板帶熱軋軋輥氧化膜剝落分析及控制

張彥鵬 吳玉霄 宋曉娟 閆 萍 董軍海

（1.河鋼唐鋼不銹鋼有限公司； 2. 河鋼樂亭鋼鐵有限公司）

0 前言

熱軋輥是影響帶鋼表面質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，處于高壓、高溫的環(huán)境下，與帶鋼接觸后的瞬間，精軋工作輥溫度可以達(dá)到500 ℃以上，軋輥在高溫下會快速形成一層銀灰色或淺藍(lán)色的粘結(jié)性良好、致密并且均勻的氧化膜，氧化膜的存在不僅可以降低軋輥與帶鋼之間的摩擦力，從而降低軋制力，而且還可以阻止熱擴(kuò)散，防止熱應(yīng)力裂紋向輥身擴(kuò)展，提高成品的表面質(zhì)量和尺寸精度；離開軋輥與帶鋼的接觸區(qū)后，軋輥冷卻水又使軋輥快速從高溫降低到100 ℃以下，長期的冷熱交替和高應(yīng)力的環(huán)境對軋輥造成了很大的影響[1]。唐鋼不銹鋼1580產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中多次出現(xiàn)氧化膜剝落的情況，對帶鋼表面質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響。

唐鋼不銹鋼1580產(chǎn)線精軋機(jī)組是由7架CVC軋機(jī)組成，其中F1～F4使用高鉻鐵軋輥，F(xiàn)5～F7使用無線冷硬輥，主要產(chǎn)品為冷軋基料和馬口鐵。氧化膜剝落主要集中在F2和F3軋輥，其中以F3下輥?zhàn)顬閲?yán)重。

1 氧化膜剝落的原因分析

軋輥氧化膜是軋輥在高溫、水和水蒸氣的環(huán)境中發(fā)生氧化而形成的，高鉻鐵軋輥的氧化膜成分主要是Fe3O4和FeCr2O4[1]。氧化膜的厚度隨著軋輥溫度的升高而增加，厚度的增加降低了氧化膜粘結(jié)的強(qiáng)度；在軋制過程中，軋輥會周期性的受到接觸應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，這兩種力的相互作用會在氧化膜和軋輥基體之間產(chǎn)生裂紋，當(dāng)氧化膜的粘結(jié)力小于剪切應(yīng)力時，就會發(fā)生氧化膜剝落。

造成氧化膜剝落的原因有很多，氧化膜的尺寸、表面粗糙度、材質(zhì)等都會在氧化膜形成和使用過程中對其造成不同的影響。此外，軋制初期選擇的燙輥材質(zhì)、燙輥節(jié)奏和工作輥冷卻水量的供給等對軋輥溫度有影響的因素也會對氧化膜產(chǎn)生中很大的影響，氧化膜剝落的影響因素如圖1所示。因此，氧化膜剝落的原因分析需要從多方面進(jìn)行著手。

經(jīng)過對唐鋼不銹鋼1580產(chǎn)線的氧化膜剝落事件的分析，其氧化膜剝落形態(tài)主要有兩種，環(huán)狀剝落和流星狀剝落，如圖2所示。環(huán)狀剝落主要是因?yàn)楣ぷ鬏伬鋮s水噴嘴堵塞等原因?qū)е戮植坷鋮s不充分，氧化膜增厚而引起的；流星狀剝落的影響因素較多，一般認(rèn)為是軋輥溫度控制不當(dāng)或者是受力的影響引起的。

圖1 氧化膜剝落的影響因素

圖2 1580線氧化膜剝落形態(tài)

1.1 影響軋輥溫度的因素

燙輥時期是軋輥氧化膜形成的關(guān)鍵時期，燙輥所選用的材質(zhì)、溫度和節(jié)奏都會影響氧化膜形成的狀態(tài)。1580軋線共有兩座加熱爐，經(jīng)統(tǒng)計，某月份雙爐生產(chǎn)162套軋輥，剝落7次的比例為4%；單爐生產(chǎn)56套軋輥，剝落10次的比例為18%，由此可見，相同的燙輥工藝并不能適用于單雙爐生產(chǎn)軋制的不同節(jié)奏。

在軋制節(jié)奏確定的前提下，軋輥溫度一般受帶鋼溫度和工作輥冷卻水的影響。1580軋機(jī)工作輥出口冷卻水共有三排水嘴，經(jīng)過對其進(jìn)行刷漆打擊測試（如圖3所示），發(fā)現(xiàn)其第二、第三排水嘴均在軋輥中心線以下，大量的冷卻水都沒有起到應(yīng)有的冷卻效果。

圖3 軋輥打擊效果

軋輥水量達(dá)到要求，但打擊力不足，說明軋輥冷卻水出口壓力沒有在受控范圍，且沒有有效表征手段，需要通過加裝壓力表及噴嘴型號優(yōu)化來改善上述情況。

1.2 軋制過程中氧化膜的受力影響

氧化膜剝落的直接原因是氧化膜上的裂紋，裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)散與氧化膜本身的內(nèi)應(yīng)力和受到的剪切應(yīng)力有很大的聯(lián)系。當(dāng)軋制力較大時，如果帶鋼表面或者軋輥表面存在氧化鐵皮顆粒等雜質(zhì)，則會造成氧化膜上的應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。當(dāng)F1輥面某處粗糙時，F(xiàn)2在對應(yīng)的位置上會出現(xiàn)氧化膜的輕微剝落。軋輥表面越光潔，形成的氧化膜約均勻、致密[2]，軋輥磨削時若車刀痕處粗糙，則氧元素易滲透，形成FeO，造成熱應(yīng)力過大。

