熱鍍鋅薄板開卷抽芯原因分析與控制

任新意，高慧敏，徐海衛，于 孟，黃華貴，孫靜娜

(1．首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200； 2．燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 前言

熱鍍鋅產品具有優良的耐腐蝕性、良好的可加工性、較強的抗氧化性以及優越的裝飾性等，在工業建筑、汽車制造、家電冶金、船舶制造等重要領域得到廣泛應用[1-3]。0.4 mm以下的熱鍍鋅薄規格產品主要用于洗衣機、冰箱、空調等白色家電的背板、側板及面板，對產品的規格尺寸、板形精度、力學性能和表面及卷形質量均有比較嚴格的要求。為了提升高端產品的市場競爭力和國外出口能力，某1 700 mm 熱鍍鋅生產線薄規格家電板的產品比例逐步增加，對機組的運行穩定性和產品質量提出了更高的要求。

某1 700 mm 連續熱鍍鋅生產線由CMI公司整體設計[4]，年設計產能可達40萬噸，以生產具有高附加值的建材板和家電板為主，選用美鋼聯法連續熱鍍鋅工藝，產品厚度0.25mm至2.5 mm，寬度750 mm至1 580 mm，產品最高強度級別可達590 MPa。機組自投產以來，薄規格家電板產品頻繁出現入口開卷抽芯問題，嚴重限制了機組的生產節奏和批量供貨能力。

本文以某 1700 mm 熱鍍鋅生產線為研究對象，通過分析開卷抽芯問題的現象特征和發生規律，研究導致入口開卷抽芯問題的原因和影響因素，并結合酸軋原料的生產工藝和鍍鋅開卷過程工藝提出了有效的控制措施。

1 鍍鋅機組開卷抽芯現象特征

該 1 700 mm 熱鍍鋅生產線現場開卷抽芯現象如圖1所示，統計開卷抽芯卷的原料機組分布和卷厚度分布情況如圖2和圖3所示。開卷抽芯的發生規律為：

(1)出現開卷抽芯現象的帶鋼厚度集中在0.4 mm以下，且1 300 mm以上寬規格帶鋼的發生頻率較高；

(2)由1 420 mm 酸連軋生產線提供的原料鋼卷更容易發生開卷抽芯問題；

(3)開卷抽芯現象一般發生在帶頭100 m左右，隨著帶鋼開卷長度的增加，開卷抽芯問題越來越嚴重，直至糾偏框架到達極限位，帶鋼偏移到輥子邊緣，從而導致無法正常開卷。

圖1 熱鍍鋅產線現場開卷抽芯現象

圖2 開卷抽芯卷原料機組分布情況

圖3 開卷抽芯卷厚度分布情況

2 開卷過程抽芯原因分析

2.1 帶鋼開卷過程受力狀態分析

鍍鋅機組在帶鋼開卷過程中，開卷機一般采用恒張力進行控制[5]。在穩定運行狀態下，鋼卷內部的帶鋼主要受到層間的徑向壓力、張力作用下的周向拉應力、相鄰層間的接觸摩擦應力。此外，受到開卷機設備精度、板形不對稱、芯軸或輥系局部磨損等因素的影響，帶鋼在開卷過程中，還受到軸向應力的作用[6]。帶鋼開卷過程的受力狀態如圖4所示。

圖4 帶鋼開卷過程的受力狀態分析

帶鋼在開卷過程中，在鋼卷與卷筒相接觸的內層，其應力和位移滿足的邊界條件：

式中，ra為卷筒內半徑，mm；rb為卷筒外半徑，mm；E1為卷筒彈性模量；v1為卷筒泊松比。

在實際開卷過程中，鋼卷內層受到自身重力、開卷張力、徑向壓力、切向壓力及摩擦力的相互作用下，處于動態平衡。當鋼卷內層的帶鋼速度與最外一層或多層帶鋼速度不一致時，就會產生松卷或層間滑移現象。

