SUS304不銹鋼冷軋粘輥現象的改善方法

李均禹 李立新 周 順 彭 洲 蘇 嚴

(武漢科技大學 省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室,湖北 武漢 430081)

SUS304不銹鋼是一種應用廣泛的奧氏體不銹鋼,在其冷軋生產過程中時常會發生粘輥現象。粘輥是指軋制材料的部分碎片在軋制過程中不斷粘附累積在工作輥表面,導致工作輥使用壽命縮短、產品表面質量惡化。國內外學者一直在研究粘輥機制及其影響因素[1-6]。由于鐵素體不銹鋼的粘輥現象比奧氏體不銹鋼嚴重得多[7],目前關于鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的研究較多,而對奧氏體不銹鋼冷軋粘輥的研究較少。彭艷等[8]建立了冷軋粘著指數模型,并作為判斷鈦板冷軋粘輥程度的依據,這為判斷奧氏體不銹鋼冷軋粘輥程度提供了思路。

本文以SUS304奧氏體不銹鋼為研究對象,在已有粘輥模型的基礎上,考慮冷軋時軋輥的彈性壓扁以及前后張力等影響,從軋制規程、軋制速度、軋輥尺寸等方面探究了影響粘輥的主要因素,并提出了具體改進措施。

1 粘著指數模型優化

已有的冷軋粘著指數模型[8]:

λ=f(Ea,M,Tm,ξ50,V,ε,k,p,c,H,h1,r,RZ,ΔγA-B)

(1)

式中:λ為粘著指數,其值與材料性質、潤滑油性能、軋制工藝參數等有關;Ea為潤滑油吸附能;M為潤滑油相對分子質量;Tm為潤滑油熔點;ξ50為潤滑油在50 ℃時的運動黏度;V為軋輥的圓周速度;ε為壓下率;k、p、c分別為軋件的熱導率、密度和比熱容;H為板材硬度;h1為軋件出口厚度;r為軋輥半徑;RZ為軋輥表面不平度的平均高度;ΔγA-B為界面粘著能。考慮到不同材料對于模型的適用情況存在差異,為了更好地表征SUS304不銹鋼在實際冷軋時的粘著程度,本文對其冷軋粘著指數模型進行了優化。

1.1 潤滑油膜破裂失效的臨界溫度

塑性加工過程通常處于邊界摩擦狀態,或是以邊界摩擦為主的混合摩擦狀態。在邊界摩擦狀態,具有潤滑作用的潤滑劑油膜稱為邊界潤滑膜。孫建林[9]對邊界潤滑膜失效臨界溫度公式進行了推導簡化:

(2)

式中:R為氣體常數,取8.314 J/(mol·K);Us為軋輥與板材變形區相對滑動速度。

Gelujiefu等[10]提出了一種接觸表面間相對滑動速度的計算方法:

(3)

式中:V、Δh、h1分別為軋輥的圓周速度、壓下量和軋件出口厚度。

1.2 輥縫最高溫度

由布洛克滑動界面最高溫度模型[11]得到輥縫最高溫度的計算公式:

(4)

式中:Tmax為輥縫最高溫度;A為形狀系數,取決于熱通量q在熱源寬度w上的分布形式,熱通量均勻分布時q=qav,A取1.13,半橢圓分布時A取1.11;qav為熱通量分布平均值;w為熱源寬度,可以近似為變形區接觸弧長L;v為熱源速度,可以近似為軋輥與板材變形區相對滑動速度Us。圖1為假設的不規則帶狀移動熱源模型。

圖1 移動帶狀熱源Fig.1 Moving band-shaped heat source

根據文獻[12],熱通量平均分布值qav為:

(5)

式中:J為熱功當量,取4.184 0 J;m為與摩擦因數μ有關的系數,根據經驗取m=7;P為單位寬度軋制力,根據Hill對Bland-Ford公式簡化后的公式[13]計算:

(6)

(7)

(8)

式中:ε0為本道次軋前的預變形量,ε0=(H0-h0)/H0;ε1為本道次軋后的總變形量,ε1=(H0-h1)/H0;H0、h0、h1分別為冷軋前軋件的厚度、本道次軋前軋件的厚度和本道次軋后軋件的厚度。

由于不銹鋼連續冷軋時常采用張力軋制,優化后的冷軋粘著指數模型需考慮張力的影響。文獻[15-16]分別給出了張力影響系數nt的計算公式:

(9)

(10)

式中:μt為加權系數,取0.7;tf、tb分別為前后張力;當無張力軋制時,張力影響系數nt=1。

由于冷軋過程中材料的變形抗力很大,軋輥會產生明顯的彈性壓扁現象,此時變形區長度可用西齊柯克公式計算[17]:

