超低碳鋼邊部缺陷的形成及控制措施

李江委，何士國，王存，王杰，任俊威，賀亮，馮艷斌，王剛

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

冷軋板帶對(duì)邊部質(zhì)量的要求高，在生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行切邊控制，冷軋切邊工藝有一次切邊和二次切邊兩種方式。其中，一次切邊方式在酸軋時(shí)不切邊，在連退工序后再進(jìn)行切邊；而二次切邊方式在酸軋和連退工序時(shí)都進(jìn)行切邊。目前冷軋廠為了提高成材率降低成本，普遍采用一次切邊工藝，但一次切邊工藝對(duì)于熱軋?jiān)系倪叢抠|(zhì)量要求很高，熱軋邊部存在的一些缺陷在冷軋過程中會(huì)產(chǎn)生邊部毛刺，帶有毛刺的軋硬卷進(jìn)入后續(xù)的連退生產(chǎn)線，邊部毛刺會(huì)掉落到退火爐內(nèi)的輥道上，壓入到鋼板表面，產(chǎn)生嚴(yán)重的帶鋼表面質(zhì)量缺陷。因此，軋硬卷出現(xiàn)邊部毛刺問題時(shí)，需要人工將邊部毛刺進(jìn)行清理、打磨，待毛刺完全去除后才能進(jìn)入連退線，既增加了生產(chǎn)成本，又降低了生產(chǎn)效率。

1 原因分析

1.1 超低碳鋼熱軋工藝流程

連鑄板坯→板坯加熱→板坯軋制（粗軋、精軋工序）→層流冷卻→卷取成卷→檢查→入庫→包裝、成品、發(fā)貨

1.2 超低碳鋼邊部缺陷特征和原因分析

超低碳鋼在熱軋板帶材生產(chǎn)過程中，由于帶鋼邊部存在應(yīng)力集中和溫度變化劇烈的問題，易在軋制過程中產(chǎn)生各種邊部缺陷，主要是邊部粗糙、邊部多肉、邊部凹陷等缺陷。熱軋帶鋼生產(chǎn)線生產(chǎn)流程長、工藝復(fù)雜，邊部缺陷一般都是多工序、多因素疊加影響的結(jié)果，因此超低碳鋼邊部缺陷研究需要充分考慮工藝流程和生產(chǎn)線裝備特點(diǎn)來進(jìn)行控制。

1.2.1 邊部粗糙

邊部粗糙缺陷的主要表現(xiàn)為帶鋼邊部側(cè)面不光滑，且小顆粒狀的結(jié)瘤，小結(jié)瘤數(shù)量多，手感明顯,經(jīng)過冷軋軋制后,產(chǎn)生邊部小毛刺，這種缺陷在粗軋軋制過程中產(chǎn)生。

圖1 為不同粗軋出口溫度狀態(tài)下的超低碳鋼邊部狀態(tài)，通過對(duì)比可以看出在RT2低溫狀態(tài)下，帶鋼存在邊部粗糙問題，而RT2高溫狀態(tài)下的帶鋼邊部質(zhì)量良好。統(tǒng)計(jì)超低碳鋼粗軋出口溫度RT2與邊部粗糙缺陷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示，0代表邊部粗糙，1代表邊部良好，可以看出粗軋出口溫度越高，邊部粗糙缺陷越少，粗軋出口溫度越低，邊部粗糙缺陷發(fā)生幾率越高。當(dāng)粗軋出口RT2溫度超過1 050℃后，邊部粗糙缺陷基本消除，與之相對(duì)應(yīng)的加熱出鋼溫度控制在1 240℃以上，采用此方法雖然可以解決超低碳鋼邊部粗糙的問題，但對(duì)應(yīng)的煤氣能耗也會(huì)提高。因此，在中間坯溫降和邊部溫降大沒有有效解決的情況下，可以作為臨時(shí)措施解決邊部粗糙的問題。

圖1 不同粗軋出口溫度狀態(tài)下的超低碳鋼邊部狀態(tài)Fig.1 Edge State of Ultra-low Carbon Steel under Different Temperatures at Exit to Roughing Mill

圖2 超低碳鋼RT2溫度與邊部粗糙之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Corresponding Relation between RT2 Temperature and Edge Roughness of Ultra-low Carbon Steel

