鞍鋼Ф23.0 mm冷鐓鋼盤條表面缺陷原因分析及優化

張歡 ，尚俊男 ，安繪竹 ，李凱

（1.鞍鋼股份有限公司線材廠，遼寧 鞍山114042；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；3.鞍鋼股份有限公司產品發展部，遼寧 鞍山114021）

鞍鋼股份有限公司線材廠（以下簡稱“鞍鋼線材廠”）2#線于2010年投產，設計產品規格為Ф5.0～Ф25.0 mm，產品結構包括簾線鋼、冷鐓鋼、鋼繩用鋼、焊絲鋼、彈簧鋼、預應力鋼等六大類400余個品種。為了適應市場需要，使品種結構得到優化，大規格冷鐓鋼比例逐年增加。Ф20.0 mm及以上規格在高速線材減定徑軋機（雙模塊）生產中屬于極限規格，軋制道次少，變形速率高，質量穩定性不易控制。此外，下游用戶不斷開發更高端的產品，對盤條的表面質量要求日益嚴格，尤其是汽車鋼產品，要求盤條表面“零缺陷”，需要鋼廠不斷提高冷鐓鋼產品的表面質量［1］。生產質量穩定且具有市場競爭力的產品對于線材廠非常重要，因此對大規格冷鐓鋼盤條表面質量控制進行了重點研究，本文對此加以論述。

1 工藝路線

鞍鋼線材廠2#線基本工藝布置如圖1所示，主要包括粗軋、中軋、預精軋、精軋和雙模塊共32架軋機，全線軋機除粗軋1#、2#采用箱型孔外，其余道次軋機均采用橢圓-圓孔型系統，實現全連續無扭軋制。其中，Ф5.0～Ф11.5 mm盤條生產線為直線布置，軋件經精軋后到減定徑機組；Ф12.0～Ф25.0 mm盤條生產線為旁通布置，軋件經預精軋后到減定徑機組。

圖1 鞍鋼線材廠2#線工藝布置Fig.1 Process Layout for No.2 Production Line of Wire Mill in Ansteel

2 表面缺陷原因及分析

冷鐓鋼盤條的表面缺陷主要包括劃傷、鐵皮壓入和表面折疊［2-3］。針對鞍鋼線材廠Ф23.0 mm盤條而言，盤條表面缺陷的主要問題焦點是表面折疊，折疊缺陷表現為三種。

2.1 軋件底部劃傷經后續軋制型折疊

鞍鋼線材廠Ф23.0 mm盤條自重大，經旁通軋制，容易在鑄鐵導槽內產生劃傷，經減定徑機組軋制后有一定變形。成品泡酸后表面缺陷不易被發現，但冷鐓后的試樣開裂比較明顯，冷鐓后開裂形貌及劃傷盤條對應金相缺陷見圖2（a）和圖2（b）。由圖2（a）可見，冷鐓樣表面存在明顯的亮線，且該亮線位于軋件底部；由圖2（b）可以看出，盤條表面劃傷逐漸向內延伸變細，缺陷深度為61.52 μm。

圖2 軋件底部劃傷經后續軋制型折疊缺陷圖片Fig.2 Folded Defect Photos of Rolled Pieces with Scratches at Bottom after Subsequent Rolling

2.2 橢圓架次軋件寬展超寬刮磨導板襯板型折疊

這種劃傷主要在粗中軋區域產生，原因是鐵型尺寸控制不準。由于鐵型高度小，軋件寬展大，產生刮磨導板襯板問題，盤條冷鐓后可見表面有多道開裂的細線［4］。冷鐓后開裂形貌及刮傷盤條對應金相缺陷見圖 3（a）和圖 3（b），結合兩張圖片可知表面存在多個密排的缺陷，缺陷深度為 25.66 μm。

2.3 孔型設計不理想軋制型折疊

由于受孔型限制以及鋼質變化變形抗力影響，在減定徑各道次容易產生過充滿問題，成品泡酸后很難被發現，頂鍛后表面明顯開裂，類似“雙眼皮”形狀，頂鍛后的試樣存在兩道平行的開裂線，盤條冷鐓樣開裂呈對稱性［5］。

圖3 橢圓架次軋件寬展超寬刮磨導板襯板型折疊缺陷圖片Fig.3 Liner Plate Type Folded Defect Photos for Extra-wide Guide Plate with Scraping and Grinding for Rolled Pieces from Oval Frame

圖4（a）為冷鐓后表面開裂形貌。圖 4（b）為折疊對應的金相圖片，圖中缺陷呈明顯的“八字”。產生過充滿折疊的主要原因包括減定徑機組輥縫設定和張力控制不準、軋制鋼質和來料尺寸變化等。

圖4 孔型設計不理想軋制型折疊缺陷圖片Fig.4 Rolling Type Folded Defect Photos with Undesirable Design of Grooves

3 表面缺陷控制方法

3.1 改進導衛裝置

將導衛裝置由滑動摩擦改為滾動摩擦。由于生產過程中鋼的自重大，難免與導衛產生刮磨，因此將旁通鑄鐵導槽改為單排底輥托動，改進前后的導衛裝置見圖5。

圖5 改進前后的導衛裝置Fig.5 Guide Device before and after Improvement

此外，Ф23.0 mm盤條采用旁通軋制工藝，即中間有四個彎道工藝路線。原采用單排輪交替方向布置，在生產實踐中發現在活套起落套以及套位調整過程中，鋼的位置都會發生變化，因此將彎道的單排輪改為雙排輪，避免了軋件在軋制過程 中位置變化產生劃傷，改進前后彎道布置見圖6。

