超高強(qiáng)度捆帶斷帶現(xiàn)象研究

黃　菲，吳遠(yuǎn)東

(1.武鋼研究院，湖北 武漢 430080；2.武鋼江北公司，湖北 武漢 430415)

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超高強(qiáng)度捆帶斷帶現(xiàn)象研究

黃菲1，吳遠(yuǎn)東2

(1.武鋼研究院，湖北 武漢 430080；2.武鋼江北公司，湖北 武漢 430415)

摘要：捆帶斷帶是一種具有潛在危險(xiǎn)的生產(chǎn)事故，嚴(yán)重影響鋼卷打包的效果及安全。為盡量避免出現(xiàn)斷帶，基于多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)詳細(xì)分析其制造過(guò)程、使用方式及某些常見(jiàn)影響因素，系統(tǒng)探討了不同情況下超高強(qiáng)度捆帶產(chǎn)生斷帶的主要原因，以期為業(yè)內(nèi)提供有益的參考。

關(guān)鍵詞:超高強(qiáng)度；捆帶；斷帶現(xiàn)象；原因分析

超高強(qiáng)度捆帶是一種高附加值的鋼材深加工產(chǎn)品，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，一般應(yīng)具有“抗拉強(qiáng)度≥1000 MPa，延伸率≥10%，反彎次數(shù)≥4次”等特點(diǎn)[1]。由于其往往用于特殊環(huán)境下大卷重?zé)彳埣袄滠堜摼淼拇蚶Πb，捆扎的安全性就顯得尤為重要[2]。通常情況下，超高強(qiáng)度捆帶通過(guò)高速運(yùn)行的自動(dòng)打包機(jī)對(duì)鋼卷進(jìn)行捆扎，極易出現(xiàn)斷帶、卡帶、打滑、跑偏等影響打包效果的生產(chǎn)事故[3]。相對(duì)而言，斷帶的潛在危險(xiǎn)最大。一旦發(fā)生，輕則需要耗費(fèi)大量資源重新進(jìn)行程序繁瑣的穿帶，導(dǎo)致工作效率大幅降低；重則引起鋼卷發(fā)生散卷和坍塌，危及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及人員安全[4-5]。盡管所有的捆帶廠家都知道斷帶的危害，但有關(guān)這方面的研究卻寥寥無(wú)幾。僅有的少數(shù)幾篇文獻(xiàn)也僅僅反映了特定條件下的個(gè)案，局限性較大[6-9]。有鑒于此，本文基于多年的捆帶生產(chǎn)及使用經(jīng)驗(yàn)，多層次、多角度對(duì)超高強(qiáng)度捆帶斷帶現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探討了不同情況下斷帶形成的原因，以期為業(yè)內(nèi)提供有益的參考。

1 引起斷帶的主要因素

如前所述，超高強(qiáng)度捆帶是一種“高強(qiáng)度、高塑性、高韌性”的高性能產(chǎn)品，其制造過(guò)程也自然復(fù)雜一些。原料鋼種、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品性能、板形品規(guī)等因素都有可能導(dǎo)致斷帶。同時(shí)，由于使用環(huán)境相對(duì)苛刻，捆扎方式的影響同樣不容忽視。此外，某些外界因素如設(shè)備運(yùn)行狀況、人工操作、現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)環(huán)境等都具有潛在的影響，而卡帶、打滑和跑偏等其它生產(chǎn)事故也會(huì)增加斷帶發(fā)生的概率。

一般而言，超高強(qiáng)度捆帶發(fā)生斷帶主要集中在四個(gè)階段，即：產(chǎn)品制造、上機(jī)穿帶、打包作業(yè)和鋼卷存儲(chǔ)。不同階段斷帶的形成原因也有所不同，下面將對(duì)此進(jìn)行深入探討。

2 斷帶形成的原因分析

2.1產(chǎn)品制造

捆帶如果未進(jìn)入打包機(jī)就發(fā)生斷帶，這主要是產(chǎn)品本身的問(wèn)題，根源在于生產(chǎn)中沒(méi)有對(duì)原料鋼種、冶煉、軋制和熱處理工藝進(jìn)行有效的質(zhì)量控制。其性能的宏觀體現(xiàn)就是容易拉斷或折斷，脆性較大，而微觀體現(xiàn)則是斷口處容易出現(xiàn)分層開(kāi)裂(圖1)。