超低碳鋼在高于700℃軋制時(shí)，熱軋摩擦因數(shù)μ=0.55-0.000 24 t。 其中，t為軋件溫度，℃，可見熱軋摩擦因數(shù)μ隨著溫度增加而減小。因超低碳鋼含碳量一般在0.003 5%以下，含碳量低，超低碳鋼邊部在低溫狀態(tài)下生產(chǎn)時(shí)，軋制摩擦因數(shù)增大，帶鋼邊部在軋制過程中與立輥接觸產(chǎn)生較大的摩擦力。由于大摩擦力的存在，帶鋼邊部會(huì)產(chǎn)生邊部粗糙缺陷，因此通過提高出爐溫度、粗軋出口溫度，改變了帶鋼邊部與立輥接觸的摩擦因數(shù)，解決超低碳鋼邊部粗糙問題。

熱軋生產(chǎn)過程中帶鋼邊部溫度較中間區(qū)域的溫度偏低，中間坯邊部溫降一般為70～110℃，中間坯邊部溫降越大，帶鋼邊部溫度越低，帶鋼邊部粗糙問題越嚴(yán)重，因此，中間坯溫降和中間坯邊部溫降是解決超低碳鋼邊部質(zhì)量的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

1.2.2 邊部多肉

邊部多肉缺陷多表現(xiàn)為帶鋼邊部側(cè)面有多余的部分，粘結(jié)在帶鋼側(cè)面，此缺陷在鋼卷上的數(shù)量不多，但較邊部粗糙缺陷嚴(yán)重，經(jīng)過冷軋軋制后,產(chǎn)生邊部毛刺，且毛刺相對(duì)偏大，這種缺陷在粗軋軋制過程中產(chǎn)生。

超低碳鋼的邊部多肉缺陷與粗軋立輥的使用周期有關(guān)。粗軋立輥更換周期為一個(gè)月左右，邊部多肉缺陷集中出現(xiàn)在粗軋立輥使用周期的后10天左右，粗軋E2立輥使用末期輥面狀態(tài)如圖3所示。圖中立輥通鋼區(qū)域的輥面存在結(jié)瘤、多肉的問題。粗軋立輥在上機(jī)過程中，由于輥面冷卻效果不好，立輥隨著使用時(shí)間的延長，立輥輥面中后期開始變得粗糙，立輥粗糙的輥面與帶鋼邊部接觸過程中發(fā)生粘著滑動(dòng)，造成輥面、帶鋼邊部都存在結(jié)瘤、多肉問題。通過縮短粗軋立輥使用周期可以解決此類問題，但對(duì)生產(chǎn)組織影響較大，同時(shí)輥耗也會(huì)相應(yīng)增加。

圖3 粗軋E2立輥使用末期輥面狀態(tài)Fig.3 Roll Surface State during Their Final Operation of Vertical Rolls to E2 of Roughing Mill

1.2.3 邊部凹陷

邊部凹陷缺陷是帶鋼邊部側(cè)面上下邊緣鼓出，中間凹陷，也就是側(cè)面出現(xiàn)雙鼓形。摩擦對(duì)帶鋼的側(cè)面形狀有直接影響，在熱軋軋制過程中，由于中間坯溫降、邊部溫降的存在，變形抗力變大，在相同壓下量的情況下，軋機(jī)彈跳增加，壓下率變小，造成軋件變形區(qū)接觸弧長較小，接觸弧的弧長與軋機(jī)入口板坯厚度比偏小，表面變形難以深入到軋件中部。在軋制過程中易出現(xiàn)邊部凹陷缺陷，即雙鼓形。如果邊部凹陷沒有及時(shí)改進(jìn)消除，隨著帶鋼厚度變薄，上下表面的雙鼓形逐漸壓縮，形成邊部夾層，在冷軋軋制過程中產(chǎn)生毛刺缺陷。此外，機(jī)架壓下率分配過小，軋制變形滲透不到軋件中間部位，也會(huì)造成帶鋼上下表面與中間部位的寬展不一致，產(chǎn)生邊部凹陷缺陷。

通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出精軋立輥軋制力與邊部凹陷有相關(guān)性，如圖4所示，0代表邊部凹陷，1代表邊部良好，可以看出精軋立輥軋制力越大，帶鋼邊部凹陷缺陷發(fā)生機(jī)率越高。邊部凹陷主要集中在帶鋼操作側(cè)，當(dāng)精軋立輥軋制力控制在20 t以下時(shí)，邊部凹陷發(fā)生率低。帶鋼在精軋立輥處的側(cè)壓變形僅發(fā)生在帶鋼邊部位置，邊部狗骨形的峰值較高，在機(jī)架壓下率固定的情況下，邊部變形位置存在軋制變形滲透不到中間的現(xiàn)象，經(jīng)過平輥軋制后上下表面寬展較中部大，易產(chǎn)生邊部凹陷缺陷。

