冷軋MR T-4鋼鍍錫原板表面劃傷的原因和控制

劉云峰 王 東 彭興東

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司冷軋廠，江蘇 南京 210039； 2.遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

某冷軋廠生產(chǎn)0.17～0.20 mm厚的MR T-4鋼鍍錫原板時(shí)，板面嚴(yán)重劃傷，導(dǎo)致頻繁更換軋輥，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和板面質(zhì)量，是一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題。冷軋板表面劃傷的原因可能是多方面的。0.17～0.20 mm厚MR T-4鋼鍍錫原板由2 mm厚熱軋板經(jīng)過(guò)5道次軋制而成，總壓下率不小于90%，軋制速率V5不小于22.5 m/s，屬于大壓下量高速軋制，易發(fā)生因輥縫區(qū)潤(rùn)滑不充分而導(dǎo)致板面劃傷。石全強(qiáng)等[1]認(rèn)為這種板面劃傷與軋機(jī)乳化液、軋輥表面粗糙度和壓下量等因素有關(guān)。白金波等[2]采取提高軋制油的極壓性等措施來(lái)控制板面劃傷。王靜等[3]認(rèn)為軋制時(shí)鋼板溫度也會(huì)導(dǎo)致板面劃傷。胡祺等[4]通過(guò)優(yōu)化軋制油的配方來(lái)提高板面的抗劃傷性能。齊海峰等[5]通過(guò)將軋制工藝與輥縫潤(rùn)滑相結(jié)合的方法控制板面劃傷。李洪翠等[6]提出了優(yōu)化軋制工藝參數(shù)、提高軋輥加工質(zhì)量和改進(jìn)乳化液技術(shù)條件等控制板面劃傷的措施。金佳偉等[7]認(rèn)為板面劃傷與軋制乳化液的綜合性能有關(guān)。

本文檢測(cè)了冷軋MR T-4鋼鍍錫原板表面劃傷的微觀形貌，找到了板面劃傷的原因，在不改變熱軋板規(guī)格、生產(chǎn)工藝和設(shè)備的條件下，通過(guò)選用油膜高溫強(qiáng)度高的軋制油，調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)使用的乳化液技術(shù)條件，采用軋機(jī)之間鋼板冷卻系統(tǒng)來(lái)控制冷軋輥縫潤(rùn)滑不充分導(dǎo)致的板面劃傷，可為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 概況

劃傷主要發(fā)生在以V5不小于22.5 m/s的速率軋制的0.17～0.20 mm厚的MR T-4鋼鍍錫原板的上或下表面，其宏觀形貌如圖1所示。側(cè)光可見(jiàn)1條或多條、寬度約1 mm，呈細(xì)條狀。

圖1 冷軋的MR T-4鍍錫原板表面的劃傷Fig.1 Scratch on the cold-rolled uncoated tinplate base of MR T-4 steel

2 劃傷的微觀形貌

在板面缺陷處和正常處各取2 mm×2 mm試樣，采用VHX5000型超景深三維輪廓顯微鏡觀察劃傷的微觀形貌，如圖2所示。

由圖2(a)可見(jiàn)板面缺陷處有明顯的沿軋制方向的擦痕。板面三維形貌圖中擦痕從深到淺用由藍(lán)到紅色標(biāo)識(shí)，如圖2(c)所示，可見(jiàn)板面缺陷處的擦痕區(qū)域呈藍(lán)色，擦痕較深，摩擦較嚴(yán)重。從截面輪廓線可見(jiàn)板面擦痕處截面輪廓凹陷，如圖2(e)所示，也說(shuō)明板面缺陷處摩擦較嚴(yán)重。

由圖2(b)可見(jiàn)，板面正常處擦痕的寬度、深度沿軋制方向的分布較均勻。從板面三維形貌圖可見(jiàn)，擦痕較淺且分布均勻，板面正常處摩擦較輕微，如圖2(d)所示。從截面輪廓線可見(jiàn)，擦痕處截面輪廓凹陷較淺，也說(shuō)明板面正常處摩擦較輕微，如圖2(e)所示。

圖2 鍍錫原板表面缺陷處(a,c,e)和正常處(b,d,f)的微觀形貌Fig.2 Micrographs of defective area(a,c,e) and normal area(b,d,f) on the cold-rolled uncoated tinplate base

