拉矯機(jī)內(nèi)吹掃流場對(duì)酸洗板表面凹坑形成的影響

李 丹 張宦修 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)

酸洗板是以優(yōu)質(zhì)熱軋板為原料，通過拉矯、酸洗、切邊和涂油等工序制成，廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械制造等行業(yè)[1- 3]。熱軋板通過酸洗機(jī)組拉矯機(jī)的拉伸和彎曲產(chǎn)生彈塑性變形，使其表面氧化鐵皮破碎、脫落。通過拉矯機(jī)內(nèi)的壓縮空氣吹掃掉鋼板表面的氧化鐵皮，通過拉矯機(jī)下部的除塵風(fēng)機(jī)輸送到收集器[4- 9]。

近年來，某企業(yè)的酸洗板表面常產(chǎn)生凹坑，導(dǎo)致產(chǎn)品成材率下降，是亟待解決的技術(shù)難題。影響凹坑形成的因素較多，如熱軋過程中機(jī)架間異物掉落[10]、板形缺陷、酸洗生產(chǎn)線拉矯機(jī)延伸率、拉矯機(jī)工作輥使用周期和輥面硬度等。在已有研究的基礎(chǔ)上，該企業(yè)對(duì)酸洗板凹坑缺陷進(jìn)行了攻關(guān)，但未徹底解決問題。本文分析了酸洗生產(chǎn)線拉矯機(jī)內(nèi)吹掃流場的特征，研究了拉矯機(jī)內(nèi)吹掃流場對(duì)酸洗板表面凹坑形成的影響，可為現(xiàn)場生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 凹坑特征

厚度為6.0 mm的熱軋酸洗鋼板表面凹坑的宏觀形貌如圖1所示。凹坑在鋼板的上、下表面隨機(jī)分布，直徑約為1.5～2.0 mm，呈零星或團(tuán)簇狀，沿鋼板運(yùn)行方向每隔250 mm周期性顯現(xiàn)。根據(jù)其形貌特征推測，凹坑是拉矯過程中鋼板表面剝落的氧化鐵皮聚集，在拉矯機(jī)工作輥的碾壓下形成的“輥印”。

圖1 酸洗板上的多個(gè)(a)和單個(gè)(b)凹坑Fig.1 Several(a) and single(b) pits on the pickled plate

2 酸洗前鋼板氧化鐵皮厚度

凹坑可能與拉矯過程中鋼板表面剝落的氧化鐵皮有關(guān)，因此有必要研究酸洗前鋼板氧化鐵皮的特征。

選取尺寸為300 mm×1 200 mm× 6 mm的熱軋板，用線切割加工10 mm×10 mm的試板，經(jīng)超聲波清洗后制備金相試樣，采用體積分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸酒精溶液腐蝕[11]。該腐蝕液僅腐蝕Fe2O3和FeO層，不能腐蝕Fe3O4層和基體[12]。采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)，測定氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)和厚度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 熱軋板上(a)、下(b)表面氧化鐵皮形貌及厚度Fig.2 Morphologies and thickness of iron oxide scale on upper(a) and lower(b) surface of the hot- rolled plate

純鐵氧化皮一般分為三層，即最外側(cè)Fe2O3層、中間Fe3O4層和基體側(cè)FeO層，其厚度比為1∶4∶95[13]。某些合金元素會(huì)使鋼板表面氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)和厚度與純鐵氧化皮大不相同，熱軋工藝也影響鋼板表面氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)和厚度。

表1 酸洗板上表面氧化鐵皮及其組分的厚度Table 1 Thickness of iron oxide scale and its components on upper surface of the pickled plate μm

表2 酸洗板下表面氧化鐵皮及其組分的厚度Table 2 Thickness of iron oxide scale and its components on lower surface of the pickled plate μm

以上結(jié)果表明，氧化鐵皮主要包括Fe3O4層和FeO層，鋼板上表面Fe3O4層平均厚度為5.18 μm，下表面為6.45 μm。FeO質(zhì)軟、疏松多孔，而Fe2O3和Fe3O4堅(jiān)硬致密[14]。鋼板的化學(xué)成分和熱軋工藝對(duì)其氧化鐵皮的特性有影響，也影響拉矯過程中板面凹坑的形成。

3 拉矯機(jī)內(nèi)吹掃流場

3.1 拉矯機(jī)結(jié)構(gòu)

拉矯機(jī)吹掃結(jié)構(gòu)及輥系如圖3所示。拉矯機(jī)內(nèi)氧化鐵皮除塵系統(tǒng)主要包括5道壓縮空氣吹掃梁，每道吹掃梁安置8個(gè)空氣噴嘴，間隔為19 cm，長度為6.7 cm。拉矯機(jī)下部有3個(gè)除塵裝置，抽吸吹掃落下的氧化鐵皮。采用ANSYS軟件對(duì)拉矯機(jī)內(nèi)吹掃流場進(jìn)行模擬并分析其特征。

