消除冷軋過(guò)程鋼帶滑動(dòng)研究

BlueScope鋼鐵公司在位于澳大利亞維多利亞的黑斯廷斯市西港工廠的冷軋車間有5機(jī)架冷軋機(jī)組(FSM)。該FSM是由一組串列式冷軋機(jī)組成，主要產(chǎn)品為薄板，并為下游鍍層線、涂層線、罩式退火以及平整線供應(yīng)原料。

　　在軋制薄規(guī)格產(chǎn)品(帶鋼出口厚度一般小于0.45mm)時(shí)，F(xiàn)SM有時(shí)出現(xiàn)“滑動(dòng)”問(wèn)題。當(dāng)輥縫出口處的工作輥速度大于帶鋼速度時(shí)，就發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象。這會(huì)引起單機(jī)架無(wú)法控制的工藝波動(dòng)，造成帶鋼厚度出現(xiàn)變化。在極端情況下，當(dāng)軋制速度非常高時(shí)還會(huì)出現(xiàn)斷帶現(xiàn)象，這會(huì)造成生產(chǎn)停頓，需要將廢鋼從冷軋機(jī)中清除，停工期一般為2～12h。

　　為了監(jiān)測(cè)滑動(dòng)問(wèn)題，該廠FSM的所有冷軋機(jī)架的頂部都安裝了加速度測(cè)量?jī)x，測(cè)量軋機(jī)機(jī)架的垂直方向運(yùn)動(dòng)，并用來(lái)監(jiān)測(cè)100～1000Hz頻率范圍內(nèi)的機(jī)架振動(dòng)幅度大小。當(dāng)監(jiān)測(cè)到機(jī)架出現(xiàn)大的振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)做出反應(yīng)來(lái)降低軋制速度，穩(wěn)定軋制過(guò)程，從而降低機(jī)架振動(dòng)幅度，因此使出現(xiàn)帶鋼斷裂的可能性降至最低。不過(guò)，降低軋制速度也意味著明顯降低FSM的生產(chǎn)率，從而影響了冷軋產(chǎn)品向下游工藝生產(chǎn)線的供應(yīng)。

　　FSM的精軋機(jī)架使用粗糙、經(jīng)毛化后的工作輥軋制所有通過(guò)機(jī)組的產(chǎn)品。毛化后的工作輥能使經(jīng)冷軋后的帶鋼表面產(chǎn)生一定的粗糙度。第5機(jī)架上的軋制力控制在一定設(shè)定值，這將有助于使最終產(chǎn)品獲得良好的平直度。如果該機(jī)架的軋輥粗糙度高且軋制力相對(duì)較弱，則在軋制薄規(guī)格產(chǎn)品時(shí)，該機(jī)架上的帶鋼厚度壓下量一般低于1%。利用這個(gè)信息，則可計(jì)算出前一機(jī)架的前滑值，前提是假設(shè)第4機(jī)架上的帶鋼出口速度與第5機(jī)架工作輥速度相同。如果第5機(jī)架上壓下量低，則這一假設(shè)是成立的。

　　在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)54卷同一規(guī)格低碳鋼(2.6×0.42×940mm)在經(jīng)過(guò)FSM軋制時(shí)，計(jì)算了第4機(jī)架上的前滑值。計(jì)算結(jié)果表明，隨著第4機(jī)架上軋制量的增加以及工作輥磨損量的增加，前滑值迅速降低到最小值，約0.1%。當(dāng)前滑值落到低于這一臨界值時(shí)，就可能發(fā)生鋼帶滑動(dòng)。對(duì)于該FSM，當(dāng)?shù)?機(jī)架軋機(jī)工作輥的軋制量達(dá)到350km時(shí)，滑動(dòng)問(wèn)題將變得非常嚴(yán)重，必須更換工作輥。前滑與工作輥磨損之間有非常強(qiáng)的關(guān)系，這是由于隨著工作輥磨損量的增加，工作輥表面粗糙度下降，因此導(dǎo)致輥縫間摩擦的降低。在軋制開(kāi)始時(shí)，工作輥磨削后粗糙度一般在0.4～0.6μgm Ra，而在換輥時(shí)，實(shí)測(cè)第4機(jī)架工作輥粗糙度則低于0.2μgm Ra。

