分析不同應力狀態下帶鋼的破鱗機理

田文罕 余鵬

【摘 要】利用自主設計的破鱗機對熱軋帶鋼進行不同應力狀態的破鱗試驗，采用金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析對破鱗前后氧化皮的表面和界面進行分析，研究了帶鋼不同應力狀態下的破鱗機理。試驗結果表明，隨著拉應力和壓應力的增大，氧化皮全剝落率不斷增大，并逐漸趨于穩定，且壓應力的破鱗效果強于拉應力；拉應力作用下氧化皮以分層剝落為主，外層Fe3O4發生剝落，內層FeO僅在缺陷處發生少量剝落；而壓應力作用下氧化皮以全剝落為主，臨界彎曲應力隨剝落量的增大而增大。

【關鍵詞】不同應力；帶鋼；破鱗機理

熱軋酸洗板和冷軋板在汽車和家電等領域有著廣泛的應用前景。作為熱軋酸洗板和冷軋板的生產來料，熱軋后的帶鋼表面附著了一層氧化鐵皮，冷軋之前必須除去氧化皮，否則會影響冷軋板的表面質量和損壞軋輥表面。鋼廠在進行酸洗前要對熱軋帶鋼進行拉伸彎曲矯直破鱗處理，促使氧化皮產生裂紋和剝落，降低氧化皮結合強度，利于酸液侵入內部，增強酸洗的溶解、還原和剝離作用，提升酸洗速率。

1、破鱗原理

破鱗機的工作機理是利用鐵基體與氧化鐵皮覆層材料性能的巨大差異，采用機械方法進行彎曲，基體材料受力后產生一定的彈性變形，表面氧化鐵皮則由于較低的彈性變形且破壞強度低，同時與鐵基體附著力差，這樣當氧化鐵皮不能適應金屬形狀變化而引起的內應力大于其破壞強度時，它便要破裂。帶鋼在經過破鱗輥時上下表面處于不同的應力狀態，最終產生不同形式的氧化鐵皮剝落。相關的研究表面，大彎曲能取得較好的破鱗效果。

具體來說，當帶鋼通過破鱗輥時，帶鋼兩個表面變形情況不同，一個表面受到張力拉伸，氧化鐵皮和鐵基體的界面會產生裂紋，而與破鱗輥接觸的另一面將受到壓力的作用，氧化鐵皮會被擠碎成網狀，有的不再附著于基體上，直至脫落。

2、原破鱗輥的使用分析

2.1 破鱗輥工作環境

連續酸洗機組主要處理熱軋普通碳鋼卷和高強鋼卷，破鱗段最高運行速度可達200m/min 。在帶鋼沖套、甩尾的整個過程中，破鱗輥完全投入使用，工作過程中，氧化鐵皮剝落，粉塵較大。此外由于熱軋來料卷型、板型良莠不齊、帶鋼平均厚度大，在高速開卷、沖套過程中難免會對破鱗輥造成異常的沖擊和振動，在生產高強鋼時，情況更為嚴重。

2.2 破鱗輥結構

破鱗輥主要由安裝在同一輥盒內的工作輥和支撐輥組成。工作輥為單輥，根據板帶厚度不同，直徑可以選為60-100mm；支撐輥組由兩列組成，每個支撐輥直徑可以選100-120mm；兩類棍子均為被動輥，呈品型分布。由于工作輥直接與帶鋼接觸，表面做了硬化處理，硬化層深度5-8mm，HRC62-65。工作輥和支撐輥通過軸承組件安裝在輥盒內。

2.3 破鱗輥使用現狀及分析

正如前文所述，需要被破鱗的板型良莠不齊，退火不均勻等原因，機組破鱗輥有的使用壽命不到1個月，有些破鱗輥使用壽命大約10天左右。初步分析認為：來料板型結構復雜，工作輥承受載荷較大，工作環境惡劣，維護保養不便是影響破鱗輥工作壽命的主要原因。

機組上破鱗輥更換標準為輥面出現異常磨損、粘結、劃痕、剝落、熱損傷、異常聲音與振動等劣化跡象，預計會影響帶鋼表面質量就應更換。結合破鱗輥的歷史更換記錄，在7次更換中有5次是由工作輥磨損嚴重引起，有2次是由異音引起。故，我們可把工作輥磨損和破鱗輥的異常聲音與振動，作為影響破鱗輥使用壽命的主要原因而加以分析。

