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森吉米尔20辊轧机不锈钢冷轧工艺产品缺陷控制

1 二十辊轧机介绍(CRM)

1.1 设备特性
   二十辊森吉米尔轧机是目前轧辊数最多的轧制极薄带材的轧机,适于轧制变形阻力大的合金带材。二十辊森吉米尔轧机中,一对小直径的工作辊由 18 个支承辊排列为三排依次支承,具有良好的各向刚性,可承受较大的轧制力和水平带材张力,轧制能耗低、成品精度高、厚度薄,具有如下优点 :
(1)工作辊直径小,最小可轧厚度减小,且轧制压力较低。二十辊森吉米尔轧机中,工作辊与支撑辊的直径比可达 1∶10,而四辊冷轧机一般为 1∶3~1∶4,因此可大大缩小变形区长度,在给定的轧制力下单位压力增加,可以采用大压下量进行轧制。
(2)辊系的排列形式及结构特点可保证小直径工作辊沿其辊身长度方向在垂直和水平面上具有很高的刚度。
(3)由于工作辊直径小,工作辊弹性压扁很小,不经中间退火即可用较少道次轧制难变形金属和合金,并可获得很薄的带材。
(4)由于装有轧辊辊型控制装置和带钢边缘板形控制装置,可以在轧制过程中控制支撑辊和工作辊的辊型。美国轧制硅钢宽度 120mm 时,最薄可达 0.002mm;日本轧制不锈钢宽度 200mm 时,最薄可达 0.01mm,且可保证轧出的钢带具有很高的厚度精度、平面度和表面质量。
(5)采用多支点梁的背衬轴承支撑辊和整体机架,保证了工作机座具有很大刚性,从而使钢带在宽度和长度方向上达到很窄的厚度公差范围。
(6)装有计算机控制系统,轧制过程控制自动化程度很高、控制精度高、响应速度快,适于轧制高强度金属及合金等材料。
1.2 影响冷轧的因素
(1)摩擦系数(轧制润滑剂):不锈钢冷轧也必须使用轧制润滑剂,其目的是减少轧辊和钢板接触面上的摩擦,减小轧制压力和所需的动力,改善表面状态并提高轧辊的冷却效果。
冷轧使用的润滑剂有矿物油、棕榈油和乳化液等,质量应符合标准规定,使用前要过滤,重要的是在以后退火中不能在板面上留下残迹。
   轧辊和钢板间的摩擦系数因润滑油的种类和润滑方法而不同,和轧辊、钢板的表面状态以及轧制时的条件(温度、速度、压下率)也有关,通常在 0.04~0.15 之间。
(2)前后张力:冷轧时的张力对轧制压力有很大影响,也是影响板形和板厚的重要因素。不锈钢冷轧需要较大的轧制张力。可逆式冷机的张力来自于轧机前后的卷取机。不同的轧机、不同的钢种和不同的厚度,设定不同的张力(当然应在屈服点以下)。森吉米尔轧机的轧制张力(单位张力)为:Ni 系钢 390~490MPa;Cr系钢为 295~390MPa。一般前张力比后张力稍大,但在生产 0.5mm 厚以下带材时,可选用后张力等于或略大于前张力。
(3)轧制速度:在轧制硬而薄的材料时,轧制速度也影响轧制压力和钢板厚度。多辊轧机是在高速下轧制,例如 8 辊轧机的的通板速度最大可达 300m/min;而 20 辊森吉米尔的轧制速度甚至可达 800m/min。
(4)轧辊:冷轧机使用的轧辊必须有高的硬度、强度和高耐磨性,同时还必须有一定的韧性。多辊冷轧机使用的轧辊材质为高铬钢和高速钢。不同部位的辊子应选择不同成分的钢。为保证冷轧产品的表面质量,对工作辊的表面有严格要求,不仅要有一定的光洁度,而且不得有任何肉眼可见的缺陷(裂纹、压坑、压痕、研磨纹、螺旋纹等)。轧辊使用前都要经过细致的研磨和检查。在轧制过程中还要带钢表面勤作检查,发现问题立即换辊。所以轧制不锈钢时工作辊更换很频繁,一般每轧一卷至少要换两次有时甚至要数次换辊。故要专门设置一个研磨间。研磨工作辊的车床必须有高精度,研磨精度要求达到 5μm(0.005mm)。
