制在0.1 mm以內；將上下支撐輥輥徑差控制在0.2 mm以內。

3.3 平整設備

鋼帶產生周期性橫紋的原因主要是相關設備間隙過大。預防措施主要在于間隙的測量、記錄和調整。首先，定期測量工作輥、支撐輥與牌坊之間的間隙[7]，工作輥軸承座與牌坊的間隙應小于0.5 mm[8]，支撐輥軸承座與牌坊之間的間隙應小于0.2 mm，如超標，則調整或更換軋輥兩側銅滑板。其次，定期測量支撐輥傳動扁頭與傳動軸扁頭套之間的間隙，將其控制在0.05～0.12 mm，定期涂抹干油減振，在間隙過大時更換或調整扁頭套耐磨版。第三，定期測量工作輥、支撐輥軸向、徑向竄動間隙，工作輥軸向/徑向間隙按照(0.16±0.02) mm/(0.3±0.02) mm進行調整，支撐輥軸向/徑向間隙按照(0.22±0.02) mm /(0.5±0.02)mm進行調整。最后，當調整間隙無效平整機依然振動，則拆掉上支撐輥傳動扁頭及相應傳動軸，改成下輥單輥傳動，也可有效消除因上下輥系傳動扭矩異向耦合、上下軋制力不均等原因產生的橫紋。

4 結論

通過對包鋼1750冷軋平整機上道酸軋工序、罩式爐退火工藝、平整工藝、平整設備等方面進行綜合分析，采取了將原料板的厚度波動控制在20 μm以內，將原料板的不平度控制在10 I以內，控制原料板表面粗糙度，減少有粘連缺陷的鋼帶，優化平整機工作輥輥型，恢復平整機支撐輥與牌坊之間的間隙等一系列措施后，經平整的冷軋鋼帶表面的橫紋已大幅度減少，支撐輥的更換周期也能維持在15天左右，提升了企業的效益。