冶煉廠生產線精軋工作輥氧化膜剝落影響因素研究

劉序江

（1.四川大學化學工程學院，四川 成都 610065；2.攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司，四川 攀枝花 617000）

熱軋板材的表面氧化鐵皮缺陷是各冶煉廠長期的治理重點。金屬表面的氧化缺陷對產品的后續酸洗、成型等加工都起著明顯的制約作用。尤其是隨著“以熱代冷”的熱軋酸洗板等典型產品廣泛應用于汽車、自行車、家用電器、防盜門等產品制造，用戶對產品表面質量的要求越來越高。

在金屬板表面氧化缺陷中，有很大一部分是由軋輥氧化膜剝落造成的。熱軋工作輥的氧化膜生成與剝落行為與其服役的環境有關。軋輥在大載荷、高溫、高速以及驟冷驟熱的條件下，軋輥表面會形成一層氧化膜，隨著外部條件的變化，生成氧化膜的厚度、強度不盡相同，在與軋材、支承輥以及軋輥內部熱應力的交替作用下，氧化膜將產生裂紋，并在軋制過程中擴展，最終導致氧化膜脫落。剝落的氧化膜壓入金屬板表面，將嚴重影響產品質量[1]。因此，對軋輥氧化膜剝落的影響因素進行研究，對降低熱軋金屬板表面氧化缺陷具有重要意義。

1 軋輥氧化膜缺陷現狀

研究發現[2]，在所有精軋工作輥中，F1～F3機架工作輥所受載荷條件最惡劣，在高溫、高速、大壓下量和驟冷驟熱條件下工作，其輥面氧化膜承受周期性的巨大的交變應力，達到一定的極限后，輥面氧化膜中微裂紋在裂紋源處產生、擴展。裂紋尺寸擴展到一定程度時，垂直于輥面的裂紋與平行于輥面的裂紋匯合發生剝落。另外，在工作輥和熱軋金屬板間強大的剪應力作用下，軋輥輥面氧化膜也容易發生脫落[3]。生產實際中，軋輥上的氧化膜剝落缺陷多見于F1～F3機架。

軋輥氧化膜剝落后在軋制過程中壓入產品表面，是形成氧化膜缺陷的重要原因。軋輥表面的氧化膜剝落形態與金屬板表面的氧化膜缺陷對照關系如圖1所示。

圖1 軋輥表面氧化膜剝落與金屬板表面氧化膜缺陷形貌對照

通過對氧化鐵皮缺陷在不同金屬種類中的比例分布統計，結果表明，軋輥表面氧化缺陷發生在強度相對較高的SPHC、SAPH400、SPAH440、P510CL中的比例為72.2%，而強度相對較低的SAPH370、Stw22、Q195等其他金屬種類中的比例為27.8%，統計結果如圖2所示。

經統計，氧化膜缺陷在不同規格產品中的分布如圖3所示。氧化膜缺陷出現在金屬板厚度規格為1.8mm～2.5mm中的比例約為48%，厚度規格為2.5mm～3.0mm中的比例為42.7%，只有9.3%的比例出現在厚度規格大于3.0mm的產品中。

圖2 軋輥表面氧化缺陷在各金屬板中的比例

圖3 氧化膜缺陷在厚度規格中的分布

由此可見，氧化膜缺陷在薄規格和強度相對較大的品種金屬種類中出現幾率較大。而金屬板的規格與強度的差異，影響的主要還是軋制過程的軋制溫度和負荷，這一定程度上印證了高溫、高壓力導致軋輥氧化膜剝落從而增加了軋輥氧化膜剝落缺陷。

2 關鍵影響因素研究

鑒于軋輥氧化膜剝落與不同種類金屬板表面氧化膜缺陷的對應關系，采用單一變量法，分別對熱軋精軋機組可有效控制的開軋溫度、工作輥冷卻水、軋制負荷與金屬板表面氧化膜缺陷率的關系進行了研究。精軋開軋溫度與金屬板氧化膜缺陷率的對應關系如圖4所示。隨著金屬板開軋溫度的提高，氧化膜缺陷率呈S型增長。即開軋溫度低于1070℃時，隨著開軋溫度的升高，氧化膜缺陷率增加較為緩慢；在開軋溫度處于1070℃～1090℃時，隨著開軋溫度升高，氧化膜缺陷率急劇增加；當開軋溫度高于1090℃時，氧化膜缺陷率一直處于相對較高的水平，并不隨著開軋溫度的升高而繼續增加。

圖4 開軋溫度對氧化膜缺陷的影響

工作輥冷卻水量與金屬板氧化膜缺陷率的對應關系如圖5所示。當冷卻水量低于75%時，氧化膜缺陷率處于較高水平。當冷卻水量大于80%時，氧化膜缺陷率較低，并不隨冷卻水量的增加而明顯變化。

圖5 冷卻水量對氧化膜的影響

軋制負荷與金屬板氧化膜缺陷率的對應關系如圖6所示。氧化膜缺陷率隨著軋制負荷的增加呈近似J型曲線增長。即隨著軋制負荷的增加金屬板表面氧化膜缺陷率一直呈增加狀態。

圖6 軋制負荷對氧化膜的影響

3 分析討論

開軋溫度低于1070℃時，軋制過程中軋輥溫度相對較低，軋輥表面氧化膜生長速度較為緩慢，結構致密，與軋輥結合力相對較強。

隨著開軋溫度的升高，軋輥表面氧化膜生長速度快速增加，氧化膜成分逐漸變得結構松散，與軋輥結合力變弱，軋輥氧化膜容易剝落，形成氧化膜缺陷。當軋輥表面的氧化膜全部轉化為結構松散的成分后，軋輥氧化膜剝落及金屬板表面氧化膜缺陷達到最大，并且不隨著開軋溫度的繼續升高而變化。

工作輥冷卻水量對軋輥氧化膜剝落的影響與開軋溫度原理相同。當冷卻水量低時，軋輥表面溫度相對較高，生成的氧化膜結構相對松散，與軋輥結合力弱，容易剝落形成表面的氧化膜缺陷。當冷卻水量大于80%時，軋輥軋制過程與金屬板的交換熱能及時得到冷卻，軋輥表面生成的氧化膜結構致密，與軋輥結合力強，不易剝落，因此金屬板表面氧化膜缺陷減少。當軋輥表面溫度冷卻到一定程度后，其氧化膜成分結構不再發生變化，所以金屬板表面氧化膜缺陷也不再明顯變化。

軋制負荷在軋制過程中與軋輥表面氧化膜所受剪切力呈正相關關系，軋制負荷越大，軋輥表面氧化膜受到的剪應力越大，越容易剝落。所以軋制負荷越大，氧化膜缺陷率越大，并且呈J型曲線趨勢。

4 結論

軋輥氧化膜剝落是金屬板表面氧化膜缺陷形成的重要原因。而開軋溫度、軋輥冷卻水、軋制負荷均對軋輥氧化膜的剝落缺陷有著重要的影響。

開軋溫度對軋輥氧化膜剝落缺陷的影響，呈先增加速度小，后增加速度增大，然后又增加速度減小的規律。因此，在制定軋制規程時，盡量將開軋溫度控制在快速增長之下為宜，即低于1070℃。

工作輥冷卻水量對軋輥氧化膜剝落缺陷的影響，主要看水量是否能有效的降低軋輥表面溫度，過多的水量并不會有更大的益處，一般工作輥冷卻水量控制在85%左右即可。軋制負荷與軋輥氧化膜剝落缺陷呈正相關關系，應作為軋制過程控制的重點。