為了更清晰地觀察板面缺陷處和正常處的微觀形貌，在缺陷處和正常處各取2 mm×2 mm試樣，采用Sigma 500型掃描電子顯微鏡觀察板面形貌，結(jié)果見(jiàn)圖3(a,b)。

圖3(a,b)清晰地表明板面缺陷處和正常處的擦痕均沿軋制方向分布，是典型的軋制摩擦痕。板面缺陷處擦痕較深、較寬，說(shuō)明冷軋時(shí)摩擦較嚴(yán)重。

板面缺陷處和正常處的能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖3(c,d)。由圖3(c,d)可知，板面缺陷處和正常處的成分主要是C和Fe，且元素含量基本相同，說(shuō)明冷軋MR T-4鍍錫原板劃傷不是板面成分差異所致。

圖3 鍍錫原板表面缺陷處(a,c)和正常處(b,d)的微觀形貌(a，b)和能譜分析(c，d)Fig.3 Micrographs(a，b) and energy spectrum analysis(c，d) of defective area(a,c) and normal area(b,d) on the cold-rolled uncoated tinplate base

從上述結(jié)果可知，板面劃傷是冷軋時(shí)輥縫區(qū)潤(rùn)滑不充分造成的。軋制0.17～0.20 mm厚的MR T-4鍍錫原板且軋制速率V5不小于22.5 m/s，變形量大，五機(jī)架冷連軋輥縫區(qū)金屬變形熱和軋制摩擦熱可使板面溫度達(dá)到100～200 ℃。冷軋時(shí)鍍錫原板表面附著的軋制油黏度將隨板面溫度的升高而減小，板面油膜厚度減薄；同時(shí)冷軋時(shí)板面油膜也承受很大的軋制壓力，一旦板面油膜承受的壓力超過(guò)油膜強(qiáng)度，油膜將破裂，軋輥表面局部較硬的微凸峰與鍍錫原板表面接觸，會(huì)在較軟的鍍錫原板表面產(chǎn)生較明顯的軋制摩擦痕，即板面劃傷。

由圖4可知，插絲率與巖棉板傳熱系數(shù)K之間近似呈一次線性關(guān)系，隨著插絲率的提高，巖棉保溫板的傳熱系數(shù)K呈上升趨勢(shì)。當(dāng)插絲率由0提高至0.2%時(shí)，巖棉板傳熱系數(shù)由0.045 W/(m2·K)提高至0.134 W/(m2·K)。由于傳熱系數(shù)K表示單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量，K值越小，則表示材料的保溫性能越優(yōu)異。因此，提高插絲率會(huì)降低巖棉保溫板的保溫性能，但是當(dāng)傳熱系數(shù)的最大值也僅為0.134 W/(m2·K)，傳熱系數(shù)仍相對(duì)較低，插絲對(duì)巖棉保溫板的保溫性能的負(fù)面影響程度較低。

3 控制措施及效果

冷軋鍍錫原板的示意如圖4所示，ABDC區(qū)為軋制變形區(qū)，長(zhǎng)度為l，板厚H經(jīng)過(guò)一道次軋制(工作輥半徑為R，咬入角為α)，道次壓下量為△h，軋制后板厚為h。冷軋時(shí)軋輥與鋼板的接觸面是AB弧面和CD弧面，接觸面存在一定厚度的潤(rùn)滑油膜。冷軋時(shí)板面油膜也承受很大的軋制壓力，要求有一定的強(qiáng)度，即油膜強(qiáng)度。

圖4 冷軋鍍錫原板的示意[8]Fig.4 Schematic diagram of the cold-rolled uncoated tinplate base[8]