圖3 拉矯機(jī)的吹掃機(jī)構(gòu)(a)和輥系(b)Fig.3 Blowing mechanism(a)and roll system(b)of the tension leveler

3.2 建模

采用SolidWorks軟件建立包含拉矯機(jī)一個(gè)上吹掃梁和除塵吸風(fēng)口的模型。拉矯機(jī)模型的正視圖和剖視圖如圖4所示。

圖4 拉矯機(jī)模型的正視(a)和剖視(b)圖Fig.4 Front view(a) and sectional view(b) of the tension leveler model

進(jìn)一步對(duì)空氣噴嘴建模：模型長為6.7 cm，直徑為2.5 cm，狹縫側(cè)面長6 mm，寬1 mm，狹縫前面長2 mm，寬1 mm?？諝鈬娮炷Ｐ偷氖疽鈭D如圖5所示。

圖5 空氣噴嘴模型的示意圖Fig.5 Schematic diagram of the air nozzle model

由于拉矯機(jī)的工作輥和支撐輥僅起阻擋空氣流動(dòng)的作用，故對(duì)其進(jìn)行了簡化。簡化的工作輥和支撐輥模型如圖6所示。

圖6 簡化的工作輥和支撐輥模型Fig.6 Simplified model of work and backup rolls

拉矯機(jī)下部有3個(gè)除塵裝置，除塵吸風(fēng)口模型如圖7所示。

圖7 除塵吸風(fēng)口模型Fig.7 Model for the dedusting suction opening

3.3 邊界條件和介質(zhì)設(shè)定

將噴嘴的狹縫設(shè)為流場的入口，邊界條件為壓力入口，壓力設(shè)定為1.6 MPa；將除塵吸風(fēng)口設(shè)置為流場的壓力出口，除塵吸風(fēng)口為抽吸力，壓力設(shè)定為-4.5 kPa，鋼板和工作輥以及支撐輥等都設(shè)置為擋墻，吹掃介質(zhì)為空氣。

3.4 拉矯機(jī)內(nèi)吹掃流場仿真及分析

3.4.1 空氣噴嘴處流場

根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)了8個(gè)空氣噴嘴模型，噴嘴長度為6.7 cm，與豎直方向成45°，每個(gè)噴嘴有11個(gè)狹縫。各噴嘴同時(shí)噴射壓縮空氣，其速度矢量圖如圖8所示。

由圖8可知，噴嘴側(cè)面狹縫噴出的氣流互相干擾，使拉矯機(jī)內(nèi)氧化鐵皮向四周流動(dòng)。

圖8 噴嘴的速度矢量圖Fig.8 Velocity vector diagram of the nozzle

3.4.2 鋼板上表面流場

拉矯機(jī)內(nèi)氧化鐵皮的主要流動(dòng)方向如圖9中箭頭所示。由于除塵吸風(fēng)口的抽吸，吹掃梁兩側(cè)噴嘴吹出的空氣向鋼板兩側(cè)流動(dòng)，帶動(dòng)氧化鐵皮離開鋼板上表面。吹掃梁中間噴嘴吹出的空氣將板面氧化鐵皮吹向工作輥，鄰近工作輥的噴嘴吹掃力較小，氧化鐵皮滯留在工作輥附近。壓縮空氣吹掃梁上8個(gè)噴嘴長度均為6.7 cm時(shí)，各噴嘴噴射的氣流相互干擾，鋼板上表面形成2個(gè)氧化鐵皮滯留區(qū)。

圖9 鋼板表面的速度矢量圖Fig.9 Velocity vector diagram of the steel plate surface

由圖10(a,e)可知，吹掃梁上的空氣噴嘴能將氧化鐵皮吹離鋼板表面。由圖10(b～d)可知，相鄰噴嘴吹出的氣流相互干擾，推動(dòng)氧化鐵皮在鋼板表面向前流動(dòng)，但未離開鋼板表面。由圖10(f,g)可知，相鄰噴嘴狹縫之間的氣流相互干擾，由于每個(gè)噴嘴噴射的氣流速度相同，使氧化鐵皮向前或向后流動(dòng)，但不能使氧化鐵皮離開鋼板表面。由圖10(h,i)可知，吹掃梁上的噴嘴與豎直方向成45°，氣流使鋼板上的氧化鐵皮向后流動(dòng)，導(dǎo)致大量氧化鐵皮在鋼板上聚集而難以吹掃。

圖10 鋼板局部表面的速度矢量圖Fig.10 Velocity vector diagram of local surface of the steel plate