2 入口来料钢卷的材料特性
目前不锈钢的钢种类别主要有四大类,即铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体型不锈钢和双相不锈钢。固态金属及合金都是晶体,即在其内部原子是按一定规律排列的,排列的方式一般有三种即:体心立方晶格结构、面心立方晶格结构和密排六方晶格结构。金属是由多晶体组成的,它的多晶体结构是在金属结晶过程中形成的。组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构: 910℃ 以下为具有体心立方晶格结构的α—铁,910℃以上为具有面心立方晶格结构的γ—铁。如果碳原子挤到铁的晶格中去,而又不破坏铁所具有的晶格结构,这样的物质称为固溶体。碳溶解到α—铁中形成的固溶体称铁素体,它的溶碳能力极低,最大溶解度不超过 0.02%。而碳溶解到γ—铁中形成的固溶体则称奥氏体,它的溶碳能力较高,最高可达 2% 。奥氏体是铁碳合金的高温相。钢在高温时所形成的奥氏体,过冷到 727 ℃ 以下时变成不稳定的过冷奥氏体。如以极大的冷却速度过冷到 230 ℃ 以下,这时奥氏体中的碳原子已无扩散的可能,奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的α固溶体,称为马氏体。由于含碳量过饱和,引起马氏体强度和硬度提高、塑性降低,脆性增大 。
3 二十辊轧机冷轧工序产品的主要表面质量要求
轧制产品应达到客户订单所要求的冷轧带钢目标厚度,并确保在订单的有效公差范围内;通过一定的压缩比,改善金属的金相组织;产品要求达到一定的表面要求(比如:BA 光亮表面,Super8K 镜面表面,2B表面,2BB 光亮表面,No.3/No.4/HL 等修磨表面,毛化表面,花纹表面等)。
4 二十辊轧机冷轧工序的主要缺陷类别及其预防控制措施
表面缺陷的形成有两方面原因:一是原料带来的,在冷轧过程中暴露,并继续保持或残留下来的缺陷;二是在冷轧过程中产生的缺陷。
4.1 原料带来的缺陷
不锈钢含有较高的合金元素,有较发达的柱状晶和在高温下存在第二相组织,造成热塑性较低。若热加工出现表面裂纹,即使修磨消除也往往由于残留缺陷而保留在成品表面。不锈钢铸坯表面缺陷如清理不彻底,会对成品表面质量造成影响。热轧过程中,由于轧辊的硬度、冷却强度及其均匀性不足,造成热轧钢带表面辊印、网格等缺陷。这些缺陷在冷轧工序是不能去除的,而且在整个钢带表面周期性分布,对成材率影响极大。热轧钢带在冷轧前进行表面修磨是对冷轧前工序钢带表面质量控制的最终手段。
4.2 冷轧工序产生的缺陷
冷轧工序机组很多,每个机组和单体设备均可能造成表面缺陷,而且往往是连续性的或周期性的。下重点阐述冷轧工序中二十辊轧机生产线比较容易产生的几类冷轧主要缺陷类别及其有效预防控制措施。
(1)冷轧划痕:该类缺陷主要来自于每卷带钢头尾部,轧制中受卷筒轴卷取张力的影响而产生,特别是 BA 光亮表面 1.2mm 以上的厚料此类缺陷尤其明显。针对此类缺陷在轧制时注意加强带钢头尾卷取张力的监控,对厚料轧制时必须确保卷取轴建张或消张时张力控制的稳定性。
(2)冷轧凹坑或印痕:在大轧制力的运行条件下,工作辊辊面表层出现疲劳掉肉或者有异物小颗粒黏附在工作辊表面即会产生此类缺陷。首先必须注意确保所采购的工作辊其辊面硬度满足工艺要求的前提下,日常生产运营过程中辊磨床间(RGS)须控制好工作辊辊面疲劳层的磨削量,而同时二十辊冷轧机生产线(CRM)则须严格控制轧制中使用一对新工作辊的总轧制道次数。