3.1 軋制油潤(rùn)滑性

軋制油的潤(rùn)滑性是指其在軋制變形區(qū)接觸弧表面的減摩性能，與油膜的厚度和強(qiáng)度有關(guān)。

3.1.1 軋制油的黏度-溫度特性

軋制油的黏度是確保其潤(rùn)滑性的要素之一，受溫度影響較大。本文采用SVM3000運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀檢測(cè)40、100 ℃下兩種軋制油的運(yùn)動(dòng)黏度，結(jié)果見(jiàn)表1。再采用黏度-溫度模型[9]計(jì)算其他溫度下兩種軋制油的運(yùn)動(dòng)黏度，分析兩種軋制油黏度隨溫度的變化，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著溫度的升高，軋制油分子運(yùn)動(dòng)加劇、內(nèi)聚力減小，運(yùn)動(dòng)黏度減小。兩種軋制油運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度變化的趨勢(shì)相同，可見(jiàn)兩種軋制油黏度對(duì)油膜厚度和潤(rùn)滑效果的影響基本相同。

圖5 兩種軋制油的運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度的變化Fig.5 Kinematic viscosity of the two kinds of rolling oil as a function of temperature

軋制油的運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度升高而減小。冷軋變形區(qū)接觸弧表面油膜厚度與軋制油的運(yùn)動(dòng)黏度有關(guān)。因金屬變形熱的積累和接觸弧表面摩擦熱的積累，五機(jī)架冷連軋輥縫區(qū)的溫度會(huì)逐漸升高，板面軋制油的運(yùn)動(dòng)黏度減小、油膜厚度減薄，油膜較易破裂。

軋制油黏度隨溫度的變化特性可用黏度指數(shù)表示。黏度指數(shù)越大，表示軋制油運(yùn)動(dòng)黏度受溫度的影響越小。軋制油的黏度指數(shù)通過(guò)實(shí)測(cè)油品40和100 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度和采用黏度指數(shù)模型[10]計(jì)算，結(jié)果如表1所示。由表1可知，兩種軋制油的黏度指數(shù)均較大，為169，說(shuō)明兩種軋制油的運(yùn)動(dòng)黏度受溫度的影響較小。

表1 兩種軋制油的運(yùn)動(dòng)黏度和黏度指數(shù) Table 1 Kinematic viscosity and viscosity index of the two kinds of rolling oil

油膜強(qiáng)度也稱(chēng)作最大無(wú)卡咬負(fù)荷，用PB表示，有多個(gè)級(jí)別，可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定并用來(lái)表征潤(rùn)滑劑的承載性能。

本文按GB/T 3412—2019《潤(rùn)滑劑承載性能的測(cè)定 四球法》，采用四球極壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)定油膜強(qiáng)度。上摩擦副為1個(gè)φ12.7 mm的軸承鋼球，試驗(yàn)時(shí)旋轉(zhuǎn)；下摩擦副為3個(gè)φ12.7 mm的軸承鋼球，試驗(yàn)時(shí)固定。測(cè)定室溫下兩種軋制油的油膜強(qiáng)度，并用顯微鏡觀察試驗(yàn)后下鋼球表面的磨斑直徑。

測(cè)定的1號(hào)軋制油的油膜強(qiáng)度為170 kg，2號(hào)軋制油的油膜強(qiáng)度為153 kg，室溫下1號(hào)軋制油的極壓性較好。由圖6可知，使用1號(hào)和2號(hào)軋制油四球試驗(yàn)后，下摩擦副鋼球表面的磨斑平均直徑分別為0.525、0.499 mm，可見(jiàn)室溫下2號(hào)軋制油的抗磨性較好。

圖6 用1號(hào)(a)和2號(hào)(b)軋制油四球試驗(yàn)后鋼球表面的磨斑Fig.6 Wear spots on the steel balls after four-ball test with rolling oils No.1(a) and No.2(b)

3.1.3 油膜的高溫強(qiáng)度

關(guān)小軍[11]認(rèn)為，大壓下量、高速冷連軋的變形熱和摩擦熱可使輥縫區(qū)瞬時(shí)溫度達(dá)到100～200 ℃，將影響輥縫區(qū)軋制油的黏度、吸附性，并加速其氧化、分解、揮發(fā)等，對(duì)其潤(rùn)滑性有不利影響。軋制0.17～0.2 mm厚的MR T-4鍍錫原板且軋制速率V5不小于22.5 m/s，要能高速穩(wěn)定地軋制，冷軋變形區(qū)接觸弧表面需形成強(qiáng)度足夠高的穩(wěn)定油膜。油膜高溫強(qiáng)度可為評(píng)定軋制油在冷軋輥縫區(qū)一定溫度和壓力下的潤(rùn)滑效果提供參考。如果軋制油的油膜高溫強(qiáng)度不夠高，可能導(dǎo)致冷軋變形區(qū)接觸弧表面局部油膜破裂，使輥縫接觸弧表面摩擦因數(shù)驟變，使軋制力增大，導(dǎo)致板面劃傷。

