冷軋薄規格軋硬卷邊裂原因分析及改進

張永鋼, 于俊軒

(新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠)

1 問題的提出

2018年八鋼冷軋生產線完成酸連軋改造后,軋機產能大幅提升,本廠下游工序只能消化部分產能,急需開拓下游市場。響應國家“一帶一路”的倡議,八鋼大力拓展西部地區產品市場,與俄羅斯鍍鋅企業合作開發了專用冷硬卷產品SPCC-1H,主要規格在(0.27～0.35)×1250(mm)。在軋制專用冷硬卷產品SPCC-1H過程中出現了邊裂缺陷問題,不僅影響了產品的交貨,還對軋機的穩定生產帶來了影響。通過對邊裂缺陷的形貌辨識、缺陷金相分析,查找并分析了造成邊裂缺陷的原因,結合現場工藝條件提出針對性改進措施。

2 邊裂原因概述

由于冷軋板的連軋生產具有壓下率高、軋制力大、張力大、帶鋼薄等特點,極易使成品鋼帶產生邊裂缺陷,造成產品廢品率上升。 冷軋板的邊裂缺陷是指在冷軋鋼帶邊緣沿長度方向的單側或兩側出現破裂、呈裂口狀的缺陷(見圖1和圖2)。不同的生產工況表明,冷軋板出現邊裂缺陷的原因有多種, 包括由于原料寬度尺寸不足導致的酸洗圓盤剪切邊不良或間隙量調整不到位,導位裝置變形或平行度偏離;熱軋冷軋工藝技術方面存在鋼板寬展方向顯微組織控制不當等。采用金相檢驗分析等手段從原料質量到熱軋板、 冷軋板橫縱向顯微組織結構變化進行對比分析, 探究其邊裂缺陷的形成原因,為消除邊裂缺陷,提高冷軋板表面質量提供依據。

圖1 冷軋板典型邊裂形貌

圖2 冷軋板鋸齒邊邊裂缺陷

2.1 熱軋終軋溫度與邊部混晶寬度

由于熱軋帶鋼邊部散熱較中部快,使邊部帶鋼的相變先于中間部分帶鋼發生,相變產生的先共析鐵素體長大造成邊部混晶。測量缺陷卷邊裂深度 ,追溯熱軋終軋溫度并取樣通過金相圖加以驗證。

分別對熱軋終軋溫度在840°、860°、870°卷取溫度640°原料卷在熱軋平整工序鋼卷頭部操作側(C)和傳動側(D)分別沿鋼卷邊部依次取樣進行金相檢驗,取樣位置見圖3。

表1 冷軋板邊部質量與熱軋終軋溫度情況

圖3 熱軋卷取樣位置

熱軋卷94466010030熱軋終軋溫度在840°操作側樣品C1,鋼卷邊部組織鐵素體+少量珠光體,組織混晶,大晶粒晶粒度7.5級,小晶粒晶粒度9.5級(見圖4a);操作側樣品C2,組織:鐵素體+少量珠光體,表面比內部晶粒粗大,表面晶粒度7.5(見圖4b),內部組織晶粒度8.5級;操作側樣品C3,組織:鐵素體+少量珠光體,組織均勻,晶粒度8級(見圖4c)。

圖4 熱軋卷94466010030熱軋終軋溫度在840°取樣金相組織

根據對不同終軋溫度的熱卷邊部金相分析,距鋼卷邊部20mm操作側與傳動側均出現了混晶,隨著終軋溫度的升高,混晶的深度減少,在終軋溫度在870°時混晶的深度減少到20mm以內。

由于熱軋終軋溫度波動會形成距鋼卷邊部混晶的深度的對應變化,需要對熱軋終軋溫度進行控制,超過切邊部分的邊部混晶在冷軋軋制后會形成邊裂。

2.2 冷軋工藝控制影響

軋制極薄帶鋼時,總壓下量均超過85%,若成品道次壓下量太小,會造成帶鋼加工硬化增大、軋制力增大,經冷軋大張力軋制后帶鋼發生邊裂。

要有效降低機架的軋制力, 主要而又可靠的手段是張力的調整和壓下量的重新分配: 一般薄板軋機可根據軋輥直徑估算出最小可軋厚度:

D≤ 1000h最小 。

根據最小可軋厚度公式:

式中:D-工作輥直徑,mm;

E-軋輥彈性模量,Pa;

f-軋輥與軋件間的摩擦系數;

K-軋件平面變形抗力,K= 1.15 es;

e平-軋件平均張應力;

e平= ( e0+e1)/2, e0、e1為后、前張力。

由式(1) 可看出, 要軋制出厚度更薄的帶鋼,應采取兩項措施:

(1) 有效地減小金屬在軋制過程中的實際變形抗力。采取增大機架變形量, 減小前機架的整體變形量, 從而可延緩加工硬化過程, 有效降低入口帶鋼的變形抗力。

(2) 提高軋件平均張應力 e平, 可使h最小減小,從而可獲得厚度更薄的產品。

根據單位軋制力的計算理論, 單位軋制力是屈服應力(K), 入口張力、出口張力、摩擦系數和 輥縫幾何形狀的隱函數, 屈服應力是變形量、變形率和溫度的函數。

式中:a1、a2-與軋機無關的常數;

f(t)-張力對變形抗力的影響函數;

