熱軋薄帶鋼異常斷面的分析與改進

方少華

（上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京210039）

1 前 言

近年來，隨著熱軋產品實物質量控制水平的快速提升，上下游工序的溝通更加緊密，下游工序更多質量缺陷能夠得到快速識別和改進，如冷軋帶鋼局部起筋與熱軋帶鋼橫斷面質量之間的關系。通過長期的摸索和積累，熱軋工序對常見的帶鋼邊部反翹類的橫斷面成因已有明確認識，即軋輥邊部局部磨損嚴重造成。為了提升熱軋帶鋼橫斷面質量，常規的控制手段有合理編排軋制計劃、優化竄彎輥控制策略、提升軋制潤滑效果改善軋輥磨損等［1］。但是對于發生率較低的帶鋼橫斷面中部及單側形狀異常的觀點不盡相同。以下是某熱軋產線在生產過程中遇到的兩種異常橫斷面的分析與改進。

2 斷面缺陷分析

2.1 中部凹陷斷面

2.1.1 缺陷形貌

該產線精軋前機架F0至F3的工作輥為高速鋼輥，在F2機架高速鋼輥使用過程中，帶鋼橫斷面中部出現凹陷的現象（見圖1），凹陷程度一般在3～8 μm。針對該現象，對各機架工作輥下機輥形進行檢查發現，F2機架下輥中部有明顯凸起（見圖2），且凸起程度與上機使用次數呈正相關，一般在上機使用4次后中部凸起程度能達到120～180 μm左右。

2.1.2 中部斷面凹陷分析

針對F2機架下機工作輥中部凸起的磨損異常，經分析認為造成此現象有3種可能：1）F2入口帶鋼橫斷面溫度分布不均勻；2）軋輥橫向冷卻不均；3）軋制油橫向潤滑不均勻。

圖1 帶鋼斷面中部凹陷

圖2 F2機架下輥中部凸起

為進一步確定中部磨損不均勻的原因，分別對F2機架入口的機架間除鱗打擊重合度、軋輥冷卻水分布、入口防剝落水及軋制潤滑進行了檢查。通過現場檢查確認，機架間除鱗打擊重合度、軋輥冷卻水狀態均正常，防剝落水和軋制潤滑水嘴均無堵塞。同時還分別做了關閉F1、F2機架間除鱗、軋制潤滑以及關閉防剝落水試驗，試驗結果表明：1）關閉F1、F2機架間除鱗、軋制潤滑后的下機輥形演變情況如圖3所示，隨著上機次數的增加，下機輥中部凸起以每次30～40 μm的程度增加，說明下機輥中部凸起現象與機架間除鱗、軋制潤滑狀態無對應關系。2）關閉F2機架入口防剝落水后下機輥形演變情況如圖4所示，每次下機后輥形沒有大的變化，中部凸起沒有隨著使用次數的增加而增加，只是磨損的增加。試驗說明下機輥中部凸起現象與F2入口防剝落水的狀態有明顯的對應關系。

圖3 關閉機架間除鱗和軋制潤滑的F2下輥輥形演變

圖4 關閉F2防剝落水的下輥輥形演變

在確認下機輥中部凸起導致帶鋼斷面中部凹陷問題與F2入口防剝落水有明顯的對應關系后，對F2下防剝落水的狀態進行了進一步檢查。采取只裝下工作輥的方法進行檢查，發現F2入口下防剝落水中部有兩個水嘴與入口導衛中間鼻梁有干涉現象。防剝落水先噴射到鼻梁下沿后反彈到帶鋼表面，造成帶鋼中部防剝落水未完全均勻地噴射到帶鋼表面。且在不同軋輥輥徑工況條件下，干涉情況不一樣，在輥徑較小時防剝落水與導衛不會干涉，當輥徑逐漸增加后干涉情況逐步加重。

針對不同輥徑條件下干涉程度不一樣的問題對照圖紙原設計，發現原設計存在最大輥徑時會發生導衛與鼻梁干涉現象，如圖5所示。由于當初考慮防剝落水的作用是冷卻帶鋼表面，防止軋輥表面氧化膜剝落。從長期的生產實際來看，工作輥表面質量及帶鋼表面質量均正常，因此該問題未能引起重視。但在高速鋼軋輥投入使用的過程中，對帶鋼斷面質量的影響逐漸凸顯出來。

圖5 防剝落水的理論設計

2.1.3 解決措施

經現場確認，F2機架下防剝落水只有中間2個水嘴存在與鼻梁干涉問題，從圖紙設計看，鼻梁的設計比導衛底板長30 mm，其他水嘴都能正常噴射，兩側導衛底板在移動過程中與防剝落水并不干涉。在確認該異常后，將鼻梁長度調整成與導衛底板長度一致，從而干涉問題得以解決。

鼻梁長度調整后，下機工作輥輥面中部凸起現象消失，帶鋼橫斷面質量也恢復正常。鼻梁調整后帶鋼斷面如圖6所示，可以看出斷面形狀整體貼近二次函數，斷面形狀較為理想。

圖6 防剝落狀態調整后的帶鋼斷面

從該缺陷的改進中可知，防剝落水不僅對帶鋼表面質量影響較大，同時對帶鋼橫斷面質量也有非常大的影響。防剝落水對工作輥下機輥形的影響機理為：當防剝落水噴射不均勻時，防剝落水噴射到的區域帶鋼表面溫度低，摩擦系數大，軋輥磨損大；防剝落水未噴射到的區域帶鋼表面溫度高，摩擦系數小，軋輥磨損小，當橫向噴射不均時軋輥異常磨損的落差會不斷加劇，且隨著使用次數的增加而持續加重。

