SUS304不銹鋼冷軋粘輥現(xiàn)象的改善方法

李均禹 李立新 周 順 彭 洲 蘇 嚴(yán)

(武漢科技大學(xué) 省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430081)

SUS304不銹鋼是一種應(yīng)用廣泛的奧氏體不銹鋼,在其冷軋生產(chǎn)過(guò)程中時(shí)常會(huì)發(fā)生粘輥現(xiàn)象。粘輥是指軋制材料的部分碎片在軋制過(guò)程中不斷粘附累積在工作輥表面,導(dǎo)致工作輥使用壽命縮短、產(chǎn)品表面質(zhì)量惡化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在研究粘輥機(jī)制及其影響因素[1-6]。由于鐵素體不銹鋼的粘輥現(xiàn)象比奧氏體不銹鋼嚴(yán)重得多[7],目前關(guān)于鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的研究較多,而對(duì)奧氏體不銹鋼冷軋粘輥的研究較少。彭艷等[8]建立了冷軋粘著指數(shù)模型,并作為判斷鈦板冷軋粘輥程度的依據(jù),這為判斷奧氏體不銹鋼冷軋粘輥程度提供了思路。

本文以SUS304奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象,在已有粘輥模型的基礎(chǔ)上,考慮冷軋時(shí)軋輥的彈性壓扁以及前后張力等影響,從軋制規(guī)程、軋制速度、軋輥尺寸等方面探究了影響粘輥的主要因素,并提出了具體改進(jìn)措施。

1 粘著指數(shù)模型優(yōu)化

已有的冷軋粘著指數(shù)模型[8]:

λ=f(Ea,M,Tm,ξ50,V,ε,k,p,c,H,h1,r,RZ,ΔγA-B)

(1)

式中:λ為粘著指數(shù),其值與材料性質(zhì)、潤(rùn)滑油性能、軋制工藝參數(shù)等有關(guān);Ea為潤(rùn)滑油吸附能;M為潤(rùn)滑油相對(duì)分子質(zhì)量;Tm為潤(rùn)滑油熔點(diǎn);ξ50為潤(rùn)滑油在50 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度;V為軋輥的圓周速度;ε為壓下率;k、p、c分別為軋件的熱導(dǎo)率、密度和比熱容;H為板材硬度;h1為軋件出口厚度;r為軋輥半徑;RZ為軋輥表面不平度的平均高度;ΔγA-B為界面粘著能?？紤]到不同材料對(duì)于模型的適用情況存在差異,為了更好地表征SUS304不銹鋼在實(shí)際冷軋時(shí)的粘著程度,本文對(duì)其冷軋粘著指數(shù)模型進(jìn)行了優(yōu)化。

1.1 潤(rùn)滑油膜破裂失效的臨界溫度

塑性加工過(guò)程通常處于邊界摩擦狀態(tài),或是以邊界摩擦為主的混合摩擦狀態(tài)。在邊界摩擦狀態(tài),具有潤(rùn)滑作用的潤(rùn)滑劑油膜稱(chēng)為邊界潤(rùn)滑膜。孫建林[9]對(duì)邊界潤(rùn)滑膜失效臨界溫度公式進(jìn)行了推導(dǎo)簡(jiǎn)化:

(2)

式中:R為氣體常數(shù),取8.314 J/(mol·K);Us為軋輥與板材變形區(qū)相對(duì)滑動(dòng)速度。

Gelujiefu等[10]提出了一種接觸表面間相對(duì)滑動(dòng)速度的計(jì)算方法:

(3)

式中:V、Δh、h1分別為軋輥的圓周速度、壓下量和軋件出口厚度。

1.2 輥縫最高溫度

由布洛克滑動(dòng)界面最高溫度模型[11]得到輥縫最高溫度的計(jì)算公式:

(4)

式中:Tmax為輥縫最高溫度;A為形狀系數(shù),取決于熱通量q在熱源寬度w上的分布形式,熱通量均勻分布時(shí)q=qav,A取1.13,半橢圓分布時(shí)A取1.11;qav為熱通量分布平均值;w為熱源寬度,可以近似為變形區(qū)接觸弧長(zhǎng)L;v為熱源速度,可以近似為軋輥與板材變形區(qū)相對(duì)滑動(dòng)速度Us。圖1為假設(shè)的不規(guī)則帶狀移動(dòng)熱源模型。

圖1 移動(dòng)帶狀熱源Fig.1 Moving band-shaped heat source

根據(jù)文獻(xiàn)[12],熱通量平均分布值qav為:

(5)

式中:J為熱功當(dāng)量,取4.184 0 J;m為與摩擦因數(shù)μ有關(guān)的系數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取m=7;P為單位寬度軋制力,根據(jù)Hill對(duì)Bland-Ford公式簡(jiǎn)化后的公式[13]計(jì)算:

(6)

(7)

(8)

式中:ε0為本道次軋前的預(yù)變形量,ε0=(H0-h0)/H0;ε1為本道次軋后的總變形量,ε1=(H0-h1)/H0;H0、h0、h1分別為冷軋前軋件的厚度、本道次軋前軋件的厚度和本道次軋后軋件的厚度。

由于不銹鋼連續(xù)冷軋時(shí)常采用張力軋制,優(yōu)化后的冷軋粘著指數(shù)模型需考慮張力的影響。文獻(xiàn)[15-16]分別給出了張力影響系數(shù)nt的計(jì)算公式:

(9)

(10)

式中:μt為加權(quán)系數(shù),取0.7;tf、tb分別為前后張力;當(dāng)無(wú)張力軋制時(shí),張力影響系數(shù)nt=1。

由于冷軋過(guò)程中材料的變形抗力很大,軋輥會(huì)產(chǎn)生明顯的彈性壓扁現(xiàn)象,此時(shí)變形區(qū)長(zhǎng)度可用西齊柯克公式計(jì)算[17]:

(11)

(12)

計(jì)算鋼板冷軋時(shí)的摩擦因數(shù)[18]:

(13)

1.3 優(yōu)化后的粘著指數(shù)

確定潤(rùn)滑油膜破裂失效的臨界溫度和輥縫最高溫度的計(jì)算公式后,建立優(yōu)化的粘著指數(shù)模型:

ξ50,σφ,γ,h0,h1,r,k,p,c,tf,tb)

(14)

當(dāng)λ′>1時(shí),即Tmax>Tr,此時(shí)輥縫最高溫度高于潤(rùn)滑油膜破裂失效的臨界溫度,潤(rùn)滑油發(fā)生破裂失效,容易產(chǎn)生粘輥現(xiàn)象;當(dāng)λ′<1時(shí),即Tmax

對(duì)粘著指數(shù)模型主要做了如下優(yōu)化:考慮冷軋時(shí)軋輥的彈性壓扁現(xiàn)象,使變形區(qū)長(zhǎng)度和軋輥半徑的計(jì)算更符合實(shí)際;不銹鋼冷軋多采用連軋,需考慮張力的影響,將前后張力作為新的自變量添加到新模型中;結(jié)合冷軋摩擦因數(shù)的影響因子,給出了不同軋輥表面不平度時(shí)摩擦因數(shù)的計(jì)算公式,使不同狀況下的摩擦因數(shù)更精確。

1.4 計(jì)算機(jī)模擬軟件開(kāi)發(fā)

根據(jù)優(yōu)化后的粘著指數(shù)模型,通過(guò)Visual Basic軟件進(jìn)行編程,具有通過(guò)輸入相關(guān)自變量參數(shù)就能計(jì)算得到相應(yīng)冷軋粘著指數(shù)的功能。計(jì)算機(jī)仿真軟件的參數(shù)輸入界面及計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 計(jì)算機(jī)仿真軟件的參數(shù)輸入界面(a)及計(jì)算結(jié)果(b)Fig.3 Interface of parameter input(a) and calculation results(b) of computer simulation software

2 影響粘輥程度的因素

由式(14)可知,粘著指數(shù)λ與潤(rùn)滑油種類(lèi)和性能、軋輥速度、壓下量、材料性質(zhì)、前后張力、軋輥尺寸、軋面粗糙度等因素有關(guān)。下文主要就其中的軋制規(guī)程、軋輥速度、軋輥尺寸、前后張力等因素進(jìn)行探討。