圖6 改進前后彎道布置Fig.6 Bend Layout before and after Improvement

3.2 粗中軋鐵型尺寸優化

軋件的高度、寬展與導衛的匹配對于表面質量控制非常重要，特別是在頭尾失張狀態下顯得格外關鍵，而前道次的鐵型高度也直接影響后道次的鐵型寬展。針對Ф23.0 mm的極限規格，結合原始工藝表，建立了《Ф23.0 mm盤條生產控制預案》，包括對各架次鐵型高度、測徑儀尺寸以及軋制速度等參數的控制。通過實踐摸索，對原始工藝控制參數進行優化，能夠有效地控制鐵型的高度和寬展。表1是采用160 mm×160 mm鋼坯時，粗中軋關鍵架次優化前后數據對比。

表1 粗中軋關鍵架次優化前后數據對比Table 1 Comparison of Data before and after Optimization for Key Stands during Rough Rolling and Intermediate Rolling

3.3 減定徑機組多因子回歸

由于受中軋來料以及減定徑機組孔型限制，為了保證多鋼質軋制質量的穩定性，減定徑機組的參數設定非常關鍵。雙模塊機組的軋槽容易過充滿，經過認真分析和現場試驗，確定造成軋槽過充滿的四個關鍵因素分別是29#輥縫、30#輥縫、30#輥縫和1#測徑儀平均直徑。對應最終產品的表面缺陷深度，利用Minitab軟件對以上四個重要因素進行多因子回歸分析。

3.3.1 設計方案及結果

基于Ф23.0 mm規格雙模塊孔型設計，在保證成品尺寸精度的前提下，設立各架鐵型尺寸控制以及輥縫設定范圍見表2。

表2 四個關鍵因子的參數控制范圍Table 2 Control Range for Parameters on Four Key Factors

對近半年上述四個關鍵因子進行數據搜集，并記錄產品表面裂紋缺陷深度，裂紋深度越深說明產品缺陷越嚴重，四個關鍵因子與裂紋深度的數據匯總見表3，對比看出1#測徑儀的平均直徑對裂紋影響非常明顯，平均直徑越大產品缺陷深度越深，31#輥縫越大產品缺陷深度越淺。

3.3.2 試驗結果分析

將上述數據導入Minitab軟件進行多因子回歸分析，以裂紋深度為變量，進行等直線圖以及響應曲面圖分析，找到最佳因子的控制范圍。裂紋深度與各因子的等值線圖見圖7，響應優化器找到最佳控制點圖見圖8。

普通產品表面缺陷深度一般控制在50 μm以內，利用Minitab軟件中等值線圖找到各因子的最佳控制范圍，1#測徑儀平均直徑控制在Ф30.5 mm以內，30#輥縫控制在1.1 mm以內，31#輥縫控制在1.8 mm以上。汽車用產品要求“零缺陷”，利用響應優化器找到最佳因子的控制點，最佳因子的控制點分別是1#測徑儀平均直徑在Ф30.0～Ф30.3 mm，30#輥縫最佳值為1.0 mm，31#輥縫最佳值為2.0mm，29#輥縫因子與裂紋控制不顯著，結合實際尺寸規范現場29#輥縫設定在1.0mm。完善《Ф23.0mm盤條生產控制預案》，使生產過程更加受控。

表3 四個關鍵因子與裂紋深度的數據匯總Table 3 Summarization of Data between Four Key Factors and Depth of Crack

圖7 裂紋深度與各因子的等值線圖Fig.7 Isopleth Map for Depth of Crack and Each Factor

圖8 響應優化器找到最佳控制點圖Fig.8 Map for Optimal Control Points Detected by Response Optimizer

4 優化效果

《Ф23.0 mm盤條生產控制預案》完善后有效地避免了因換規格后表面質量不合格產生廢品的情況，每次換規格后至少減少4根有表面質量問題的廢品。以前受控制能力影響，開軋后需要等待成品冷鐓檢驗合格方可連續生產，冷鐓不合格還需繼續調整等待，預案完善后，每根可節省調整時間60 min。

5 結論

（1）通過將滑動導衛改為滾動導衛，可以控制鑄鐵倒槽劃傷產生的折疊缺陷，產品表面缺陷可控制在30 μm以內。

（2）通過控制軋件高度和寬展，可以有效地降低軋制過程刮磨導衛襯板產生的密排劃傷缺陷，有效控制換鋼質或者換規格后等待產品質量時間。預案完善后，每次換規格后可節省調整時間60 min。

（3）通過Minitab軟件多因子回歸分析，找到最佳參數控制組合，29#輥縫設定1.0 mm，30#輥縫設定1.0 mm，31#輥縫設定2.0 mm，1#測徑儀平均直徑控制在 Ф（30.3±0.2） mm，建立并完善了《Ф23.0 mm盤條生產控制預案》，提高了大規格冷鐓鋼盤條的表面質量。