2.2 斷面單側塌陷

2.2.1 缺陷形貌和成因

該熱軋產線在實際生產過程中還有一種單側塌陷的異常斷面，具體表現為帶鋼凸度正常，但帶鋼橫斷面兩側的形狀明顯不對稱，如圖7所示。此現象主要在同寬軋制時出現，當軋制規格或品種發生變化時有明顯改善甚至消失，對下機工作輥冷熱輥形和輥溫測量無明顯異常。

圖7 斷面傳動側塌陷

針對換規格或鋼種后單側塌陷有改善或消失的現象，經分析認為，當換規格或鋼種時，由于各機架溫度及負荷發生變化，各機架需要不同的輥凸度來保證板形，所以竄輥動作量會相應變化。而同寬軋制時軋制工藝穩定，板形自學習波動很小，此時竄輥變化量小。若竄輥長期處于小范圍工作，則易形成局部磨損或熱膨脹［2］。

2.2.2 解決措施

1）前段機架輥形的優化。該產線除F0機架外其他機架都具備竄輥功能，竄輥范圍±95 mm，輥形均為CVC輥形。由于熱連軋產線一般將F0～F3認為是前段機架，F4～F6認為是后段機架，前段機架主要作用是將來料凸度轉換為出口目標凸度的比例凸度，為保證機架間板形及機組出口有良好的平直度，后段機架按目標凸度比例凸度軋制。各機架本身凸度控制能力以及在整個機組中的不同位置，原輥形配置中將F1～F3機架采用CVC4輥形（等效凸度范圍為-600～300 μm），后段機架采用CVC1輥形（等效凸度范圍為-300～-50 μm）。按照竄輥位置利用率=竄輥在0～+95位置的塊數/軋制總塊數×100%的方式，對各機架竄輥在0～+95位置的利用率進行統計，結果如表1所示。

從表1中可以看出，F1～F3機架竄輥位置在0～+95 mm的概率分別為5.32%、12.67%、20.58%，證明在竄輥位置在0～-95 mm的概率分別為94.68%、87.33%、79.42%。竄輥范圍主要集中在負向竄輥，不利于軋輥的均勻對稱磨損，容易形成局部磨損。對輥形的等效凸度范圍重新評估，在滿足最終帶鋼凸度控制能力的前提下，輥身長度不變軋輥等效凸度范圍變小后輥形變得更加平緩，平緩輥形需要更大竄輥量來實現相同的凸度變化量，從而實現單塊鋼之間的竄輥步長增加的目的。經過上機器試驗，最終將前段機架輥形優化為CVC2（等效凸度范圍為-600～50 μm）。

表1 各機架竄輥位置在0～+95范圍利用率

2）變凸度軋制功能的開發與應用。在同寬軋制過程中，材料的各項屬性及軋線的工藝固定不變，板形自學習可以很快命中目標凸度范圍內，單塊鋼之間的竄輥位置也相對固定，易形成局部磨損或熱量集中，所以需要在相對穩定的條件下打破這種平衡來增加竄輥步長。板形模型中的竄輥量是以帶鋼的目標凸度來進行設定計算［3］，若在同寬軋制時強制將模型用于計算的目標凸度在凸度公差范圍內調整就可以打破原有的平衡狀態，實現增大竄輥步長的目的。基于以上思路，在原有模型中增加了變凸度功能。即將模型中的設定凸度目標值在原來基礎上，增加±4 μm以內的凸度目標凸度隨機修正值，板形模型根據目標凸度與修正值的和作為計算使用目標凸度值設定。在軋制某一固定規格時模型開始計數，當相同規格連續軋制到第4塊時，啟動變凸度軋制功能，最終實現竄輥步長的增大。

2.2.3 改進后效果

工作輥CVC輥形優化與變凸度軋制功能投入使用后，竄輥范圍如圖8所示。輥形優化與變凸度軋制功能投入使用前，F1～F3竄輥范圍在+40～-95 mm。輥形優化與變凸度軋制功能投入使用后，F1～F3機架竄輥位置分布向正向范圍移動，竄輥使用范圍在+50～-75 mm，竄輥利用率提高。同寬軋制時，竄輥步長有所增大，竄輥在極限位工作的情況消失，軋輥磨損均勻性得到改善，斷面單側塌陷問題得到有效解決。斷面形狀曲線如圖9所示。

3 結論

3.1 防剝落水不僅對帶鋼表面質量有影響，同時防剝落水噴射不均勻產生的不均勻磨損和熱膨脹，也會對帶鋼斷面質量產生較大影響。

3.2 在現場機組工況條件變化較小的條件下，增加竄輥步長和提高竄輥行程的利用率對斷面質量有明顯改善作用。

圖8 竄輥位置對比情況

圖9 優化后的斷面形狀

3.3 斷面質量改善的落腳點還是要以均勻軋輥磨損和熱膨脹為基礎。