采用四球極壓試驗(yàn)機(jī)參照測(cè)定潤(rùn)滑劑承載性能的四球法(GB/T 3412—2019)測(cè)定軋制油油膜的高溫強(qiáng)度，軋制油溫度為75、100、125、150、175、200和225 ℃，結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種軋制油的油膜強(qiáng)度隨溫度的變化Fig.7 Variation of strength of oil film of the two kinds of rolling oil with temperature

由圖7可知，從75 ℃開(kāi)始，隨著溫度的升高，1號(hào)軋制油的油膜強(qiáng)度顯著減小；在125～200 ℃，1號(hào)油的油膜強(qiáng)度不變，為94 kg；高于200 ℃，1號(hào)油的油膜強(qiáng)度顯著降低。在75～225 ℃，隨著溫度的升高，2號(hào)軋制油的油膜強(qiáng)度顯著降低。

在175～200 ℃，1號(hào)軋制油的油膜強(qiáng)度顯著高于2號(hào)軋制油，可見(jiàn)1號(hào)軋制油的抗極壓性較好，更適用于鍍錫原板的冷軋。

3.2 乳化液中鐵粉含量對(duì)其潤(rùn)滑性的影響

付金柱等[12]認(rèn)為，納米級(jí)鐵粉能增加乳化液的黏度，增加冷軋變形區(qū)接觸弧表面的油膜厚度，改善軋制潤(rùn)滑狀態(tài)。本文采用復(fù)式摩擦磨損儀和1號(hào)軋制油(乳化液濃度為4.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)檢測(cè)了摩擦副表面的室溫摩擦因數(shù)。上摩擦副為軸承鋼球，試驗(yàn)時(shí)滑動(dòng)，下摩擦副為經(jīng)過(guò)酸洗的MR T-4鋼板(36 mm×36 mm×2 mm)，試驗(yàn)時(shí)固定。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，隨著乳化液中鐵粉含量的增加，開(kāi)始時(shí)板面摩擦因數(shù)減小；乳化液中鐵粉含量從200×10-6增加到300×10-6，板面摩擦因數(shù)顯著增大；乳化液中鐵粉含量從300×10-6增加到800×10-6，板面摩擦因數(shù)顯著減小；從乳化液中鐵粉含量大于400×10-6開(kāi)始，板面摩擦因數(shù)逐漸減小。這說(shuō)明鐵粉含量對(duì)乳化液潤(rùn)滑性的影響沒(méi)有規(guī)律性。其原因是，納米級(jí)鐵粉能增加乳化液的黏度[12]，且具有較強(qiáng)的吸附性，使乳化液的粒度增大、潤(rùn)滑性改善。但只有乳化液中鐵粉含量達(dá)到一定量后，其潤(rùn)滑性才會(huì)改善。

圖8 鍍錫原板的摩擦因數(shù)隨乳化液中鐵粉含量的變化Fig.8 Variation of friction factor of the uncoated tinplate base with iron powder content in the emulsion

采用激光粒徑測(cè)試儀和1號(hào)軋制油(乳化液濃度為4.5%)檢測(cè)乳化液的粒度，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，隨著鐵粉含量的增加，乳化液粒度緩慢增大，當(dāng)鐵粉含量大于200×10-6時(shí)，其粒度顯著增大；當(dāng)鐵粉含量為(400～500)×10-6時(shí)，乳化液粒度小幅減?。昏F粉含量大于500×10-6時(shí)，乳化液粒度顯著增大。其主要原因是，納米級(jí)鐵粉具有較強(qiáng)的吸附性，能吸附乳化液中的油珠，導(dǎo)致其粒度增大。粒度大的乳化液潤(rùn)滑性較好，這與圖8所示的乳化液鐵粉含量大于500×10-6時(shí)鍍錫原板摩擦因數(shù)減小基本一致。但乳化液鐵粉含量過(guò)高會(huì)影響板面清潔度，應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

