太陽能用不銹鋼冷軋產品厚度影響因素的分析與改進

寧波寶新不銹鋼有限公司 ■ 杜海憲 高松超 喬愛民 包玉龍 尹靜

0 引言

根據用戶需求，目前冷軋不銹鋼產品厚度有逐漸向薄料發展的趨勢，太陽能、沖壓制品、精密軋制等行業，對產品厚度精度要求越來越高。如太陽能行業所需不銹鋼冷軋產品，厚度基本為0.3～0.5 mm，要求產品厚度穩定，長度方向上厚度波動少。寧波寶新不銹鋼有限公司(以下簡稱寧波寶新)以生產不銹鋼薄規格冷軋產品為主，產品厚度控制精度高，較好地滿足了太陽能行業的使用需求。

影響冷軋不銹鋼薄規格產品厚度的因素較多，主要為原料合金成分、原料熱凸度、測厚儀狀態穩定性、質量設計、鋼卷頭尾AGC厚度控制、軋機操作人員的技能水平等。

本文對不銹鋼冷軋薄規格產品厚度各主要影響因素進行分析，提出解決問題的思路和方向，以SUS304鋼種為例進行闡述。

1 不銹鋼冷軋機厚度測量原理與特性

1.1 測量原理

目前不銹鋼冷軋通常采用X 射線測厚儀，其工作原理是：X射線源產生設定強度的輻射，經不銹鋼吸收后，傳感器接收、檢測穿過帶鋼的X射線，再轉換成電壓，從而計算出待測量的不銹鋼厚度。其計算公式為：

式中，I為通過不銹鋼的X射線強度；I0為放射源產生的X射線強度；μ為不銹鋼的吸收系數；ρ為不銹鋼密度；H為不銹鋼厚度。

不銹鋼與普碳鋼的測量原理相同，但不銹鋼合金元素多、鋼種牌號多，與普碳鋼相比，不銹鋼冷軋的厚度測量具有較大的差異性和特殊性。

1.2 不銹鋼對測厚儀測量的影響

1) 不銹鋼合金元素較多，如SUS304鋼種，除常見的Cr、Ni等主要元素外，還有Cu、Nb 等微量合金元素，不同的爐次，合金元素含量存在一定差異，必將會影響測量精度。

2) 不同的產品標準，不同的用戶需求，即使對于SUS304同一鋼種牌號，實際合金元素可能也會存在較大差異，對厚度測量精度產生較大影響。

3) 不銹鋼冷軋產品厚度越大，對X射線的吸收越強，如合金元素等發生變化時，將增大測量誤差，因此厚規格產品對測量條件的變化更為敏感。太陽能用產品常見厚度為0.3～0.5 mm，厚度較薄，合金元素等條件變化時，導致的厚度波動相對較小，但考慮到太陽能產品對厚度的高精度要求，合金成分變化所產生的影響也必須進行控制和消除。

2 厚度質量設計

不銹鋼冷軋生產時首先要進行質量設計，主要內容包括：出廠產品厚度公差確定、工藝流程確定、各工序工藝要求等，其中涉及到產品厚度的為酸洗(主要為冷酸線)、軋機、修磨、平整等工序。

確定產品厚度的原則：首先要根據用戶的使用需求，確定成品基準厚度及上下限公差，確定軋制目標厚度，同時要考慮原料熱凸度值。冷酸機組的厚度減薄量按來料厚度的0.5%考慮，平整機組的厚度減薄量按實際延伸率考慮。

對于太陽能產品，在質量設計中，首先要考慮到其對厚度公差要求高的特性，確定嚴格的成品上下限范圍；然后再根據原料熱凸度、酸洗和平整工序的厚度減薄量，確定合適的軋制目標厚度。如成品厚度存在異常，調查分析后，再對軋制厚度進行調整、改進。這樣從質量設計就開始按照用戶的使用要求，系統考慮薄規格產品的厚度影響因素，從而在生產制造流程上保證了產品的厚度精度。

3 原料合金成分的影響

原寧波寶新原料供應廠家較多，近年逐漸集中在國內某廠家，少量從國外廠家進口。各不銹鋼廠家因煉鋼原料、合金成分控制策略等的不同，即使同一鋼種牌號，合金成分也會存在較大差異。

以國內某廠家與國外某廠家為例，進行SUS304鋼種合金成分對比，相關參數見表1。

表1 SUS304典型合金元素質量分數(單位：%)

從表1可知，兩個廠家的合金成分差異在于C、Mn、N等主要合金元素上。另外，Cu、Mo、Ti、Nb等微量合金元素國內某廠家控制精度略差，波動大；國外某廠家控制精度較高，分析與煉鋼原料關聯很大。國外不銹鋼使用成熟，廢鋼資源充足，煉鋼原料中廢鋼比例大，煉鋼時各合金元素易受控；而國內廢鋼資源相對較少，面臨生產成本壓力大等問題，煉鋼原料中低鎳礦比例大，導致微量合金元素控制精度受限。另外，煉鋼工序不同時期生產的鋼卷，因煉鋼原料有差異，微量合金元素也可能有較大波動。

合金元素的原子量越高，對測厚儀X射線的吸收率越高。與合金補償的標準樣板比較，當前所軋制的鋼卷重金屬元素含量差異越大，則導致厚度檢測偏差越大。

因此，對于不同的原料廠家，需重新制作相應的厚度標準樣板，分別進行合金補償。另外，對于同一生產廠家的原料，對原料的合金成分(如Ni、Cu等)也制定了內控標準，從源頭來保證薄規格產品的厚度測量和控制精度。