圖4 精軋立輥軋制力與邊部凹陷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Corresponding Relationship between Rolling Force of Finishing Vertical Rolls and Edge Depression

因此，機(jī)架壓下率分配不合理是造成邊部凹陷的主要因素，精軋對(duì)中性不好，帶鋼跑偏增加了帶鋼與立輥間的相互作用力，帶鋼邊部增厚，造成帶鋼一側(cè)邊部出現(xiàn)凹陷缺陷。

2 邊部缺陷的控制措施

2.1 改進(jìn)側(cè)噴水裝置

熱軋粗軋機(jī)組在裝機(jī)精度和封水效果方面一般較精軋機(jī)組都要差一些，在粗軋軋制過程中，帶鋼表面會(huì)殘留一定量的軋機(jī)除鱗水、反噴水及除塵水等冷卻水，產(chǎn)線利用側(cè)噴水清理殘留的冷卻水，但側(cè)噴水與高溫狀態(tài)的帶鋼表面接觸，會(huì)帶走一部分熱量，產(chǎn)生溫降。同時(shí)由于側(cè)噴水在實(shí)際使用中存在一定的死角，造成中間坯橫斷面溫度不均勻，邊部溫差增大，因此殘留在帶鋼表面的冷卻水和側(cè)噴水是影響中間坯溫降和邊部溫降的重要因素。為了減小中間坯溫降，在R1、R2軋機(jī)入出口設(shè)計(jì)、安裝了粗軋機(jī)氣噴裝置，粗軋氣噴安裝示意圖如圖5所示。

圖5 粗軋氣噴安裝示意圖Fig.5 Installation Diagram for Air Sprayers to Roughing Mill

圖6 為粗軋機(jī)氣噴裝置吹掃帶鋼表面殘留水實(shí)際效果圖，可以看出氣噴裝置投入使用后，測(cè)量粗軋區(qū)域的溫降，結(jié)果顯示溫降減小了20～30℃，效果非常明顯，有效提升了超低碳鋼的邊部質(zhì)量。

圖6 氣噴吹掃帶鋼表面殘留水效果Fig.6 Effect of Residual Water on Strip Surface by Air Spray Purging

2.2 增加粗軋立輥擋水板裝置

熱軋生產(chǎn)線通常都設(shè)有立輥軋機(jī)，主要作用是利用立輥側(cè)壓調(diào)寬功能，控制帶鋼的成品寬度，由于立輥軋機(jī)是附著在平輥軋機(jī)上，按照排列順序是在平輥軋機(jī)的前面，設(shè)備安裝緊湊、空間狹小。一般的立輥軋機(jī)都沒有立輥輥身擋水板，在生產(chǎn)時(shí)由于立輥的轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，立輥輥身冷卻水對(duì)帶鋼邊部產(chǎn)生異常冷卻，造成帶鋼邊部冷卻速度快、溫降大。

在粗軋立輥冷卻水處設(shè)計(jì)、安裝了立輥擋水板裝置，封水效果如圖7所示，可以看出安裝立輥擋水板后，實(shí)際封水效果良好，利用擋水板的封水作用，控制立輥冷卻水對(duì)帶鋼邊部的異常冷卻，使帶鋼邊部溫度得到有效保證。

圖7 擋水板安裝前后封水效果Fig.7 Water Sealing Effect for Water Baffle before and after Installation

利用橫斷面測(cè)溫儀對(duì)比立輥擋水板安裝前后邊部溫降，具體數(shù)據(jù)如表1所示。E2立輥安裝擋水板后，中間坯邊部溫降由未安裝擋水板前的-35℃減小至-9℃，同比減小26℃，大大降低了帶鋼的邊部溫降，有利于提高超低碳鋼邊部質(zhì)量。

表1 E2擋水板安裝前后邊部溫降對(duì)比Table 1 Comparison of Edge Temperature Drop before and after Installation of E2 Water Baffle ℃

由于立輥輥面冷卻效果不良，粗軋E2立輥在使用末期輥面呈現(xiàn)顆粒狀，并伴有結(jié)瘤、多肉問題，通過安裝立輥擋水板后，立輥冷卻水效果提升，輥面狀態(tài)得到有效改善，粗軋E2立輥加裝擋水板的輥面如圖8所示，立輥輥面呈現(xiàn)光滑面，可以有效提高超低碳的邊部質(zhì)量。

