鞍鋼Ф23.0 mm冷鐓鋼盤(pán)條表面缺陷原因分析及優(yōu)化

張歡 ，尚俊男 ，安繪竹 ，李凱

（1.鞍鋼股份有限公司線材廠，遼寧 鞍山114042；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；3.鞍鋼股份有限公司產(chǎn)品發(fā)展部，遼寧 鞍山114021）

鞍鋼股份有限公司線材廠（以下簡(jiǎn)稱“鞍鋼線材廠”）2#線于2010年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)格為Ф5.0～Ф25.0 mm，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括簾線鋼、冷鐓鋼、鋼繩用鋼、焊絲鋼、彈簧鋼、預(yù)應(yīng)力鋼等六大類400余個(gè)品種。為了適應(yīng)市場(chǎng)需要，使品種結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，大規(guī)格冷鐓鋼比例逐年增加。Ф20.0 mm及以上規(guī)格在高速線材減定徑軋機(jī)（雙模塊）生產(chǎn)中屬于極限規(guī)格，軋制道次少，變形速率高，質(zhì)量穩(wěn)定性不易控制。此外，下游用戶不斷開(kāi)發(fā)更高端的產(chǎn)品，對(duì)盤(pán)條的表面質(zhì)量要求日益嚴(yán)格，尤其是汽車鋼產(chǎn)品，要求盤(pán)條表面“零缺陷”，需要鋼廠不斷提高冷鐓鋼產(chǎn)品的表面質(zhì)量［1］。生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定且具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品對(duì)于線材廠非常重要，因此對(duì)大規(guī)格冷鐓鋼盤(pán)條表面質(zhì)量控制進(jìn)行了重點(diǎn)研究，本文對(duì)此加以論述。

1 工藝路線

鞍鋼線材廠2#線基本工藝布置如圖1所示，主要包括粗軋、中軋、預(yù)精軋、精軋和雙模塊共32架軋機(jī)，全線軋機(jī)除粗軋1#、2#采用箱型孔外，其余道次軋機(jī)均采用橢圓-圓孔型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全連續(xù)無(wú)扭軋制。其中，Ф5.0～Ф11.5 mm盤(pán)條生產(chǎn)線為直線布置，軋件經(jīng)精軋后到減定徑機(jī)組；Ф12.0～Ф25.0 mm盤(pán)條生產(chǎn)線為旁通布置，軋件經(jīng)預(yù)精軋后到減定徑機(jī)組。

圖1 鞍鋼線材廠2#線工藝布置Fig.1 Process Layout for No.2 Production Line of Wire Mill in Ansteel

2 表面缺陷原因及分析

冷鐓鋼盤(pán)條的表面缺陷主要包括劃傷、鐵皮壓入和表面折疊［2-3］。針對(duì)鞍鋼線材廠Ф23.0 mm盤(pán)條而言，盤(pán)條表面缺陷的主要問(wèn)題焦點(diǎn)是表面折疊，折疊缺陷表現(xiàn)為三種。

2.1 軋件底部劃傷經(jīng)后續(xù)軋制型折疊

鞍鋼線材廠Ф23.0 mm盤(pán)條自重大，經(jīng)旁通軋制，容易在鑄鐵導(dǎo)槽內(nèi)產(chǎn)生劃傷，經(jīng)減定徑機(jī)組軋制后有一定變形。成品泡酸后表面缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，但冷鐓后的試樣開(kāi)裂比較明顯，冷鐓后開(kāi)裂形貌及劃傷盤(pán)條對(duì)應(yīng)金相缺陷見(jiàn)圖2（a）和圖2（b）。由圖2（a）可見(jiàn)，冷鐓樣表面存在明顯的亮線，且該亮線位于軋件底部；由圖2（b）可以看出，盤(pán)條表面劃傷逐漸向內(nèi)延伸變細(xì)，缺陷深度為61.52 μm。

圖2 軋件底部劃傷經(jīng)后續(xù)軋制型折疊缺陷圖片F(xiàn)ig.2 Folded Defect Photos of Rolled Pieces with Scratches at Bottom after Subsequent Rolling

2.2 橢圓架次軋件寬展超寬刮磨導(dǎo)板襯板型折疊

這種劃傷主要在粗中軋區(qū)域產(chǎn)生，原因是鐵型尺寸控制不準(zhǔn)。由于鐵型高度小，軋件寬展大，產(chǎn)生刮磨導(dǎo)板襯板問(wèn)題，盤(pán)條冷鐓后可見(jiàn)表面有多道開(kāi)裂的細(xì)線［4］。冷鐓后開(kāi)裂形貌及刮傷盤(pán)條對(duì)應(yīng)金相缺陷見(jiàn)圖 3（a）和圖 3（b），結(jié)合兩張圖片可知表面存在多個(gè)密排的缺陷，缺陷深度為 25.66 μm。