Lp-帶鋼的塑性變形區長度;

Pe-彈性變形軋制力;

k-軋件的變形抗力;

f(x)-與軋制區與輥縫形狀有關的函數。

從式(2)可看出, 通過增大成品機架的前、后張力可以降低軋制力。

為了改善冷軋板形質量,現代軋制均設有液壓彎輥裝置,通過調整工作輥彎輥力來調整板形,采用工作輥彎曲時,液壓彎輥力通過工作輥軸承座傳遞到工作輥輥徑上,使工作輥發生附加彎曲,若彎輥力設置不合適,會造成帶鋼邊部應力集中,發生邊裂。

通過調整張力和彎輥力能夠改善帶鋼邊部應力集中,減少邊裂。

2.3 冷軋酸洗切邊質量影響

圓盤剪設備由左右兩副圓盤剪刀具, 剪刃間隙、重合量調整機構,剪切成品寬度調整機構、開口度調整機構以及前后張力系統和壓緊輥等組成,圓盤剪投入生產進行剪邊時, 兩邊圓盤剪的上下剪刃均用外側刃進行剪邊動作, 被剪切鋼板在上下剪刃間運行; 圓盤剪剪刃的雙側都有刃口具備剪切功能。

冷軋軋制前一般會進行切邊,以消除來料的寬度波動,切邊寬度在10～12mm,如熱軋帶鋼邊部質量不良且寬度較大,冷軋酸洗采取一般的切邊處理不能有效去除;若酸洗圓盤剪側間隙和重疊量設置不合理或剪刃損壞均可能造成帶鋼切邊不良,經軋機軋制后發生邊裂(鋸齒邊)現象如圖2所示。

3 邊裂實例分析

通過分析認為,產生冷軋邊損邊裂的根本原因是軋制時冷軋基板難以達到均勻變形。能夠影響冷軋基板不均勻變形的因素均會不同程度地影響到冷軋板形成邊損邊裂缺陷,越易造成不均勻變形的因素就越易使冷軋板產生邊損邊裂缺陷。如冷軋基板中的內外缺陷、組織不均、夾雜及軋制設備調整不當等。

按照形貌缺陷,某鋼廠將冷軋SPCC鋼時常見的邊損邊裂分為4類:周期性或通卷性邊損邊裂、長缺口邊損邊裂、連續性鋸齒狀缺口邊損邊裂和短缺口邊損邊裂。圖5a為周期性或通卷性邊損邊裂缺陷,圖5b 為長缺口邊損邊裂,圖5c為連續性鋸齒狀缺口邊損邊裂,圖5d為短缺口邊損邊裂。

圖5 冷軋SPCC鋼時常見的邊損邊裂

八鋼冷軋生產實踐表明,周期性或通卷性邊損邊裂的產生是因為圓盤剪剪刃不良,更換圓盤剪后可完全消除。將帶有長缺口邊損邊裂的冷硬卷開卷后,發現長缺口內部一般伴隨有條狀的翹皮缺陷,如圖a所 示,部分翹皮可掀開。采用掃描電鏡對翹皮下方進行EDS成分分 析,可見 O、F、Na、Mg和 Ca 等成分的存在。這表明,冷軋過程長缺口邊損邊裂的產生是由于冷軋基板邊部存在翹皮缺陷。冷軋基板經圓盤剪切邊后,如翹皮缺陷正好殘留在基板邊部,將造成冷軋過程中變形不均勻,并首先在缺陷處形成微裂紋,最終形成長缺口邊損邊裂。

4 結語

造成冷軋薄板邊損邊裂的原因主要有: 熱軋終軋溫度與邊部混晶寬度、冷軋工藝控制和冷軋酸洗切邊質量。

優化熱軋工藝,調整熱軋終軋溫度,卷取溫度,避免基板在兩相區軋制,提高冷軋基板組織的均勻性,并且冷軋基板邊部缺陷的控制需要從煉鋼—連鑄—熱軋全流程考慮, 煉鋼降低殘余元素含量,連鑄避免產生角裂、卷渣 和皮下氣泡等缺陷,熱軋杜絕異物壓入。

優化冷軋軋機壓下率分配、彎輥力及張力設定。 控制第一道次和成品道次壓下量,第一道次控制金屬橫向流動,控制邊部晶粒組織;增大成品道次壓下量,減少因前道次加工硬化造成的邊裂。減少F1-F4的彎輥力,以減少邊部應力集中,F5機架根據帶鋼流向控制好成品板型。按照單位張力逐機架增大,總張力逐機架遞減的原則重新修正機架間張力,同時增大F1軋機入口張力。

調整冷軋圓盤剪剪刃更換周期由原來的過鋼量250km降低為200km,以降低剪刃磨損和崩刃等問題帶來的帶鋼邊部切不良問題。

通過對邊裂原因的分析與工藝改進:八鋼冷軋生產的SPCC-1H因邊裂缺陷封閉率由原來的7%下降至0.5%。