2.1 軋制規(guī)程對(duì)粘著程度的影響

為更好地研究軋制規(guī)程對(duì)SUS304不銹鋼冷軋粘著的影響,對(duì)國(guó)內(nèi)某冷軋廠存在明顯粘著現(xiàn)象的生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行分析。將該生產(chǎn)線(xiàn)的軋制規(guī)程命名為軋制規(guī)程1。在保持總壓下量不變的前提下,改變各道次壓下率,得到軋制規(guī)程2,具體數(shù)據(jù)如表1所示,表中括號(hào)外數(shù)據(jù)為軋制規(guī)程1,括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為軋制規(guī)程2。為考慮單一變量,需控制其他變量保持不變,故不考慮前后張力,取軋制速度V=3.5 m/s,潤(rùn)滑油熔點(diǎn)Tm=50 ℃,運(yùn)動(dòng)黏度ξ50=11 mm2/s,吸附能E=50 kJ/mol,相對(duì)分子質(zhì)量M=350,軋輥半徑r=16 mm,原始粗糙度RZ=2.22 μm,計(jì)算兩種壓下規(guī)程下各機(jī)架對(duì)應(yīng)的粘著指數(shù)λ值,結(jié)果如圖4所示。

表1 軋制規(guī)程1和2Table 1 Rolling schedules 1 and 2

圖4 軋制規(guī)程與粘著指數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relation between rolling schedule and sticking index

從圖4可以看出:由于軋制規(guī)程1各道次的壓下率較大,其粘著指數(shù)整體偏大;優(yōu)化后的軋制規(guī)程2各道次的粘著指數(shù)λ整體在1.1～1.2之間,但仍大于1,說(shuō)明調(diào)整軋制規(guī)程能減少個(gè)別道次粘著指數(shù)較大的情況的發(fā)生,但對(duì)粘輥較嚴(yán)重、各道次粘著指數(shù)普遍偏高的情況,并不能有效地降低其整體粘著指數(shù)。

因此,本文提出了另一種方法來(lái)降低整體粘著指數(shù),即增加軋制規(guī)程的道次,使每一道次的壓下率降低。將軋制規(guī)程從5道次分別增加至6和7道次,具體數(shù)據(jù)如表2所示,括號(hào)內(nèi)的為軋制規(guī)程3,括號(hào)外的為軋制規(guī)程4。

表2 軋制規(guī)程3和4Table 2 Rolling schedules 3 and 4

在保持其他參數(shù)不變的情況下,計(jì)算兩種壓下規(guī)程下各機(jī)架對(duì)應(yīng)的λ值,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,增加了1個(gè)道次的軋制規(guī)程3各道次的粘著指數(shù)基本為1左右,增加了2個(gè)道次的軋制規(guī)程4各道次的粘著指數(shù)均小于1,說(shuō)明通過(guò)增加軋制規(guī)程道次進(jìn)而降低各道次壓下率的方法能有效降低粘著指數(shù)。

2.2 軋制速度和壓下率對(duì)粘著程度的影響

不考慮潤(rùn)滑油性能的影響,在保持其他參數(shù)不變的情況下,按照軋制規(guī)程1模擬3種不同軋制速度與冷軋機(jī)各機(jī)架粘著指數(shù)的關(guān)系,如圖5所示。從圖5可以看出,在相同道次下,軋制速度越大,粘著指數(shù)越大,粘輥越嚴(yán)重。這是由于軋制速度的提高促進(jìn)了變形區(qū)溫度的升高,溫度越高潤(rùn)滑膜越容易破裂,進(jìn)而導(dǎo)致粘輥。當(dāng)軋制速度超過(guò)1.5 m/s時(shí),部分道次的粘著指數(shù)大于1,存在粘輥風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 軋制速度與粘著指數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relation between rolling speed and sticking index

取1.5、2.5、3.5 m/s 軋制速度下軋制規(guī)程1的第1道次為研究對(duì)象,分別計(jì)算10%、15%、20%、25%壓下率下的粘著指數(shù)λ。軋制規(guī)程和計(jì)算結(jié)果分別如表3和圖6所示?？梢钥闯?在軋制速度一定的情況下,隨著壓下率的增加,單道次粘著指數(shù)呈上升趨勢(shì)。軋制速度相同時(shí),壓下率越大,粘著指數(shù)越大;壓下率相同時(shí),軋制速度越大,粘著指數(shù)越大。說(shuō)明通過(guò)降低軋制速度、減小道次壓下率能夠有效降低粘輥程度。

表3 第1道次軋制規(guī)程Table 3 Rolling schedule of the first pass

圖6 壓下率與粘著指數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relation between reduction rate and sticking index