3.4.3 拉矯機(jī)支撐輥溝槽處流場

由圖11所示的支撐輥之間溝槽處流場可知，拉矯機(jī)內(nèi)飄散的氧化鐵皮聚集于支撐輥之間的溝槽，并由于重力作用而散落在鋼板上。

圖11 支撐輥溝槽處流場Fig.11 Flow field at the groove of backup rolls

3.4.4 除塵吸風(fēng)口處流場

除塵吸風(fēng)口的速度矢量圖如圖12所示。從圖12可知，拉矯機(jī)內(nèi)被吸入除塵吸風(fēng)口的氧化鐵皮較少，不利于拉矯機(jī)內(nèi)氧化鐵皮的掃除。

圖12 除塵吸風(fēng)口的速度矢量圖Fig.12 Velocity vector diagram of the dedusting suction opening

除塵吸風(fēng)口的吸力為-4.5 kPa，作用于7 200 cm2除塵吸風(fēng)口，且除塵口呈喇叭口形，不利于除塵吸風(fēng)口的抽吸。圖3(a)所示的除塵吸風(fēng)口布置在吹掃梁的正下方，拉矯機(jī)中部有鋼板將上部的吹掃梁和下部除塵吸風(fēng)口隔開，也影響了除塵裝置的除塵效果。

3.4.5 改變噴嘴長度的吹掃流場

為了減弱相鄰噴嘴噴出氣流的相互干擾，對(duì)吹掃梁上8個(gè)噴嘴的長度進(jìn)行了改進(jìn)。沿板寬分布的吹掃梁8個(gè)噴嘴的長度依次為6.7、8.7、10.7、12.7、11.7、10.7、8.7和6.7 cm，各噴嘴同時(shí)噴射空氣。

鋼板表面的速度矢量圖如圖13所示。由圖13可知，在吹掃空氣的推動(dòng)下，鋼板表面的氧化鐵皮向c、d、e、f、g、h 6個(gè)方向流動(dòng)。g和h方向的氧化鐵皮向遠(yuǎn)離拉矯機(jī)工作輥的方向流向鋼板兩側(cè)；d和e方向的氧化鐵皮遠(yuǎn)離噴嘴的吹掃區(qū)，從d流向a和從e流向b，流向鋼板兩側(cè)；e和f方向的氧化鐵皮直接流向鋼板兩側(cè)。可見，改進(jìn)后各噴嘴噴出的氣流相互干擾明顯減弱，鋼板上沒有明顯的氧化鐵皮滯留區(qū)。

圖13 鋼板表面的速度矢量圖Fig.13 Velocity vector diagram of the steel plate surface

3.5 凹坑形成過程

鋼板上的氧化鐵皮被碾壓形成凹坑的過程示意圖如圖14所示(紅色表示氧化鐵皮團(tuán)簇，黑色表示凹坑)。由于拉矯機(jī)內(nèi)吹掃裝置不能將鋼板上剝落的氧化鐵皮徹底吹掃干凈，拉矯機(jī)內(nèi)飄散的氧化鐵皮會(huì)聚集在支撐輥之間的溝槽處，在重力作用下散落在鋼板上，拉矯時(shí)在工作輥的碾壓下鋼板表面形成凹坑。此外，如果拉矯機(jī)工作輥表面有氧化鐵皮團(tuán)簇，也會(huì)在拉矯時(shí)被工作輥碾壓入鋼板表面形成凹坑，如圖15所示。

圖14 鋼板上的氧化鐵皮被碾壓形成凹坑的示意圖Fig.14 Illustration of iron oxide scales on the steel plate being rolled to form pits

圖15 工作輥表面的氧化鐵皮團(tuán)簇被壓入鋼板形成凹坑的示意圖Fig.15 Illustration of iron oxide scale clusters on the work roll surface being pressed into the steel plate to form pits

4 結(jié)論

(1)拉矯機(jī)吹掃梁上8個(gè)空氣噴嘴的長度為6.7 cm時(shí)，各噴嘴噴出的氣流相互干擾，鋼板上出現(xiàn)2個(gè)氧化鐵皮滯留區(qū)。

(2)吹掃梁上8個(gè)噴嘴的長度(沿板寬方向)依次為6.7、8.7、10.7、12.7、11.7、10.7、8.7和6.7 cm時(shí)，各噴嘴噴出的氣流相互干擾明顯減弱，鋼板上沒有氧化鐵皮滯留區(qū)。

(3)拉矯機(jī)內(nèi)飄散的氧化鐵皮聚集在支撐輥之間的溝槽處，在重力作用下散落在鋼板上，拉矯時(shí)在工作輥的碾壓下鋼板表面形成凹坑。