圖1　捆帶斷口微觀形貌

根據(jù)對(duì)韓國(guó)信諾、鞍山發(fā)藍(lán)、無(wú)錫方正、寶鋼等國(guó)內(nèi)外知名廠家生產(chǎn)的多批次超高強(qiáng)度捆帶進(jìn)行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)其原料鋼種主要是兩類(lèi)：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼(以Nb或Cr為主要合金元素)[10]。

從原料鋼種的角度來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的超高強(qiáng)度，如果采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，一般通過(guò)C-Mn、C-Si、Si-Mn、Si-P等方式來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化。但是，隨著C、Si和P含量的增加，產(chǎn)品的脆性也隨之加大。而過(guò)量的Mn則容易形成MnS夾雜，分布在鋼中形成裂紋(圖2)，大幅降低鋼的塑性和韌性。如果采用低合金鋼，由于Nb或Cr的合金化作用非常明顯，形成脆硬相的碳化物，捆帶因而容易發(fā)生斷帶[11]。

圖2　MnS夾雜

從原料冶煉的角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)前的煉鐵和煉鋼工藝十分成熟，并無(wú)太多的技術(shù)瓶頸。如果發(fā)生斷帶，最有可能的原因是過(guò)程控制不好，P、S、O、N等有害元素未被有效去除，形成偏析(圖3)或夾雜物[11]。

從原料軋制工藝的角度來(lái)說(shuō)，通常要經(jīng)過(guò)熱軋和冷軋工序。熱軋工序中，由于現(xiàn)有大型熱軋廠基本上都采用先進(jìn)的TMCP技術(shù)，工藝流程大致相同，影響熱軋?jiān)闲阅艿闹饕羌訜釡囟取④堉茰囟群途砣囟?。一般?lái)說(shuō)，加熱溫度及軋制溫度過(guò)高，容易導(dǎo)致晶粒粗大形成魏氏組織，惡化鋼帶性能。軋制溫度和卷取溫度過(guò)低，則會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，使鋼帶過(guò)硬，冷軋塑性變差[12-13]。而卷取溫度過(guò)高，又會(huì)增加鋼帶表面的氧化鐵皮，一旦后續(xù)未進(jìn)行有效的酸洗，殘存的氧化物有可能通過(guò)腐蝕作用，催生或加速鋼帶的斷裂[14]。冷軋工序中，由于國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)捆帶企業(yè)只擁有中小型往復(fù)式可逆軋機(jī)，因而決定冷軋?jiān)闲阅艿闹饕菈合侣屎蛙堉频来?。通常?lái)講，壓下率越大，軋制道次越多，原料強(qiáng)度也就越高，但塑性和韌性則會(huì)降低，捆帶發(fā)生斷帶的可能性也較大。壓下率越低，軋制道次越少，捆帶的厚度和板形又無(wú)法保證，發(fā)生卡帶的概率也將增加[13]。

圖3　P偏析

從產(chǎn)品熱處理工藝的角度來(lái)說(shuō)，目前主要有去應(yīng)力退火、鉛浴等溫淬火、兩相區(qū)淬火+回火三種方式[15]。其中，去應(yīng)力退火一般是在再結(jié)晶溫度之下進(jìn)行，主要是消除內(nèi)應(yīng)力，捆帶的微觀結(jié)構(gòu)仍保持冷軋?jiān)系男巫兘M織，力學(xué)性能具有方向性。該工藝可以提高捆帶的塑性，但卻無(wú)法改善韌性。冷軋?jiān)先绻l(fā)生分層開(kāi)裂，幾乎必然“遺傳”到產(chǎn)品上。鉛浴等溫淬火工藝是最成熟的，其通過(guò)形成下貝氏體組織來(lái)提高捆帶的強(qiáng)韌性。不過(guò)，該工藝因?yàn)閲?yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)被國(guó)家明令禁止，而且操作十分復(fù)雜，貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間及時(shí)間很難控制。兩相區(qū)淬火+回火工藝以水為淬火介質(zhì)，解決了鉛污染的問(wèn)題。然而，由于水的冷卻速度過(guò)快，形成馬氏體組織，捆帶會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，反而更容易發(fā)生開(kāi)裂和斷帶。此外，對(duì)低合金鋼而言，進(jìn)行淬火時(shí)，Nb或Cr雖然能提高鋼的淬透性，降低馬氏體臨界轉(zhuǎn)變冷卻速度，減少內(nèi)應(yīng)力，但在回火階段，卻仍有可能出現(xiàn)回火脆性[11]。