4 熱凸度的影響

原料熱凸度對冷軋不銹鋼的厚度影響主要為兩方面：

1) 軋機測厚儀測量的為帶鋼中部厚度，如熱凸度過大，會出現帶鋼中部厚度控制正常，而邊部超薄等問題。

通過現場鋼卷熱凸度的跟蹤與統計分析，發現原料經常會出現帶鋼單側熱凸度過大的問題，如圖1所示。其中，帶鋼寬度方向上的厚度測量點，每25 mm間隔取1點測量厚度。

圖1表示薄規格產品的熱凸度出現異常，中部厚度控制正常，但由于帶鋼單側熱凸度過大，導致該側超薄，不能滿足太陽能產品的使用要求。另外，熱凸度過大，易導致鋼卷跑偏、板形出現異常，從而影響厚度控制的精度和長度。

圖1 典型的薄規格產品熱凸度異常曲線

2) 軋制時，操作人員人工測量帶鋼邊部厚度，再加上一定的熱凸度數值，與測厚儀測量的中部厚度進行對比，以判斷當前厚度檢測和控制是否正常。如帶鋼熱凸度過小或過大，會造成軋機操作人員誤判為測厚儀出現異常、需設備人員處理等，影響正常軋制。

因此，為保證冷軋時順利軋制和厚度控制，希望將熱軋鋼卷的凸度控制在較小(1.5%)、對稱并且穩定的范圍內。

5 鋼卷頭尾厚度控制的影響

由于多輥可逆式軋機固有的特性，鋼卷頭尾與卷筒接觸散熱或與空氣等外界進行熱交換，頭尾帶鋼溫度較低、加工硬化大，軋制力相對較大。特別是軋制薄規格產品時，AGC控制難度進一步加大，此時AGC控制為非穩態過程，厚度不易控制。另外，為避免軋制力、板形等因素劇烈變化所導致的鋼卷頭部絞、斷帶軋制事故，頭部啟動速度較低，此時AGC控制系統的增益較小，使頭部厚度控制響應速度受到一定限制。

軋制0.3～0.5 mm的薄規格產品時，鋼卷頭尾厚度控制是主要問題。相比較之下，鋼卷中部AGC厚度控制成熟穩定，響應速度快，厚度波動范圍通常為5，完全可滿足太陽能行業的加工和使用要求。

薄規格產品軋制最終道次的典型實測厚度曲線如圖2所示。其中，縱坐標表示厚度波動值，為帶鋼實際厚度與設定值之間的差值。從圖2可看出，鋼卷頭部超厚較多，AGC未能有效調節，導致出現約30 m的超厚，無法滿足太陽能用戶的使用要求，需在成品機組進行切除。

圖2 典型的薄規格產品軋制厚度曲線

解決和改進方案為：

5.1 鋼卷頭部軋制力設定

軋機數學模型計算的軋制力預設定值，是根據鋼種加工硬化指數、道次壓下量、寬度 等計算得出的，為鋼卷中部正常軋制時的計算值。但鋼卷頭尾超厚、溫降大，軋制力普遍要比中部正常軋制時大約50～100 t，因此數學模型不能滿足現場實際需求。

1) 計劃對原數學模型進行改進，重新開發新的軋制力計算模型。根據鋼卷頭部實際厚度進行軋制力計算，提高頭部軋制力設定精度，減少超厚帶鋼長度。

2) 人工提高軋制力設定精度。為保證表面質量，軋制時最后兩個道次要更換工作輥，此時諸多條件發生變化，如工作輥輥徑變化、工作輥尚未與帶鋼充分磨合等，會導致軋制力發生變化。

在原數學模型未改進前，臨時采用人工設定方法，即考慮當前的工作輥輥徑大小，以上一道次尾部的實際軋制力數值為準，減去20～50 t，即為當前道次的頭部設定值。

5.2 操作因素的影響

軋機AGC增益直接與軋制速度相關，軋制速度越快，厚度修正能力越強。軋制時，操作人員調節和觀察帶鋼板形，如板形正常，則要盡快升速，此時AGC增益變大，軋制力調節響應速度加快，可更好地消除厚度差異。

6 測厚儀工作狀態的影響

軋制時要保證厚度控制穩定，測厚儀的準確測量是前提條件。

現場軋制時，因測厚儀射線源等設備出現故障，檢測精度出現偏差，有時厚度偏差較小，軋機操作人員未能及時發現，導致多卷帶鋼厚度控制異常。

因此，為保證厚度控制精度，首先要保證測厚儀處于穩定、可靠的工作狀態，需大大縮短測厚儀標定時間，減小測量系統誤差。另外利用檢修時間，用合金補償標準樣板對測厚儀進行檢查，驗證測厚儀的工作狀態是否正常。

7 結論

1) 目前太陽能用戶對不銹鋼薄規格冷軋產品的厚度精度要求越來越高，現場影響因素較多，主要為原料合金成分、原料熱凸度、測厚儀狀態穩定性、質量設計、軋機操作人員的技能水平等。

2) 寧波寶新在前期工作基礎上，對影響產品厚度的各影響因素分別采取了相關措施，進一步提高了產品的厚度控制精度。目前寧波寶新的薄規格產品厚度控制水平在國內處于領先地位，較好地滿足了太陽能等行業和用戶的使用需求。