2.3 孔型設(shè)計(jì)不理想軋制型折疊

由于受孔型限制以及鋼質(zhì)變化變形抗力影響，在減定徑各道次容易產(chǎn)生過(guò)充滿問(wèn)題，成品泡酸后很難被發(fā)現(xiàn)，頂鍛后表面明顯開(kāi)裂，類似“雙眼皮”形狀，頂鍛后的試樣存在兩道平行的開(kāi)裂線，盤(pán)條冷鐓樣開(kāi)裂呈對(duì)稱性［5］。

圖3 橢圓架次軋件寬展超寬刮磨導(dǎo)板襯板型折疊缺陷圖片F(xiàn)ig.3 Liner Plate Type Folded Defect Photos for Extra-wide Guide Plate with Scraping and Grinding for Rolled Pieces from Oval Frame

圖4（a）為冷鐓后表面開(kāi)裂形貌。圖 4（b）為折疊對(duì)應(yīng)的金相圖片，圖中缺陷呈明顯的“八字”。產(chǎn)生過(guò)充滿折疊的主要原因包括減定徑機(jī)組輥縫設(shè)定和張力控制不準(zhǔn)、軋制鋼質(zhì)和來(lái)料尺寸變化等。

圖4 孔型設(shè)計(jì)不理想軋制型折疊缺陷圖片F(xiàn)ig.4 Rolling Type Folded Defect Photos with Undesirable Design of Grooves

3 表面缺陷控制方法

3.1 改進(jìn)導(dǎo)衛(wèi)裝置

將導(dǎo)衛(wèi)裝置由滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦。由于生產(chǎn)過(guò)程中鋼的自重大，難免與導(dǎo)衛(wèi)產(chǎn)生刮磨，因此將旁通鑄鐵導(dǎo)槽改為單排底輥托動(dòng)，改進(jìn)前后的導(dǎo)衛(wèi)裝置見(jiàn)圖5。

圖5 改進(jìn)前后的導(dǎo)衛(wèi)裝置Fig.5 Guide Device before and after Improvement

此外，Ф23.0 mm盤(pán)條采用旁通軋制工藝，即中間有四個(gè)彎道工藝路線。原采用單排輪交替方向布置，在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)在活套起落套以及套位調(diào)整過(guò)程中，鋼的位置都會(huì)發(fā)生變化，因此將彎道的單排輪改為雙排輪，避免了軋件在軋制過(guò)程 中位置變化產(chǎn)生劃傷，改進(jìn)前后彎道布置見(jiàn)圖6。

圖6 改進(jìn)前后彎道布置Fig.6 Bend Layout before and after Improvement

3.2 粗中軋鐵型尺寸優(yōu)化

軋件的高度、寬展與導(dǎo)衛(wèi)的匹配對(duì)于表面質(zhì)量控制非常重要，特別是在頭尾失張狀態(tài)下顯得格外關(guān)鍵，而前道次的鐵型高度也直接影響后道次的鐵型寬展。針對(duì)Ф23.0 mm的極限規(guī)格，結(jié)合原始工藝表，建立了《Ф23.0 mm盤(pán)條生產(chǎn)控制預(yù)案》，包括對(duì)各架次鐵型高度、測(cè)徑儀尺寸以及軋制速度等參數(shù)的控制。通過(guò)實(shí)踐摸索，對(duì)原始工藝控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效地控制鐵型的高度和寬展。表1是采用160 mm×160 mm鋼坯時(shí)，粗中軋關(guān)鍵架次優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1 粗中軋關(guān)鍵架次優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of Data before and after Optimization for Key Stands during Rough Rolling and Intermediate Rolling

3.3 減定徑機(jī)組多因子回歸

由于受中軋來(lái)料以及減定徑機(jī)組孔型限制，為了保證多鋼質(zhì)軋制質(zhì)量的穩(wěn)定性，減定徑機(jī)組的參數(shù)設(shè)定非常關(guān)鍵。雙模塊機(jī)組的軋槽容易過(guò)充滿，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定造成軋槽過(guò)充滿的四個(gè)關(guān)鍵因素分別是29#輥縫、30#輥縫、30#輥縫和1#測(cè)徑儀平均直徑。對(duì)應(yīng)最終產(chǎn)品的表面缺陷深度，利用Minitab軟件對(duì)以上四個(gè)重要因素進(jìn)行多因子回歸分析。