　　無(wú)論是從軋制理論還是從軋制實(shí)踐的觀點(diǎn)分析，存在幾個(gè)軋制參數(shù)，它們影響輥縫內(nèi)的中性點(diǎn)位置。主要的影響因素包括：鋼帶入口張力、出口張力，輥縫間摩擦系數(shù)、壓下量以及帶鋼硬度等。研究表明，控制輥縫間摩擦條件對(duì)降低滑動(dòng)問(wèn)題是極為重要的。

　　影響輥縫摩擦的參數(shù)

　　許多參數(shù)影響了冷軋過(guò)程中的摩擦條件。混合潤(rùn)滑理論認(rèn)為輥縫間摩擦系數(shù)的大小是由輥縫間潤(rùn)滑油膜的厚度以及工作輥與鋼帶表面交互作用等決定的。以下軋制參數(shù)影響了這些表面交互作用，并進(jìn)而影響摩擦系數(shù)。

　　1 工作輥表面粗糙度

　　必須對(duì)軋輥進(jìn)行精心磨削，以保證獲得粗糙度一致的軋輥。一般來(lái)說(shuō)，軋機(jī)每一機(jī)架的工作輥都有規(guī)定的表面粗糙度。當(dāng)工作輥在軋制過(guò)程中磨損時(shí)，軋輥表面粗糙度將降低。

　　2 鋼帶表面粗糙度

　　一般由來(lái)料的熱軋以及酸堿洗條件決定。生產(chǎn)工藝問(wèn)題如熱軋過(guò)程中工作輥表面剝落以及帶鋼在酸堿洗槽中酸洗過(guò)度等，都會(huì)影響冷軋前鋼帶表面原始粗糙度，這對(duì)冷軋機(jī)組的第1機(jī)架而言尤為重要。

　　越往后的機(jī)架，由于“粗糙度傳遞”(工作輥表面毛化影響鋼帶表面)效應(yīng)，鋼帶表面粗糙度主要受前面機(jī)架工作輥表面粗糙度的影響。

　　3 軋制速度

　　軋制速度是顯著影響輥縫間摩擦條件的軋制參數(shù)。隨著軋機(jī)軋制速度的提高，更多的潤(rùn)滑油由于受到“流體動(dòng)力效應(yīng)”的作用而流入到輥縫中。因此，對(duì)冷軋機(jī)組中的后面機(jī)架，只要在軋輥咬入處潤(rùn)滑油供應(yīng)充分，由于軋制速度提高，輥縫間摩擦系數(shù)將快速降低。

　　4 軋制潤(rùn)滑油參數(shù)

　　該參數(shù)影響了輥縫間潤(rùn)滑油供應(yīng)量以及輥縫間潤(rùn)滑水平。它的主要影響參數(shù)包括：用于潤(rùn)滑與冷卻輥縫的油-水乳化液中油的濃度、軋制潤(rùn)滑油在工作輥與鋼帶的表面形成的薄膜厚度、冷卻乳化劑中油的顆粒尺寸分布、軋制潤(rùn)滑油的皂化(SAP)值、油-水乳化液的穩(wěn)定性指標(biāo)(ESI)、軋制潤(rùn)滑油的粘度、冷卻乳化液的溫度、軋制潤(rùn)滑油配料中耐極壓(EP)添加劑的使用(如硫和磷化物添加劑)以及冷卻劑中廢附浮油的含量等。

　　5 冷卻劑工藝參數(shù)