2.3.1 工作輥磨損情況分析

破鱗機工作輥直接與運行的帶鋼表面接觸，難免會產生磨損。當輥面硬化層被磨掉，或局部嚴重磨損預計會影響帶鋼表面質量即需更換。通過對破鱗原理和破鱗輥結構的介紹，我們知道該結構下小直徑工作輥能帶來好的破鱗效果，但小直徑的輥降低了工作輥的強度和耐磨性，降低了破鱗輥的使用壽命。一般情況下會選擇大一點直徑的工作輥，再配上大一點的拉矯張力，在提高工作輥壽命的前提下，達到很好的破鱗效果。

2.3.2 異常聲音與振動分析

根據現場經驗，破鱗輥的異常聲音與振動大多與軸承的非正常磨損有關。滾動體潤滑不充分，氧化物顆粒滲入都能引起非正常磨損。破鱗輥共有多個支撐輥，任意一個支撐輥的損壞都有可能引起停機事故，假設在一定條件下一個支撐輥的使用可靠系數是0.99，那么整個破鱗輥的可靠系數為 0.9934≈0.71。故，可從提高單個支撐輥的可靠系數和減少支撐輥使用數量兩個方面考慮，降低異常磨損發生的概率。

設計中支撐輥的作用是增加工作輥的剛性，若增大工作輥輥徑使之有足夠的剛性，則可考慮省去支撐輥，僅保留工作輥和使用少一些支撐輥，維護保養方便的同時大大提高了支撐輥影響的可靠系數。另外，隨著輥徑的增大相應可選擇承載力更大、性能更優的軸承。

綜上分析，在不考慮破鱗效果的前提下，可以通過改變破鱗輥結構，采用大尺寸單輥形式，以達到延長工作輥的使用時間、減小軸承異常磨損概率、提高破鱗輥可靠系數和使用壽命的目的。

2.4 破鱗效果與生產成本的平衡

雖然大彎曲能取得較好的破鱗效果，但彎曲的增大也不能隨心所欲，一方面要考慮對材料加工硬化的影響，另一方面棍子太細會帶來磨損塊、使用周期短、生產成本上升等問題。因此選擇破鱗輥結構與工作輥輥徑大小時應綜合平衡破鱗效果與生產成本的關系。

正如前文所述，破鱗輥主要作用是對熱軋卷進行預破鱗，將帶鋼表面附著力差、粗大的氧化鐵皮去除，我們知道機組中主要用來破鱗的設備是破鱗機，大多數的氧化鐵皮是在這里被去除。可以認為，若破鱗輥的維護成本明顯高于同類機組時，在不影響產品質量的和環保要求允許的情況下，可以適當降低破鱗效果以達到與生產成本的平衡。

某酸洗機組破鱗輥采用單輥形式，結構簡單、使用壽命長，經對比分析認為本機組也可參照單輥形式設計新的破鱗輥。

3、新結構破鱗輥的使用情況

參照其它同類機組入口段破鱗輥的結構形式，結合本機組的使用環境，我們設計了新的破鱗輥，采用單輥形式，工作輥直徑加大至250mm，硬化層深度提高至10mm，軸承、軸承座、油封等相關零部件也作相應選擇與調整。

新結構破鱗輥已于2011年9月在機組入口下通道試驗性投入使用，使用至今工作情況良好，正常工作時間超過20個月，沒有因破鱗效果不好而影響帶鋼酸洗質量的情況發生，說明新結構破鱗輥的破鱗效果與實際生產是相適應的。

4、結束語

破鱗輥雖然不是酸軋機組的關鍵設備，但其破鱗效果與生產實際的匹配一方面影響設備的維護成本，另一方面也影響了整個機組的生產順行。效果與成本的關系，在各個機組應該是普遍存在的，如何平衡好兩者的關系，尋求最優點是每個技術工作者孜孜不懈追求的目標。本文從所在機組破鱗輥的工作環境、結構、使用情況出發，分析了影響其使用壽命的主要原因，在參考其它同類機組和平衡效果與成本關系的基礎上，設計了新的結構并予以實施，大大提高了破鱗輥的使用壽命。

參考文獻：

[1] 寶鋼股份C502酸軋機組機械設備培訓教材2010年5月

[2] 王建軍，李同慶. 拉矯機破鱗原理的研究[J]. 上海金屬， 2012（1）：

作者簡介：

田文罕 男 出生年月 198006民族 漢 籍貫 甘肅省平涼市；學歷 本科職稱助理工程師單位 襄陽宇清傳動科技有限公司研究方向 冶金設備破磷機、拉矯機開發

余鵬 出生年月 19900224 民族 漢 籍貫 湖北襄陽；學歷 本科 職稱 助理工程師 單位 襄陽宇清傳動科技有限公司；研究方向 冶金設備破磷機、拉矯機開發