(11)

(12)

計算鋼板冷軋時的摩擦因數[18]:

(13)

1.3 優化后的粘著指數

確定潤滑油膜破裂失效的臨界溫度和輥縫最高溫度的計算公式后,建立優化的粘著指數模型:

ξ50,σφ,γ,h0,h1,r,k,p,c,tf,tb)

(14)

當λ′>1時,即Tmax>Tr,此時輥縫最高溫度高于潤滑油膜破裂失效的臨界溫度,潤滑油發生破裂失效,容易產生粘輥現象;當λ′<1時,即Tmax

對粘著指數模型主要做了如下優化:考慮冷軋時軋輥的彈性壓扁現象,使變形區長度和軋輥半徑的計算更符合實際;不銹鋼冷軋多采用連軋,需考慮張力的影響,將前后張力作為新的自變量添加到新模型中;結合冷軋摩擦因數的影響因子,給出了不同軋輥表面不平度時摩擦因數的計算公式,使不同狀況下的摩擦因數更精確。

1.4 計算機模擬軟件開發

根據優化后的粘著指數模型,通過Visual Basic軟件進行編程,具有通過輸入相關自變量參數就能計算得到相應冷軋粘著指數的功能。計算機仿真軟件的參數輸入界面及計算結果如圖3所示。

圖3 計算機仿真軟件的參數輸入界面(a)及計算結果(b)Fig.3 Interface of parameter input(a) and calculation results(b) of computer simulation software

2 影響粘輥程度的因素

由式(14)可知,粘著指數λ與潤滑油種類和性能、軋輥速度、壓下量、材料性質、前后張力、軋輥尺寸、軋面粗糙度等因素有關。下文主要就其中的軋制規程、軋輥速度、軋輥尺寸、前后張力等因素進行探討。

2.1 軋制規程對粘著程度的影響

為更好地研究軋制規程對SUS304不銹鋼冷軋粘著的影響,對國內某冷軋廠存在明顯粘著現象的生產線進行分析。將該生產線的軋制規程命名為軋制規程1。在保持總壓下量不變的前提下,改變各道次壓下率,得到軋制規程2,具體數據如表1所示,表中括號外數據為軋制規程1,括號內數據為軋制規程2。為考慮單一變量,需控制其他變量保持不變,故不考慮前后張力,取軋制速度V=3.5 m/s,潤滑油熔點Tm=50 ℃,運動黏度ξ50=11 mm2/s,吸附能E=50 kJ/mol,相對分子質量M=350,軋輥半徑r=16 mm,原始粗糙度RZ=2.22 μm,計算兩種壓下規程下各機架對應的粘著指數λ值,結果如圖4所示。

表1 軋制規程1和2Table 1 Rolling schedules 1 and 2

圖4 軋制規程與粘著指數的關系Fig.4 Relation between rolling schedule and sticking index

從圖4可以看出:由于軋制規程1各道次的壓下率較大,其粘著指數整體偏大;優化后的軋制規程2各道次的粘著指數λ整體在1.1～1.2之間,但仍大于1,說明調整軋制規程能減少個別道次粘著指數較大的情況的發生,但對粘輥較嚴重、各道次粘著指數普遍偏高的情況,并不能有效地降低其整體粘著指數。

因此,本文提出了另一種方法來降低整體粘著指數,即增加軋制規程的道次,使每一道次的壓下率降低。將軋制規程從5道次分別增加至6和7道次,具體數據如表2所示,括號內的為軋制規程3,括號外的為軋制規程4。

表2 軋制規程3和4Table 2 Rolling schedules 3 and 4

在保持其他參數不變的情況下,計算兩種壓下規程下各機架對應的λ值,結果如圖4所示。從圖4可以看出,增加了1個道次的軋制規程3各道次的粘著指數基本為1左右,增加了2個道次的軋制規程4各道次的粘著指數均小于1,說明通過增加軋制規程道次進而降低各道次壓下率的方法能有效降低粘著指數。

2.2 軋制速度和壓下率對粘著程度的影響

不考慮潤滑油性能的影響,在保持其他參數不變的情況下,按照軋制規程1模擬3種不同軋制速度與冷軋機各機架粘著指數的關系,如圖5所示。從圖5可以看出,在相同道次下,軋制速度越大,粘著指數越大,粘輥越嚴重。這是由于軋制速度的提高促進了變形區溫度的升高,溫度越高潤滑膜越容易破裂,進而導致粘輥。當軋制速度超過1.5 m/s時,部分道次的粘著指數大于1,存在粘輥風險。