圖8 粗軋E2立輥加裝擋水板的輥面Fig.8 Roll Surface of Vertical Rolls to E2 Rough Rolling Mill after Installation of Water Baffle

2.3 優(yōu)化工藝制度

2.3.1 壓下率

由于超低碳鋼的鋼質(zhì)較軟，軋機(jī)負(fù)荷較其他鋼種相比偏小，而在精軋機(jī)組后幾個(gè)機(jī)架的負(fù)荷相對(duì)前面幾機(jī)架較小，影響二級(jí)負(fù)荷參數(shù)的學(xué)習(xí)，因此需要增加后幾個(gè)機(jī)架的負(fù)荷分配。對(duì)于精軋機(jī)組來說，需要提高來料厚度，即粗軋中間坯厚度，這樣就會(huì)造成粗軋道次壓下率偏小。結(jié)合壓下率對(duì)于超低碳鋼邊部質(zhì)量的影響，確定增加粗軋和精軋道次壓下率的原則：

（1）減少粗軋軋制道次，提高粗軋道次壓下率；

（2）增加中間坯的厚度，提高精軋機(jī)組的機(jī)架壓下率，考慮到精軋寬展主要發(fā)生在前幾個(gè)機(jī)架，確定精軋前兩架軋機(jī)的最小機(jī)架壓下率不能低于45%。

2.3.2 軋機(jī)對(duì)中系統(tǒng)控制

對(duì)于僅有立輥起對(duì)中作用的精軋機(jī)組，帶鋼、精軋立輥和精軋機(jī)內(nèi)導(dǎo)尺三者的相對(duì)位置對(duì)整個(gè)軋機(jī)對(duì)中起主要作用，軋機(jī)對(duì)中系統(tǒng)運(yùn)行效果不好時(shí)，帶鋼在精軋機(jī)內(nèi)易跑偏，精軋立輥軋制力增大，造成帶鋼邊部凹陷，這種邊部凹陷主要集中在帶鋼尾部偏一側(cè)的位置。

對(duì)精軋導(dǎo)尺短行程量和導(dǎo)尺余量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，結(jié)果分別如表2、表3所示。通過減小導(dǎo)尺開口度提高帶鋼在精軋機(jī)內(nèi)的對(duì)中能力，調(diào)整帶鋼在精軋機(jī)內(nèi)中心線與精軋立輥中心線一致，精軋立輥軋制力可以控制在一定范圍 （精軋立輥軋制力控制在5～15 t最優(yōu)），超低碳鋼尾部一側(cè)邊部凹陷缺陷問題能夠得到有效控制。

表2 精軋導(dǎo)尺短行程量優(yōu)化Table 2 Optimization of Short Stroke Capacity of Guide Ruler to Finishing Mill mm

表3 精軋導(dǎo)尺余量優(yōu)化Table 3 Optimization of Allowance of Guide Ruler to Finishing Mill mm

3 效果驗(yàn)證

通過安裝粗軋氣噴裝置和立輥擋水板、確定最小壓下率、優(yōu)化精軋導(dǎo)尺等措施，超低碳鋼邊部質(zhì)量得到極大提升，解決了超低碳鋼邊部粗糙、多肉、凹陷等質(zhì)量問題，改進(jìn)后鋼卷邊部質(zhì)量良好，改進(jìn)后超低碳鋼邊部狀態(tài)見圖9。熱軋鋼卷毛邊邊部質(zhì)量合格率達(dá)到98.51%，能夠穩(wěn)定供貨。

圖9 改進(jìn)后超低碳鋼邊部狀態(tài)Fig.9 Edge State of Improved Ultra-low Carbon Steel

4 結(jié)論

（1）通過將加熱出鋼溫度提高到1 240℃以上，能夠改善、解決超低碳鋼邊部粗糙問題，但對(duì)應(yīng)的煤氣能耗也會(huì)提高，在中間坯溫降和邊部溫降大沒有有效解決的情況下，可以作為臨時(shí)措施使用。

（2）安裝粗軋氣噴裝置和粗軋E2立輥擋水板，可減小中間坯溫降20～30℃，減小中間坯邊部溫降26℃，改善立輥輥面，解決了超低碳鋼邊部粗糙、多肉問題。

（3）通過調(diào)整道次壓下率和軋機(jī)對(duì)中能力，確定了精軋各個(gè)機(jī)架導(dǎo)尺最大開口度以及精軋前兩個(gè)機(jī)架的最小壓下率不能低于45%，從而解決了超低碳鋼邊部凹陷的問題。