軋件的變形區(qū)內(nèi)既有前滑區(qū)也有后滑區(qū)，說明軋輥上的氧化膜既受到向前的應(yīng)力也受到向后的剪切力，在這種交叉的應(yīng)力下一但發(fā)生剝落，剝落面積就會沿與軋輥圓周速度相反的方向不斷增大，這說明后滑區(qū)的剪切力起主導(dǎo)作用[3]。因此，在理論上，降低摩擦力也可以對氧化膜剝落起到緩解作用。摩擦系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：f——熱軋時軋輥與軋件間的摩擦系數(shù)；k1——軋輥材質(zhì)影響系數(shù)，可取鋼輥k1=1，鐵輥k1=0.8；k2——軋制速度影響系數(shù)（圖4）；k3——軋件材質(zhì)影響系數(shù)；t——軋件的軋制溫度，℃。

根據(jù)式（1）可知，適當(dāng)提升軋制速度、降低軋制溫度可以起到降低摩擦力的作用，所以在保證帶鋼可以順利咬入的情況下提高軋制速度或許可以起到氧化膜剝落的預(yù)防作用。

圖4 軋制速度的影響系數(shù)K2值[3]

1.3 軋制過程中的其他因素分析

在軋制過程中，板坯的軋制溫度、軋制速度等都有可能與氧化膜剝落存在相關(guān)性。因此，取1580產(chǎn)線兩個月的軋制數(shù)據(jù)，對粗軋五道次溫度、精軋入口溫度、成品厚度和軋制速度等進(jìn)行了相關(guān)性分析，如圖5所示。

圖5 軋制工藝參數(shù)的相關(guān)性分析

從圖5可以看出，氧化膜剝落的情況與精軋入口溫度、粗軋五道次溫度、成品厚度存在相關(guān)性，與中間坯厚度、和含碳量無相關(guān)性，與速度的相關(guān)性不明顯，中間坯、含碳量、速度的相關(guān)性需要更多的數(shù)據(jù)支撐。

2 氧化膜剝落的控制方法

2.1 燙輥工藝和軋制節(jié)奏的改進(jìn)

燙輥工藝是氧化膜形成的關(guān)鍵因素，一次成功的燙輥可以形成致密的氧化膜，保障后續(xù)的氧化膜控制；軋制節(jié)奏則是后續(xù)氧化膜控制的重要手段，通過控制軋制節(jié)奏，可以控制氧化膜增厚的速度，防止氧化膜在軋制過程中的剝落。

正常軋制時，燙輥采用2.5 m及以上的SPHC和DD11材質(zhì)，節(jié)奏按照3.5 min/根，燙輥條數(shù)為5～8根；軋制薄規(guī)格時，采用2.5 mm或2.75 mm厚度的與主軋材一致或者同級別鋼種進(jìn)行燙輥。

2.2 控制軋輥溫度

軋輥溫度對氧化膜狀態(tài)有著決定性的影響，軋輥溫度的影響程度要超出溫度持續(xù)時間的影響[1]。為降低軋輥溫度，一方面要保證軋輥冷卻水的充足，利用換輥時間檢查工作輥冷卻水嘴是否堵塞，如果發(fā)現(xiàn)堵塞，及時清理；工作輥切水板要保持完整，及時更換漏水刮水板；降低鍍錫基板等高表面要求軟鋼的精軋入口溫度，調(diào)整容易剝落的高強(qiáng)鋼種的終軋溫度和中間坯厚度。保證軋輥下線溫度在65℃以下。

在工作輥冷卻水的水管上加裝壓力表，觀察、調(diào)節(jié)工作輥冷卻水的壓力，通過調(diào)整軋制間隙的水量和軋制過程中的工作輥冷卻水量，使冷卻水量和水壓變化平穩(wěn)，波動減小。

在冷卻塔增加不銹鋼過濾網(wǎng)，對冷卻水進(jìn)行過濾，并增加對工作輥冷卻水水嘴的檢查次數(shù)，對堵塞的噴嘴進(jìn)行清理，保證冷卻噴嘴水量噴射正常。

2.3 軋輥磨削質(zhì)量改善

粗糙度的影響減小粗磨進(jìn)刀量（由原來的0.220 0 mm/min減小至0.148 7 mm/min），增加2～3個精磨工序（連續(xù)進(jìn)給量設(shè)定為0.03 mm/min），增加磨削液濃度至2%～3%，改善了新磨軋輥的下線表面質(zhì)量。

2.4 軋制公里數(shù)及軋輥消耗改善

通過氧化膜控制，1580產(chǎn)線軋制平均軋制公里數(shù)由原來的平均37.73 km增加至41.5 km；軋輥消耗由原來的平均0.857 kg/t降低至0.730 kg/t，有效降低了軋鋼成本。

3 結(jié)論

精軋工作輥氧化膜直接關(guān)系到帶鋼的質(zhì)量，精軋F(tuán)1-F3機(jī)架的軋輥由于壓下量大、軋件溫度高等因素，更易發(fā)生剝落。造成軋輥氧化膜剝落的因素很多，本文主要從燙輥工藝和軋制節(jié)奏、工作輥冷卻水、降低軋件溫度和軋輥磨削等方面進(jìn)行控制，來減少氧化膜剝落的情況，1580軋線采用了上述方法后，氧化膜剝落情況得到明顯的好轉(zhuǎn)，在滿足軋件溫度的要求下，盡快降低軋輥溫度有利于氧化膜的控制，也可以延長軋輥的使用壽命。