鍍鋁鋅薄板高速生產(chǎn)時(shí)鋅鍋輥停轉(zhuǎn)分析與改進(jìn)

李 剛,徐 勇

(上海梅山鋼鐵股份有限公司冷軋廠,江蘇 南京 210039)

熱鍍鋁鋅鋼板是一種在冷軋基板表面鍍鋁鋅合金鍍層的鋼板,其基板上的合金鍍層由大約55%的鋁、43.5%的鋅和1.5%的硅在600 ℃左右高溫下固化而成。鍍鋁鋅板相較于普通熱鍍鋅板因其具有更優(yōu)良的耐腐蝕性及表面美麗的鋅花,廣泛應(yīng)用于家電行業(yè),厚度≤0.3 mm的薄規(guī)格鍍鋁鋅板主要用于冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等家用電器的背板、底板制作。2019年該機(jī)組由熱鍍鋅機(jī)組改造為鍍鋁鋅機(jī)組,專攻鍍鋁鋅薄規(guī)格家電板生產(chǎn),月需求量達(dá)到8 000 t。但在薄板生產(chǎn)機(jī)組速度達(dá)到120 m/min時(shí)發(fā)生鋅鍋校正輥或穩(wěn)定輥停轉(zhuǎn)的問題,造成劃傷、輥印、色差等缺陷,無法穩(wěn)定生產(chǎn)。薄板的低速生產(chǎn)也造成小時(shí)產(chǎn)量過低,生產(chǎn)成本上升,急需改進(jìn),實(shí)現(xiàn)鍍鋁鋅薄板的高速穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 鋅鍋輥系設(shè)備概述

鋅鍋輥系由沉沒輥、穩(wěn)定輥、校正輥組成,3根輥?zhàn)觾啥溯S頸分別安裝軸承,軸承由軸套和軸瓦兩部分組成,并由2根輥臂連接至輥架上,由此組成了帶鋼在鋅鍋中的運(yùn)行通道,完成帶鋼在鋅鍋中的轉(zhuǎn)向,并保持帶鋼在經(jīng)過氣刀時(shí)的穩(wěn)定性,防止帶鋼的振動(dòng)而導(dǎo)致鋅層厚度不均、表面色差等缺陷。鋅鍋輥系示意見圖1。鋅鍋輥系3根輥?zhàn)泳鶠楸粍?dòng)輥,完全依靠帶鋼與輥面間的摩擦力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。與熱鍍鋅相比,鍍鋁鋅板生產(chǎn)存在鋅鍋溫度高、鋁鋅液腐蝕性強(qiáng)、鋁鋅合金渣相多等惡劣的工藝條件。要保證鋅鍋輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)靈活,不發(fā)生停轉(zhuǎn),對(duì)鋅鍋輥系的輥體、輥臂、軸承的耐熱、耐磨和耐腐蝕性能都提出了更高的要求。一旦發(fā)生輥?zhàn)油＾D(zhuǎn),將導(dǎo)致生產(chǎn)中斷、被迫停機(jī)換輥、合同無法交付等一系列問題。

圖1 鋅鍋輥系示意圖

2 鍍鋁鋅薄板高速生產(chǎn)鋅鍋輥停轉(zhuǎn)分析

2.1 鋅鍋輥?zhàn)邮芰Ψ治?/h3>

鋅鍋輥?zhàn)釉阡X鋅液中高速轉(zhuǎn)動(dòng)的基本條件是輥?zhàn)邮艿降尿?qū)動(dòng)力大于阻力,當(dāng)阻力大于驅(qū)動(dòng)力時(shí),即發(fā)生輥?zhàn)油＾D(zhuǎn)。

由圖2可知,驅(qū)動(dòng)力的來源是帶鋼與輥?zhàn)娱g的摩擦力,依據(jù)摩擦力的計(jì)算公式:摩擦力=摩擦因數(shù)×接觸壓力,影響鋅鍋輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力大小的因素有帶鋼規(guī)格、張力、包角、輥面粗糙度。驅(qū)動(dòng)力的接觸壓力由張力和包角決定,而帶鋼規(guī)格決定了接觸面積大小,輥面粗糙度大小決定了摩擦因數(shù)的大小。因此,增加驅(qū)動(dòng)力可以選擇增加張力、包角或輥面粗糙度。