3.3.1 設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

基于Ф23.0 mm規(guī)格雙模塊孔型設(shè)計(jì)，在保證成品尺寸精度的前提下，設(shè)立各架鐵型尺寸控制以及輥縫設(shè)定范圍見(jiàn)表2。

表2 四個(gè)關(guān)鍵因子的參數(shù)控制范圍Table 2 Control Range for Parameters on Four Key Factors

對(duì)近半年上述四個(gè)關(guān)鍵因子進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集，并記錄產(chǎn)品表面裂紋缺陷深度，裂紋深度越深說(shuō)明產(chǎn)品缺陷越嚴(yán)重，四個(gè)關(guān)鍵因子與裂紋深度的數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表3，對(duì)比看出1#測(cè)徑儀的平均直徑對(duì)裂紋影響非常明顯，平均直徑越大產(chǎn)品缺陷深度越深，31#輥縫越大產(chǎn)品缺陷深度越淺。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入Minitab軟件進(jìn)行多因子回歸分析，以裂紋深度為變量，進(jìn)行等直線圖以及響應(yīng)曲面圖分析，找到最佳因子的控制范圍。裂紋深度與各因子的等值線圖見(jiàn)圖7，響應(yīng)優(yōu)化器找到最佳控制點(diǎn)圖見(jiàn)圖8。

普通產(chǎn)品表面缺陷深度一般控制在50 μm以內(nèi)，利用Minitab軟件中等值線圖找到各因子的最佳控制范圍，1#測(cè)徑儀平均直徑控制在Ф30.5 mm以內(nèi)，30#輥縫控制在1.1 mm以內(nèi)，31#輥縫控制在1.8 mm以上。汽車用產(chǎn)品要求“零缺陷”，利用響應(yīng)優(yōu)化器找到最佳因子的控制點(diǎn)，最佳因子的控制點(diǎn)分別是1#測(cè)徑儀平均直徑在Ф30.0～Ф30.3 mm，30#輥縫最佳值為1.0 mm，31#輥縫最佳值為2.0mm，29#輥縫因子與裂紋控制不顯著，結(jié)合實(shí)際尺寸規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)29#輥縫設(shè)定在1.0mm。完善《Ф23.0mm盤(pán)條生產(chǎn)控制預(yù)案》，使生產(chǎn)過(guò)程更加受控。

表3 四個(gè)關(guān)鍵因子與裂紋深度的數(shù)據(jù)匯總Table 3 Summarization of Data between Four Key Factors and Depth of Crack

圖7 裂紋深度與各因子的等值線圖Fig.7 Isopleth Map for Depth of Crack and Each Factor

圖8 響應(yīng)優(yōu)化器找到最佳控制點(diǎn)圖Fig.8 Map for Optimal Control Points Detected by Response Optimizer

4 優(yōu)化效果

《Ф23.0 mm盤(pán)條生產(chǎn)控制預(yù)案》完善后有效地避免了因換規(guī)格后表面質(zhì)量不合格產(chǎn)生廢品的情況，每次換規(guī)格后至少減少4根有表面質(zhì)量問(wèn)題的廢品。以前受控制能力影響，開(kāi)軋后需要等待成品冷鐓檢驗(yàn)合格方可連續(xù)生產(chǎn)，冷鐓不合格還需繼續(xù)調(diào)整等待，預(yù)案完善后，每根可節(jié)省調(diào)整時(shí)間60 min。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)將滑動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)改為滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)，可以控制鑄鐵倒槽劃傷產(chǎn)生的折疊缺陷，產(chǎn)品表面缺陷可控制在30 μm以內(nèi)。

（2）通過(guò)控制軋件高度和寬展，可以有效地降低軋制過(guò)程刮磨導(dǎo)衛(wèi)襯板產(chǎn)生的密排劃傷缺陷，有效控制換鋼質(zhì)或者換規(guī)格后等待產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)間。預(yù)案完善后，每次換規(guī)格后可節(jié)省調(diào)整時(shí)間60 min。

（3）通過(guò)Minitab軟件多因子回歸分析，找到最佳參數(shù)控制組合，29#輥縫設(shè)定1.0 mm，30#輥縫設(shè)定1.0 mm，31#輥縫設(shè)定2.0 mm，1#測(cè)徑儀平均直徑控制在 Ф（30.3±0.2） mm，建立并完善了《Ф23.0 mm盤(pán)條生產(chǎn)控制預(yù)案》，提高了大規(guī)格冷鐓鋼盤(pán)條的表面質(zhì)量。