(3)锥度辊压痕(车胎花纹):该类缺陷主要是一中间辊辊面损伤所致。对辊磨床间(RGS)须控制好一中间辊/辊面疲劳层的磨削量;二十辊冷轧机生产线(CRM)则须根据机架辊系的差异性及不同的钢种材料特性合理分配每道次压下量和轧制张力匹配,从而有效预防轧制力过大而损伤轧辊辊面。
(4)振动痕:辊磨床间(RGS)须严格控制磨削工艺,以免在工作辊、一中间辊、二中间辊及支撑辊的辊面上形成隐性振动痕,最终在带钢表面产生不同周期的振动痕;二十辊冷轧机生产线(CRM)须注意预防轧制中在前几道次出现打滑现象,从而可能在带钢表面产生至最后道次都无法完全消除的连续性振动
痕。
(5)挤油辊擦伤:由于二十辊轧机轧制中经常处于高速运行状态,极易产生擦伤类缺陷。对于挤油辊系统,我们必须严格控制挤油辊擦拭器的定期更新保养;并且关注挤油辊的辊径匹配性及辊面再修磨质量(如羊毛辊的辊面硬度和凸度要求)。
(6)板面条纹或发白:主要控制好每卷前几道次及最后三道次的压下量,冷却油量,轧制速度;采用合适成分的冷轧轧制油。
(7)油斑类缺陷:加强控制挤油辊擦拭器的挤油效果,合理设置擦拭器的压力;合理选用冷轧轧制油类别,特别需关注轧制油油品特性中的退火清净性能。
(8)心轴卷取折痕:特别针对目标厚度 1.0mm 以下规格,根据钢卷的材料特性采用合适的轧制单位张力并合理选用钢套筒。
(9)纸印痕或纸斑:严格控制好最后道次的实际压下量及轧制速度,以有效控制带钢的板面温度;关注轧机末道次使用的中间垫纸之纸面粗糙度(垫纸品质特性)。
(10)板形不良:板形直观来说是指板带材的翘曲度,其实质是板带材内部残余应力的分布。只要板带材内部存在残余应力,即为板形不良。如残余应力不足以引起板带翘曲,称为“潜在” 的板形不良;如残余应力引起板带失稳,产生翘曲,则称为“表观”的板形不良。常见的板形缺陷有边部波浪、中间波浪、单边波浪、二肋波浪和复合波浪等多种形式,主要是由于轧制过程中带材各部分延伸不均,产生了内部的应力所引起的。众所周知,影响板形的主要因素有以下几个方面: 轧制力的变化、来料板材凸度的变化、原始轧辊的凸度、板宽度、张力、轧辊接触状态、轧辊热凸度的变化等等。为了得到高质量的轧制带材,必须随时调整轧辊的辊缝去适合来料的板凸度,并补偿各种因素对辊缝的影响。对于不同宽度、厚度、合金的带材只有一种最佳的凸度,轧辊才能产生理想的目标板形。因此,板形控制的实质就是对承载辊缝的控制,与厚度控制只需控制辊缝中点处的开口精度不同,板形控制必须对轧件宽度跨距内的全辊缝形状进行控制。基于此,对于不同规格及不同材料特性的板材,必须考虑二十辊轧机整个辊系中不同轧辊系列的锥度或凸度的合理选用,以确保轧制中板形控制的精确性。
5 结语
由于二十辊轧机整个系统运行工况的复杂性以及不锈钢钢卷材料特性的多样性和客户定单产品表面要求的差异性,而且在不锈钢板材的生产过程中较多的产品缺陷均来自二十辊轧机的冷轧工序段,对二十辊轧机的设备性能和工艺参数的如何合理匹配优化以有效地降低冷轧工序段主要缺陷的比例,一直是不锈钢板材生产的主要追求目标。

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本文来源冷轧基础研究

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