圖2 鋅鍋輥?zhàn)邮芰Ψ治?/p>

鋅鍋輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)所受到的阻力主要是軸承的摩擦阻力,同樣依據(jù)摩擦力的計(jì)算公式分析,影響阻力大小的因素有軸承的摩擦因數(shù)、軸承半徑、軸承的接觸壓力。軸承摩擦阻力的接觸壓力,由輥?zhàn)釉阡\鍋中實(shí)際重力(重力-浮力)以及出入口張力的合力決定,力矩平衡的表達(dá)式為:(入口張力-出口張力)×輥?zhàn)影霃?軸承摩擦因數(shù)×接觸壓力×軸承半徑[1]。因此減小軸承摩擦阻力可以選擇減小軸承摩擦因數(shù)、減小軸承半徑和減小輥?zhàn)又亍９蔚蹲枇弯\液對(duì)輥?zhàn)拥哪Σ磷枇σ彩卿\鍋輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)的阻力來源,因此輥?zhàn)痈咚俎D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)或刮刀壓力增大時(shí)容易出現(xiàn)停轉(zhuǎn)。

2.2 鋅渣對(duì)鋅鍋輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)的影響

鍍鋁鋅鋅鍋溫度高(600 ℃)、鍍液鋁含量高(55%Al),導(dǎo)致Fe在鍍液中的溶解量大,鋅鍋內(nèi)鋅渣多,且Fe在鋁鋅液中的飽和溶解度遠(yuǎn)高于在純鋅液中的飽和溶解度,Fe在55%Al-Zn-Si溶液中的溶解度見表1[2]。當(dāng)鋅鍋溫度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),鍍液中一定比例的Fe會(huì)隨溫度的降低而析出生成鋅渣,且這個(gè)過程是不可逆的,生成的鋅渣不會(huì)再隨溫度的上升而溶解。

表1 Fe在55%Al-Zn-Si溶液中的溶解度

鋅渣按照其成分質(zhì)量的不同,可分為面渣、懸浮渣和底渣,由于面渣密度小于鋅液的密度,存在于鋅液表面,主要為ZnO和Al2O3;懸浮渣密度和鋅液密度差不多,懸浮在鋅液中,主要為Fe2Al5合金及 FeAl3Si合金,這部分渣很容易結(jié)在鋅鍋輥系表面;底渣密度比鋅液密度大,沉在鋅鍋底部,主要為FeZn7[3]。懸浮渣懸浮在鋅液中,隨鋅液流動(dòng)進(jìn)入軸套、軸瓦的間隙中,造成輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力增加。

鍍鋁鋅薄板為家電用途,有2～3級(jí)小鋅花的要求,為了控制鋅花大小,采取在預(yù)熔鍋中添加含Ti元素的鋁鋅硅合金錠的方式獲得小鋅花,但含Ti元素的鋁鋅硅合金錠一般都伴生V元素。有研究表明,隨著V元素含量的增加,鋅渣呈長(zhǎng)大、增多的趨勢(shì)[4],這就導(dǎo)致了鋅渣的進(jìn)一步惡化。圖3為鋅鍋輥?zhàn)由a(chǎn)前和生產(chǎn)7天后的照片,從圖中可以看出,經(jīng)過7天的生產(chǎn)鋅鍋輥軸承已被鋅渣完全結(jié)住,輥面及輥臂上也結(jié)了厚厚的一層鋅渣。含Ti元素鋁鋅硅合金錠的大量添加,造成了嚴(yán)重結(jié)渣導(dǎo)致鋅鍋輥?zhàn)油＾D(zhuǎn)。

圖3 鋅鍋輥?zhàn)由a(chǎn)前和生產(chǎn)7天后對(duì)比

2.3 校正輥插入深度對(duì)鋅鍋輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)的影響

鋅鍋輥系的3根輥?zhàn)又?只有校正輥的位置是可以前后移動(dòng)的。校正輥可以通過位置的前后調(diào)整來改變帶鋼與輥?zhàn)拥陌?以及帶鋼與輥面的接觸長(zhǎng)度,從而影響輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力或阻力。表2對(duì)國(guó)內(nèi)4條鍍鋁鋅機(jī)組在校正輥插入深度15 mm時(shí),帶鋼與輥?zhàn)拥陌呛徒佑|長(zhǎng)度進(jìn)行了模擬計(jì)算,得出以下結(jié)論:①穩(wěn)定輥前伸時(shí),穩(wěn)定輥包角增大,同時(shí)校正輥包角也增大;②穩(wěn)定輥與校正輥鉛錘方向上的距離減小,穩(wěn)定輥包角增大;③穩(wěn)定輥、校正輥輥徑增大包角增大,沉沒輥輥徑增加校正輥包角增加。不同機(jī)組的鋅鍋輥系設(shè)計(jì)的3根輥位置不同,校正輥、穩(wěn)定輥可以同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的插入深度范圍不同,需要試驗(yàn)摸索適合本機(jī)組校正輥的插入深度,以達(dá)到增加輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的目的。