圖5 軋制速度與粘著指數的關系Fig.5 Relation between rolling speed and sticking index

取1.5、2.5、3.5 m/s 軋制速度下軋制規程1的第1道次為研究對象,分別計算10%、15%、20%、25%壓下率下的粘著指數λ。軋制規程和計算結果分別如表3和圖6所示。可以看出,在軋制速度一定的情況下,隨著壓下率的增加,單道次粘著指數呈上升趨勢。軋制速度相同時,壓下率越大,粘著指數越大;壓下率相同時,軋制速度越大,粘著指數越大。說明通過降低軋制速度、減小道次壓下率能夠有效降低粘輥程度。

表3 第1道次軋制規程Table 3 Rolling schedule of the first pass

圖6 壓下率與粘著指數的關系Fig.6 Relation between reduction rate and sticking index

2.3 軋輥尺寸對粘著程度的影響

不銹鋼冷軋薄板通常用多輥軋機軋制,多輥軋機的最大特點之一就是采用小直徑的工作輥。輥機的輥數越多,工作輥直徑則越小,軋制帶材越薄,軋制帶材的最小可軋厚度與軋輥直徑成正比[20]。為探究軋輥尺寸對粘著程度的影響,選取輥徑分別為8、16、24 mm的3種工作輥,其他參數保持不變,計算對應的粘著指數如圖7所示。從圖7可知,軋輥半徑越大,相同道次的粘著指數越大,說明使用更小直徑的軋輥可以在一定程度上降低粘輥傾向。

圖7 工作輥半徑與粘著指數的關系Fig.7 Relation between roll radius and sticking index

2.4 張力對粘著程度的影響

在軋制薄帶鋼尤其是極薄帶鋼時,由于彈性變形,一定直徑的軋輥不可能再對相應厚度的帶鋼產生壓縮作用,此時只有采用張力軋制才能使薄帶鋼或極薄帶鋼變形[21],所以探究張力對軋輥粘著程度的影響十分必要。為了探究單一參數對粘著指數的影響,在原有軋制規程1的基礎上,考慮前后張力的影響得到軋制規程5。

為探究張力大小對粘著指數的影響,減小前后張力得到軋制規程6,增加前后張力得到軋制規程7,分別計算3種軋制規程各機架對應的粘著指數,結果如圖8所示。由圖8可知:減小前后張力后,粘著指數整體略微上升;增加前后張力后,粘著指數整體略微下降,但幾乎可以忽略不計。前后張力的改變會引起變形抗力和軋制壓力的變化,從而影響輥縫最高溫度。但從計算結果看,通過增大前后張力來降低粘著指數的方法效果并不理想。

圖8 張力與粘著指數的關系Fig.8 Relation between tension and sticking index

2.5 軋輥表面粗糙度和潤滑油運動黏度對粘著程度的影響

通過調整潤滑工藝可以降低冷連軋過程中軋輥的消耗,同時提高板形質量[22]。由式(13)可知,軋輥表面粗糙度和潤滑油運動黏度的改變會影響摩擦因數,進而引起粘著指數的變化。在軋制規程1的基礎上,選取表面粗糙度RZ分別為1.821 2、2.221 2和2.621 2 mm的軋輥計算粘著指數,結果如圖9(a)所示;選取運動黏度ξ50分別為7、11和15 mm2/s的潤滑油計算粘著指數,結果如圖9(b)所示。可見通過降低軋輥表面粗糙度、提高潤滑油黏度能夠在一定程度上降低粘著指數,避免粘輥。

2.6 現場使用效果

將優化后的粘著指數模型應用于國內某冷軋廠,對發生明顯粘輥現象的生產線進行分析,將實際生產設定的工藝參數輸入VB程序,計算得到的粘著指數均大于1。然后通過調整軋制規程和軋制速度等工藝參數,將粘著指數控制在1以內,再將調整后的工藝參數應用于生產線,粘輥現象得到了明顯改善,證明了該模型的可靠性。

3 結論

通過合理調整軋制規程,優化各道次壓下率,粘著指數明顯降低;在軋輥正常運行速度范圍內,適當降低軋輥軋制速度能夠有效降低粘著指數;在不影響正常生產的前提下,選用更小直徑的軋輥能降低粘著指數;張力大小對粘著指數的影響較小;采用表面粗糙度較小的軋輥能夠降低粘著指數;選用黏度較高的潤滑油能夠在一定程度上降低粘著指數。通過降低粘著指數,能夠有效改善冷軋SUS304不銹鋼產品質量,降低對軋輥的損耗,從而降低生產成本,提高生產效率。