　　該參數(shù)包括向輥縫供應(yīng)軋制潤(rùn)滑油的冷卻劑噴頭的壓力、流量以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，該參數(shù)影響了輥縫入口處油膜的形成。一般而言，冷軋機(jī)采用“溢流”輥縫入口工作條件，即供應(yīng)大量的水/油乳化液用以冷卻工作輥和鋼帶，并潤(rùn)滑工作輥/鋼帶界面。降低冷卻劑噴頭的壓力與流量，就會(huì)發(fā)生所謂的“不能自然咬入”條件。

　　當(dāng)供給輥縫入口處軋制油的供應(yīng)量不足以維持輥縫間的一定油膜厚度時(shí)，就會(huì)發(fā)生不能自然咬入的現(xiàn)象。在這種情況下，輥縫間的油膜厚度將會(huì)降低，因此增加了輥縫間摩擦。冷卻噴嘴堵塞也將引起摩擦條件的局部變化，導(dǎo)致鋼帶平直度以及表面缺陷等問(wèn)題，即所謂的摩擦刮傷。

　　6 鋼帶壓下量以及帶鋼硬度

　　該參數(shù)將影響鋼帶與工作輥之間的壓力，進(jìn)而影響油膜厚度。

　　上述參數(shù)之間相互作用，影響復(fù)雜，還需進(jìn)行深入研究，才能全面理解冷軋過(guò)程中的潤(rùn)滑現(xiàn)象。不過(guò)，目前普遍接受的觀點(diǎn)是，冷軋過(guò)程中的潤(rùn)滑既包括邊界潤(rùn)滑(低速)也包括高速軋制時(shí)的混合潤(rùn)滑(邊界潤(rùn)滑與流體動(dòng)力潤(rùn)滑)。人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專門用來(lái)描述輥縫潤(rùn)滑機(jī)理的潤(rùn)滑模型。總體來(lái)說(shuō)，軋輥磨損以及軋制速度是顯著影響輥縫摩擦條件、進(jìn)而影響滑動(dòng)現(xiàn)象的兩大主要軋制參數(shù)。在冷軋過(guò)程中，隨著軋輥表面粗糙度的降低，潤(rùn)滑油的有效膜厚度(相對(duì)于軋輥/鋼帶表面粗糙度之和)增加，從而降低了輥縫間摩擦與前滑。因此，前滑與軋輥磨損之間存在直接關(guān)聯(lián)的觀點(diǎn)就很容易理解。FSM的軋輥粗糙度和工作輥磨損關(guān)系。利對(duì)BlueScope鋼鐵公司冷軋機(jī)組的研究開(kāi)發(fā)的模型，對(duì)上述關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，而且模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合良好。

　　7 小結(jié)

　　可以通過(guò)冷卻劑流量與溫度的控制實(shí)現(xiàn)所需的冷軋摩擦條件。冷卻劑溫度上升5℃有利于降低FSM的滑動(dòng)問(wèn)題，使軋機(jī)生產(chǎn)效率提高約5%。研究也表明冷卻劑溫度的控制對(duì)實(shí)現(xiàn)最有的輥縫間摩擦條件以及穩(wěn)定冷軋軋制過(guò)程的重要性。因此，將進(jìn)行一些設(shè)備改造，升級(jí)FSM冷卻劑系統(tǒng)中的溫度控制與配套的加熱/冷卻設(shè)備。

　　軋制試驗(yàn)表明，降低冷卻劑流量導(dǎo)致輥縫入口處摩擦條件發(fā)生變化。因此，如果可能的話，在軋制機(jī)架上的出入口側(cè)都必須安裝噴頭，分開(kāi)控制潤(rùn)滑水平(通過(guò)入口噴頭)與軋輥和帶鋼的冷卻(出口噴頭)。而這已經(jīng)列入FSM的未來(lái)改造計(jì)劃中去，改造方案包括優(yōu)化冷卻劑噴頭設(shè)計(jì)，以及在第3和第4機(jī)架的入口與出口側(cè)都安裝冷卻劑噴頭。