表2 校正輥插入深度對(duì)包角及接觸長(zhǎng)度的影響

2.4 軸承磨損對(duì)鋅鍋輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)的影響

鋅鍋輥?zhàn)虞S承由軸套和軸瓦兩部分組成,由于鍍鋁鋅生產(chǎn)鋅鍋溫度高、鋅渣多、鋁鋅液腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn),鋅鍋輥?zhàn)虞S承需要選用耐腐蝕、高溫下抗磨損的材質(zhì),軸承的耐腐蝕磨損是鋅鍋輥?zhàn)幽芊耢`活轉(zhuǎn)動(dòng)的重要條件。一旦軸承出現(xiàn)異常磨損,磨損量增大導(dǎo)致軸套與軸瓦間隙增大,軸套會(huì)在軸瓦內(nèi)上下竄動(dòng)從而引起振動(dòng),將導(dǎo)致鋅層不均勻、表面色差缺陷、軸承損壞卡阻等問題。本機(jī)組選用的是高耐磨硬質(zhì)合金鋼軸承,輥?zhàn)臃?0天時(shí),軸承磨損量為2～3 mm。

新輥軸承“磨合期”,新的輥系進(jìn)入鋅鍋后,剛開始生產(chǎn)必然會(huì)發(fā)生啟動(dòng)振動(dòng),這是由于新輥進(jìn)入鋅鍋后不能馬上開機(jī)生產(chǎn),需要等待退火爐吹掃升溫,在這段靜置的時(shí)間內(nèi)軸承結(jié)渣,且開機(jī)后軸套與軸瓦之間是金屬與金屬間的硬摩擦,阻力大,此時(shí)不適合生產(chǎn)薄規(guī)格鍍鋁鋅板。軸套和軸瓦設(shè)計(jì)間隙為6～8 mm,新輥開機(jī)生產(chǎn)后需要一定長(zhǎng)的時(shí)間,在軸套與軸瓦的兩個(gè)移動(dòng)面之間形成一層液膜,起到潤(rùn)滑的效果,此時(shí)摩擦因數(shù)顯著下降[5],輥?zhàn)有D(zhuǎn)進(jìn)入最佳狀態(tài)。軸承磨合示意見圖4。

圖4 軸承磨合示意圖

2.5 刮刀鋅鍋輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)的影響

刮刀的作用是清除輥面上的結(jié)渣,以免結(jié)渣累積造成輥印、色差、鋅渣等表面缺陷。但對(duì)于輥?zhàn)拥男D(zhuǎn)來說,刮刀的存在類似于輥?zhàn)拥摹皠x車片”,刮刀的壓力越大,制動(dòng)力越強(qiáng),輥?zhàn)釉饺菀撞晦D(zhuǎn),特別是薄板生產(chǎn)時(shí)帶鋼對(duì)輥?zhàn)拥尿?qū)動(dòng)力不足,刮刀壓力增加到0.2 MPa連續(xù)清輥時(shí),出現(xiàn)了輥?zhàn)油＾D(zhuǎn)。因此,薄板生產(chǎn)時(shí)刮刀壓力越小越好,但刮刀壓力低于0.05 MPa根本起不到清除輥面結(jié)渣的作用。因此需要選擇合適的刮刀壓力和刮刀投用方式,將刮刀對(duì)鋅鍋輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)的影響降至最低。

3 鍍鋁鋅薄板高速生產(chǎn)鋅鍋輥停轉(zhuǎn)改進(jìn)

通過上述分析,從增加帶鋼與輥?zhàn)娱g的驅(qū)動(dòng)力和減小輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)阻力兩個(gè)方面著手,改進(jìn)鍍鋁鋅薄板高速生產(chǎn)時(shí)鍋輥停轉(zhuǎn)問題。