2.2 帶鋼開卷過程工藝曲線分析

通過分析鍍鋅機組開卷抽芯過程工藝曲線，初始的開卷張力為零，而此時開卷機卷筒轉動提供的轉矩較大，如圖5所示。當帶鋼頭尾剪切、焊接后的張力建立過程中，開卷張力和對中調節處于非穩定狀態，波動幅值較大，鋼卷內部的層間會獲得一定的切向應力，導致鋼卷內圈會發生松卷或縫隙，如圖6所示。當鋼卷的卷徑比較大時，帶鋼所受到的開卷張力、切向應力和摩擦力仍能保持平衡狀態，但是受到帶鋼不對稱板形、芯軸設備精度、輥系局部磨損等因素的影響，由于徑向應力的作用，造成帶鋼所受的開卷張力、切向應力和摩擦力處于不平衡狀態，進而導致鍍鋅機組在開卷過程中出現抽芯現象。

圖5 帶鋼開卷過程的工藝曲線分析

圖6 原料帶鋼內圈縫隙情況

2.3 原料帶鋼板形對稱度分析

帶鋼板形是因軋制過程中延伸率不均導致的應力分布不均[7]，在開卷張力作用下，帶鋼兩側不對稱浪形會導致帶鋼兩側受力不均，進而造成帶鋼在開卷機芯軸上出現偏移。通過反查酸軋原料帶鋼的板形情況，板形目標曲線采用微雙邊浪控制。1 420 mm 酸連軋機組軋制薄規格帶鋼時，一般采用末機架壓下率模式。對比其它酸軋原料帶鋼生產機組，末機架采用平整延伸率模式，因此1 420 mm 酸連軋機組的原料帶鋼的板形控制精度相對較差，且存在明顯的兩側不對稱情況，如圖7所示。

圖7 開卷抽芯的原料板形情況

2.4 原料帶鋼表面粗糙度和殘油情況

原料帶鋼表面粗糙度過低或表面殘油量過高，均會造成鋼卷內部層間接觸摩擦力減小，從而容易導致帶鋼開卷過程中容易出現抽芯問題[8]。由于1 420 mm 酸連軋機組的末機架采用壓下率模式，工作輥一般采用磨削光輥(粗糙度0.5～0.7 μm)，造成帶鋼表面粗糙度低于其它酸連軋機組原料帶鋼的粗糙度。此外，為了滿足末機架壓下率模式下的軋制穩定性，需要較高的乳化液濃度(3.0%～4.0%)，造成原料帶鋼的表面殘油量較大[9]。不同機組原料帶鋼表面粗糙度和殘油對比情況如圖8和圖9所示。

圖8 開卷抽芯的原料粗糙度情況

圖9 開卷抽芯的原料殘油量情況

3 開卷抽芯控制措施

3.1 酸軋原料帶鋼生產工藝優化

3.1.1 原料帶鋼板形對稱度控制

針對某1 700 mm 熱鍍鋅機組由于原料板形不對稱導致的開卷抽芯問題，通過調整酸軋板形目標曲線模式，并依據不同的帶鋼鋼種、規格優化輥縫傾斜補償系數，提高了帶鋼通卷板形的對稱度。優化后的板形情況如圖10所示。

圖10 優化后原料基板板形情況

3.1.2 原料帶鋼粗糙度及殘油量控制

針對某1700 mm 熱鍍鋅機組的原料帶鋼表面粗糙度過低問題，采用酸連軋機的第五機架毛化輥壓下的軋制模式，毛化后的工作輥粗糙度為1.3 μm，并通過采用第五機架工作輥鍍鉻方式，制定合理的乳化液系統加油和排液策略，實現了提高原料表面粗糙度的前提下，有效的控制了帶鋼表面的殘油量。改善后的原料表面粗糙度和殘油量情況如圖11和圖12所示。