圖9 乳化液粒度隨其鐵粉含量的變化Fig.9 Particle size versus iron powder content for the emulsion

3.3 現(xiàn)場(chǎng)使用的乳化液技術(shù)條件

乳化液潤(rùn)滑效果主要取決于油品配方，也與乳化液的技術(shù)條件相關(guān)[13-14]。現(xiàn)場(chǎng)使用的乳化液的技術(shù)條件見(jiàn)表2。

表2 乳化液的技術(shù)條件Table 2 Specification of the emulsion

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，提高乳化液的濃度能顯著減小軋制壓力。為了提高現(xiàn)場(chǎng)使用的乳化液的潤(rùn)滑效果，將1號(hào)槽的乳化液濃度從(2.0±0.2)%調(diào)整為(2.3±0.2)%，3號(hào)槽的乳化液濃度從(4.0±0.2)%調(diào)整為(4.5±0.2)%。溫度升高，乳化液粒度增大，潤(rùn)滑性提高。為降低加熱乳化液的能耗，將乳化液溫度從54～60 ℃調(diào)整為56～58 ℃。乳化液的流量對(duì)其潤(rùn)滑和冷卻性能影響很大，第1～4架軋機(jī)乳化液流量為5 472 L/min，第5架軋機(jī)為6 637 L/min。采用第2～5架軋機(jī)之間的3套鋼板冷卻系統(tǒng)，每套冷卻系統(tǒng)的乳化液流量為1 629 L/min，可降低軋制時(shí)鋼板和板面油膜的溫度，減緩板面軋制油黏度和油膜厚度的減小，減少板面軋制油的氧化、分解和揮發(fā)等組分變化對(duì)其潤(rùn)滑性的影響，有利于控制因冷軋時(shí)輥縫區(qū)潤(rùn)滑不充分而導(dǎo)致的板面劃傷。乳化液鐵粉含量過(guò)多會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致工作輥與板面之間發(fā)生磨粒磨損，可能劃傷板面、損壞軋輥表面，因此將乳化液的鐵粉含量從(400～600)×10-6調(diào)整為(200～380)×10-6。乳化液中的氯離子遇水會(huì)生成微量鹽酸，使局部乳化劑失效，影響乳化液的潤(rùn)滑性，將乳化液的氯離子含量從30×10-6調(diào)整為25×10-6。乳化液的穩(wěn)定性與其潤(rùn)滑性密切相關(guān)，乳化液的穩(wěn)定性用穩(wěn)定性指數(shù)表示。乳化液的穩(wěn)定性指數(shù)小，冷軋時(shí)易析出油并附著在板面形成油膜，其潤(rùn)滑性好。將乳化液的穩(wěn)定性指數(shù)從35%～43%調(diào)整為30%～38%，乳化液狀態(tài)穩(wěn)定，潤(rùn)滑效果良好。

采用油膜高溫強(qiáng)度較高的1號(hào)軋制油，調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)使用的乳化液技術(shù)條件和采用第2～5架軋機(jī)之間的3套鋼板冷卻系統(tǒng)后，冷軋MR T-4鋼鍍錫原板表面劃傷已明顯減少，達(dá)到了用戶要求。

4 結(jié)論

(1)冷軋MR T-4鋼鍍錫原板表面劃傷是冷軋時(shí)輥縫區(qū)潤(rùn)滑不充分所致；采用油膜高溫強(qiáng)度大于94 kg的1號(hào)軋制油有效減少了鍍錫原板的表面劃傷。

(2)現(xiàn)場(chǎng)使用的乳化液技術(shù)條件為：1號(hào)槽的乳化液濃度為(2.3±0.2)%，3號(hào)槽的乳化液濃度為(4.5±0.2)%；乳化液溫度為56～58 ℃，鐵粉含量為(200～380)×10-6，氯離子含量不大于25×10-6，穩(wěn)定性指數(shù)為30%～38%。

(3)采用第2～5架軋機(jī)之間鋼板冷卻系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)的乳化液流量達(dá)到1 629 L/min，有利于減少因冷軋輥縫區(qū)潤(rùn)滑不充分而導(dǎo)致的板面劃傷。