3.1 增加輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力

(1)提高輥面粗糙度,增加帶鋼與輥?zhàn)拥尿?qū)動(dòng)力。初始設(shè)計(jì)選擇了Ra3.2的輥面粗糙度,雖然增加了驅(qū)動(dòng)力,但高的粗糙度也造成了輥面結(jié)渣速度加快,清理輥面結(jié)渣需要大壓力投入刮刀,反而造成輥?zhàn)油＾D(zhuǎn)。因此對(duì)于鍍鋁鋅薄板生產(chǎn)來說輥面粗糙度并不是越大越好,Ra為1.6～2.0為宜。

(2)根據(jù)表2的分析,增加校正輥輥徑可增加校正輥和穩(wěn)定輥的包角,增加驅(qū)動(dòng)力,因此,將校正輥半徑由100 mm調(diào)整為115 mm。

3.2 減小輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)阻力

(1)使用閉合空心輥,閉合空心輥是在輥?zhàn)又圃鞎r(shí)使輥體內(nèi)形成負(fù)壓狀態(tài),空心輥體在鋅液中的浮力增加,根據(jù)圖2的受力分析,浮力增加后輥?zhàn)虞S承受力點(diǎn)將轉(zhuǎn)移到上半圓區(qū)域,摩擦阻力減小;輥體內(nèi)形成密閉空間,去除了輥體內(nèi)部鋅液的摩擦阻力,還可以防止輥體內(nèi)部結(jié)渣而導(dǎo)致的輥體中心偏移,減小輥?zhàn)映霈F(xiàn)跳動(dòng)概率,改善軸承的異常磨損導(dǎo)致的輥?zhàn)油＾D(zhuǎn)。但閉合空心輥的使用需考慮其安全性的問題,要求在加工和修復(fù)的過程中不接觸任何液體,且每次修復(fù)后對(duì)輥體進(jìn)行探傷。

(2)使用陶瓷軸承,減小軸承摩擦因數(shù),減小輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)阻力。陶瓷軸承在熱鍍鋅機(jī)組有大量的成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn),但在鍍鋁鋅機(jī)組應(yīng)用并不廣泛。本機(jī)組先后進(jìn)行了四次陶瓷軸承試驗(yàn),陶瓷軸承可以改善薄板生產(chǎn)鋅鍋輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng),但相較于金屬軸承其使用成本較高。

(3)減小穩(wěn)定輥、校正輥軸頸。小的軸頸可以減小軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力接觸面,同時(shí)可以降低薄板帶動(dòng)輥?zhàn)铀璧霓D(zhuǎn)動(dòng)力矩[6]。但軸頸縮減需要考慮縮頸后的剛度問題,避免軸頸變形、斷裂。

(4)調(diào)試最佳校正輥插入深度和刮刀壓力,薄板生產(chǎn)刮刀不宜連續(xù)投入,刮刀采用間斷投入的方式,使用壓力范圍在0.05～0.1 MPa之間,既改善了輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng),也達(dá)到了控制輥面結(jié)渣的目的。

(5)新輥開機(jī)生產(chǎn)后,48 h內(nèi)不生產(chǎn)薄規(guī)格鍍鋁鋅板,以0.5～0.6 mm的常規(guī)規(guī)格為主,使軸承充分磨合。

(6)控制鋅渣,停止添加含Ti鋅錠,通過其他途徑實(shí)現(xiàn)小鋅花。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)校正輥、穩(wěn)定輥在鋅鍋中的受力進(jìn)行分析,并對(duì)鋅鍋輥結(jié)渣、校正輥插入深度、軸承磨損、輥系刮刀等影響鋅鍋輥轉(zhuǎn)動(dòng)的其他因素進(jìn)行分析,明確了解決鍍鋁鋅薄板高速生產(chǎn)時(shí)鋅鍋輥停轉(zhuǎn)問題的改進(jìn)方向,最終通過提高輥面粗糙度、增加校正輥輥徑、使用閉合空心輥、減小輥?zhàn)虞S頸、調(diào)試最佳校正輥插入深度和刮刀壓力實(shí)現(xiàn)了鍍鋁鋅薄板的高速生產(chǎn)。極限規(guī)格帶鋼0.252 mm×802 mm,機(jī)組速度由120 m/min提升至135～140 m/min,滿足了外部用戶對(duì)鍍鋁鋅薄板訂貨量的需求,內(nèi)部大幅提升了機(jī)組的產(chǎn)能,降低了生產(chǎn)成本。