圖11 改善前后帶鋼表面粗糙度對比情況

圖12 改善前后帶鋼表面殘油量對比情況

3.1.3 原料帶鋼卷取模式優化

結合現場鍍鋅產線開卷抽芯的觀察現象，對于出現層間松卷的原料，更容易發生開卷抽芯問題。由于原料帶鋼出現內圈松動，在芯軸膨脹時導致內圈出現一層接觸不緊密，在隨后的運行過程中，導致此層逐漸擴展，此時糾偏動作就會出現層間錯動，導致開卷抽芯的出現。因此，通過在酸軋原卷取張力基礎上整體增加5%的設定參數，并優化卷取機的錐度張力曲線，如圖13所示，可以有效減少原料帶鋼松卷導致的開卷抽芯問題。

圖13 優化后的卷取機錐度張力曲線

3.2 熱鍍鋅產線開卷過程工藝優化

3.2.1 壓輥壓緊力優化

某1700 mm 熱鍍鋅機組的開卷機上設有壓錕，其初始設定壓力是固定的，不會隨著帶鋼的鋼種、規格而變化。根據實際生產情況，根據帶鋼的寬度、厚度規格優化壓輥壓緊力的二級參數表格，如表1所示。

表1 1700 鍍鋅開卷壓輥壓緊力二級參數表

3.2.2 開卷機對中調節

某1 700 mm 熱鍍鋅機組具有開卷對中功能[10]，可以實現帶鋼中心線與機組的中心線保持重合，從而保證鋼卷在上卷和開卷過程中的穩定性。但是由于上卷小車的設備精度影響，開卷機芯軸上的帶鋼不可避免的存在一定程度偏移，尤其是帶鋼頭部位置在開始建張過程中的偏移量和對中調節量遠大于正常運行狀態，更加容易造成開卷出現抽芯現象。因此，通過增加開卷對中功能的控制系統補償函數，將帶鋼頭部500 m范圍內的對中調整限幅設定為1 mm，避免較大的對中調節造成鋼卷橫向偏移，從而減輕開卷抽芯的嚴重程度。

3.2.3 開卷設定張力優化

正常開卷時，開卷機的張力設定值是恒定的，在帶頭時卷取機所承受的轉矩是最大的，此時最易發生抽芯現象。在實際生產薄規格帶鋼時，開卷機的張力增加一個系數，根據卷徑的變化調整此系數，改變張力設定值。通過設計一種全新的開卷機張力控制模型，有效的解決了開卷抽芯的問題，優化后的開卷張力控制模型如圖14所示。

圖14 優化后的開卷張力控制模型

4 現場實施效果

從現場跟蹤情況來看，通過系列方案的現場實施，1 700 mm 熱鍍鋅機組的開卷抽芯問題已基本得到解決，月均開卷抽芯次數由9.8次降低到目前的1.3次，開卷抽芯影響時間由月均67.4 min減少到9.6 min，取得了良好的控制效果，如圖15和圖16所示。

圖15 改善前后抽芯次數對比情況

圖16 改善前后抽芯時間對比情況

5 結論

(1)通過現場跟蹤和堆鋼發生規律統計，確定了熱鍍鋅機組發生開卷抽芯問題在產品規格、原料產線、抽芯位置等方面的現象特征；

(2)通過分析帶鋼開卷過程的受力狀態，表明帶鋼受到的周向靜態開卷張力和鋼卷層間摩擦力的合力無法與動態軸向力相平衡而造成層間橫向滑移，導致開卷出現抽芯現象；

(3)通過對比分析原料帶鋼在板形對稱度、表面粗糙度、表面殘油量等工藝指標的差異性，確定了鍍鋅機組開卷抽芯的成因，并制定了系列解決方案；

(4)現場應用結果表明，1 700 mm 熱鍍鋅機組的開卷抽芯次數和影響時間均顯著減少，取得了良好的應用效果。