從產(chǎn)品性能來(lái)說(shuō)，無(wú)論是強(qiáng)度、塑性還是韌性，只要有一個(gè)指標(biāo)過(guò)低，捆扎大卷重鋼卷就容易斷帶。此外，高溫捆扎時(shí)，捆帶還必須具有優(yōu)良的耐熱性能。如果熱穩(wěn)定性和抗氧化性較差，即使常溫下力學(xué)性能合格，同樣會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度大幅下降或發(fā)生氧化而斷帶[2]。

從產(chǎn)品板形品規(guī)來(lái)說(shuō)，太薄或太厚的捆帶都容易斷帶。前者因難以承受巨大的拉緊力而拉斷，后者則因內(nèi)應(yīng)力較大而折斷。而厚薄不一，存在浪形的捆帶因?yàn)槭芰Σ痪?，斷帶的幾率同樣很高[3]。

2.2上機(jī)穿帶

上機(jī)穿帶過(guò)程極其繁瑣，如果捆帶性能合格，那么出現(xiàn)斷帶主要是因?yàn)榇虬鼨C(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤或者出現(xiàn)故障無(wú)法進(jìn)行張力調(diào)整，導(dǎo)致鋼帶的張力與其運(yùn)行速度嚴(yán)重不匹配，捆帶因拉緊力過(guò)大或局部受力不均而被拉斷，斷裂處將產(chǎn)生嚴(yán)重變形(圖4)[16-17]。

圖4　捆帶拉斷

2.3打包作業(yè)

打包作業(yè)是捆帶的應(yīng)用階段，此時(shí)如果出現(xiàn)斷帶，基本上與連接方式及打捆路徑有關(guān)。就鋼卷打包而言，主要有鎖扣式、焊接式和免扣式三種連接方式，其中前面兩種應(yīng)用最為廣泛。鎖扣式是將捆帶接頭用鋼扣扣壓的方式結(jié)合在一起，主要用于氣動(dòng)打捆，拉緊力大于6 kN。焊接式是將捆帶接頭通過(guò)點(diǎn)焊的方式連接在一起，主要用于全自動(dòng)打捆，最大拉緊力達(dá)到20 kN[18-21]。通常來(lái)講，鎖扣式打捆主要用于熱軋鋼卷的高溫卷取，而點(diǎn)焊式打捆則主要用于常溫下冷軋鋼卷的高速連續(xù)包裝。

在常溫慢速條件下，普通熱軋鋼卷與冷軋鋼卷采用鎖扣式或點(diǎn)焊式打捆的效果差別不大。不過(guò)，在高溫卷取階段，由于環(huán)境溫度一般在600 °C以上，點(diǎn)焊式打捆就存在一定風(fēng)險(xiǎn)。這是因?yàn)椋У脑箱摲N無(wú)論是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼還是低合金鋼，均保持較高的碳當(dāng)量，而合金元素的加入，會(huì)進(jìn)一步惡化捆帶的焊接性能。焊接時(shí)，焊縫容易出現(xiàn)裂紋，而高溫下焊縫強(qiáng)度一般會(huì)有所降低。兩種因素疊加，增加了斷帶的可能[22-23]。而常溫下對(duì)冷軋鋼卷進(jìn)行高速連續(xù)包裝時(shí)，由于鎖扣式打捆的拉緊力較小，在鋼卷運(yùn)行速度較快的情況下，不易捆緊，容易斷帶，操作簡(jiǎn)便、拉緊力較大的點(diǎn)焊式打捆此時(shí)反而具有一定優(yōu)勢(shì)。

此外，打包作業(yè)時(shí)除了要考慮連接方式外，還必須兼顧打捆路徑。一般來(lái)說(shuō)，剛完成打包的熱軋鋼卷屬于半成品，厚度較大，形變程度較低，內(nèi)應(yīng)力較小，加之后續(xù)還要進(jìn)行酸洗，為降低成本，提高生產(chǎn)效率，通常只需進(jìn)行周向打捆(沿圓周方向)即可。但是，熱軋鋼卷經(jīng)過(guò)冷軋軋制后，厚度變薄，形變程度明顯加大，內(nèi)應(yīng)力大幅增加。此時(shí)，除了周向打捆外，還必須進(jìn)行徑向打捆(沿直徑方向)，以進(jìn)一步提高捆扎的安全性。通常情況下，徑向打捆由于要拐成矩形，形成四個(gè)直角，因而對(duì)彎曲性能要求較高，韌性不好的捆帶容易斷帶。而周向打捆由于鋼卷表面是連續(xù)的，起伏較小，捆帶的拉緊力平均分布，因而斷帶的可能性相對(duì)較低[24-25]。但即使如此，周向的捆帶如果力學(xué)、焊接性能不佳，或者數(shù)量太少，打包時(shí)同樣也可能出現(xiàn)斷帶(圖5)。