2.3 軋輥尺寸對(duì)粘著程度的影響

不銹鋼冷軋薄板通常用多輥軋機(jī)軋制,多輥軋機(jī)的最大特點(diǎn)之一就是采用小直徑的工作輥。輥機(jī)的輥數(shù)越多,工作輥直徑則越小,軋制帶材越薄,軋制帶材的最小可軋厚度與軋輥直徑成正比[20]。為探究軋輥尺寸對(duì)粘著程度的影響,選取輥徑分別為8、16、24 mm的3種工作輥,其他參數(shù)保持不變,計(jì)算對(duì)應(yīng)的粘著指數(shù)如圖7所示。從圖7可知,軋輥半徑越大,相同道次的粘著指數(shù)越大,說(shuō)明使用更小直徑的軋輥可以在一定程度上降低粘輥傾向。

圖7 工作輥半徑與粘著指數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relation between roll radius and sticking index

2.4 張力對(duì)粘著程度的影響

在軋制薄帶鋼尤其是極薄帶鋼時(shí),由于彈性變形,一定直徑的軋輥不可能再對(duì)相應(yīng)厚度的帶鋼產(chǎn)生壓縮作用,此時(shí)只有采用張力軋制才能使薄帶鋼或極薄帶鋼變形[21],所以探究張力對(duì)軋輥粘著程度的影響十分必要。為了探究單一參數(shù)對(duì)粘著指數(shù)的影響,在原有軋制規(guī)程1的基礎(chǔ)上,考慮前后張力的影響得到軋制規(guī)程5。

為探究張力大小對(duì)粘著指數(shù)的影響,減小前后張力得到軋制規(guī)程6,增加前后張力得到軋制規(guī)程7,分別計(jì)算3種軋制規(guī)程各機(jī)架對(duì)應(yīng)的粘著指數(shù),結(jié)果如圖8所示。由圖8可知:減小前后張力后,粘著指數(shù)整體略微上升;增加前后張力后,粘著指數(shù)整體略微下降,但幾乎可以忽略不計(jì)。前后張力的改變會(huì)引起變形抗力和軋制壓力的變化,從而影響輥縫最高溫度。但從計(jì)算結(jié)果看,通過(guò)增大前后張力來(lái)降低粘著指數(shù)的方法效果并不理想。

圖8 張力與粘著指數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relation between tension and sticking index

2.5 軋輥表面粗糙度和潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)粘著程度的影響

通過(guò)調(diào)整潤(rùn)滑工藝可以降低冷連軋過(guò)程中軋輥的消耗,同時(shí)提高板形質(zhì)量[22]。由式(13)可知,軋輥表面粗糙度和潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度的改變會(huì)影響摩擦因數(shù),進(jìn)而引起粘著指數(shù)的變化。在軋制規(guī)程1的基礎(chǔ)上,選取表面粗糙度RZ分別為1.821 2、2.221 2和2.621 2 mm的軋輥計(jì)算粘著指數(shù),結(jié)果如圖9(a)所示;選取運(yùn)動(dòng)黏度ξ50分別為7、11和15 mm2/s的潤(rùn)滑油計(jì)算粘著指數(shù),結(jié)果如圖9(b)所示?？梢?jiàn)通過(guò)降低軋輥表面粗糙度、提高潤(rùn)滑油黏度能夠在一定程度上降低粘著指數(shù),避免粘輥。

2.6 現(xiàn)場(chǎng)使用效果

將優(yōu)化后的粘著指數(shù)模型應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某冷軋廠,對(duì)發(fā)生明顯粘輥現(xiàn)象的生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行分析,將實(shí)際生產(chǎn)設(shè)定的工藝參數(shù)輸入VB程序,計(jì)算得到的粘著指數(shù)均大于1。然后通過(guò)調(diào)整軋制規(guī)程和軋制速度等工藝參數(shù),將粘著指數(shù)控制在1以?xún)?nèi),再將調(diào)整后的工藝參數(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線(xiàn),粘輥現(xiàn)象得到了明顯改善,證明了該模型的可靠性。

3 結(jié)論

通過(guò)合理調(diào)整軋制規(guī)程,優(yōu)化各道次壓下率,粘著指數(shù)明顯降低;在軋輥正常運(yùn)行速度范圍內(nèi),適當(dāng)降低軋輥軋制速度能夠有效降低粘著指數(shù);在不影響正常生產(chǎn)的前提下,選用更小直徑的軋輥能降低粘著指數(shù);張力大小對(duì)粘著指數(shù)的影響較小;采用表面粗糙度較小的軋輥能夠降低粘著指數(shù);選用黏度較高的潤(rùn)滑油能夠在一定程度上降低粘著指數(shù)。通過(guò)降低粘著指數(shù),能夠有效改善冷軋SUS304不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量,降低對(duì)軋輥的損耗,從而降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率。