圖5　捆帶周向斷帶

2.4鋼卷存儲(chǔ)

鋼卷在打包完畢后，一般要送入倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。一段時(shí)間后，如果捆帶仍然發(fā)生斷帶，那么這主要是一些外部或人為因素造成的。例如，倉(cāng)庫(kù)悶熱潮濕，捆帶因發(fā)生嚴(yán)重銹蝕而斷帶(圖6)。又如，現(xiàn)場(chǎng)鋼卷堆放緊密，緩沖空間過(guò)于狹小，捆帶因承受劇烈碰撞或擠壓而斷帶(圖7)。

圖6　捆帶出現(xiàn)銹蝕斷帶

圖7　捆帶承受擠壓斷帶

此外，這里還必須提及一種特殊情況。即熱軋鋼卷在高溫卷取后，雖然打包時(shí)未發(fā)生斷帶，但在后續(xù)存儲(chǔ)過(guò)程中，熱量由內(nèi)向外傳遞，鋼卷和捆帶表面的溫度都在逐漸下降。此時(shí)，如果兩者的導(dǎo)熱能力相差過(guò)大，捆帶的拉緊力與鋼卷內(nèi)應(yīng)力的變化趨勢(shì)就會(huì)嚴(yán)重不匹配，也有可能引起斷帶。

2.5卡帶、打滑和跑偏

卡帶、打滑和跑偏一般只出現(xiàn)在上機(jī)穿帶過(guò)程中，它們反映的是打包機(jī)和捆帶之間較低的契合度，與斷帶密切相關(guān)。拋開(kāi)設(shè)備因素，就捆帶本身來(lái)看：導(dǎo)致卡帶一是板形不良，邊部存在毛刺或浪形；二是尺寸較大，超過(guò)機(jī)器設(shè)定口徑；三是表面存在厚度較大、結(jié)構(gòu)疏松、附著力差的氧化膜。這些因素阻礙了捆帶的順暢運(yùn)行。出現(xiàn)打滑和跑偏一是捆帶表面粗糙度太低，過(guò)于光潔；二是捆帶厚度較薄或?qū)挾容^窄。這兩者導(dǎo)致捆帶與機(jī)器的結(jié)合較差，無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。無(wú)論是卡帶、打滑還是跑偏，一旦發(fā)生，都會(huì)引起捆帶張力的顯著變化。如果不及時(shí)進(jìn)行平衡，會(huì)引起后續(xù)高速運(yùn)行的捆帶發(fā)生變形，產(chǎn)生不正常的彎折，積累到一定程度就會(huì)斷帶[3]。

3 結(jié)論

捆帶斷帶是一種具有潛在危險(xiǎn)的生產(chǎn)事故，嚴(yán)重影響鋼卷打包的效果及安全。廠家在生產(chǎn)超高強(qiáng)度捆帶時(shí)，必須對(duì)原料鋼種、冶煉、軋制和熱處理工藝進(jìn)行有效的質(zhì)量控制，以獲得性能優(yōu)良、板形品規(guī)合格的產(chǎn)品?？蛻?hù)在應(yīng)用捆帶的過(guò)程中，應(yīng)該針對(duì)實(shí)際情況，選擇合理的打包方式，確保打包機(jī)正常運(yùn)行，盡可能維持良好的存儲(chǔ)環(huán)境，最大限度防止斷帶的發(fā)生。

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[責(zé)任編輯：劉良瑞]

Research on Breaking of Super-High Strength Strapping Steel

Huang Fei1, Wu Yuandong2

(1.ResearchandDevelopmentCenterofWISCO,Wuhan430080Hubei;2.WuhanIron&Steel(Group)JiangBeiCorporation,Wuhan430415Hubei)

Abstract:Breaking is a production malfunction with potential danger, which severely affects steel coil packing efficiency and safety. Based on rich practical experience about production and application of strapping steel, this paper systemically researches on the breaking of super-high strength strapping steel from multi-dimensions, and discusses about the originals of breaking in different circumstances in order to bring useful references to industry.

Key words:Super-high strength；Strapping steel；Breaking；Analysis of causes

DOI：10.3969/j.issn.1672-1047.2016.02.27

中圖分類(lèi)號(hào)：TG111.91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-1047(2016)02-0092-05

作者簡(jiǎn)介：黃菲，男，湖北武漢人，博士，工程師。研究方向：高強(qiáng)度捆帶鋼的研制。

* 收稿日期：2016-03-11