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消除冷轧过程钢带滑动研究
作者:this | 发布时间: 2017-12-22

    BlueScope钢铁公司在位于澳大利亚维多利亚的黑斯廷斯市西港工厂的冷轧车间有5机架冷轧机组(FSM)。该FSM是由一组串列式冷轧机组成,主要产品为薄板,并为下游镀层线、涂层线、罩式退火以及平整线供应原料。
    在轧制薄规格产品(带钢出口厚度一般小于0.45mm)时,FSM有时出现“滑动”问题。当辊缝出口处的工作辊速度大于带钢速度时,就发生滑动现象。这会引起单机架无法控制的工艺波动,造成带钢厚度出现变化。在极端情况下,当轧制速度非常高时还会出现断带现象,这会造成生产停顿,需要将废钢从冷轧机中清除,停工期一般为2~12h。
    为了监测滑动问题,该厂FSM的所有冷轧机架的顶部都安装了加速度测量仪,测量轧机机架的垂直方向运动,并用来监测100~1000Hz频率范围内的机架振动幅度大小。当监测到机架出现大的振动时,系统就会做出反应来降低轧制速度,稳定轧制过程,从而降低机架振动幅度,因此使出现带钢断裂的可能性降至最低。不过,降低轧制速度也意味着明显降低FSM的生产率,从而影响了冷轧产品向下游工艺生产线的供应。
    FSM的精轧机架使用粗糙、经毛化后的工作辊轧制所有通过机组的产品。毛化后的工作辊能使经冷轧后的带钢表面产生一定的粗糙度。第5机架上的轧制力控制在一定设定值,这将有助于使最终产品获得良好的平直度。如果该机架的轧辊粗糙度高且轧制力相对较弱,则在轧制薄规格产品时,该机架上的带钢厚度压下量一般低于1%。利用这个信息,则可计算出前一机架的前滑值,前提是假设第4机架上的带钢出口速度与第5机架工作辊速度相同。如果第5机架上压下量低,则这一假设是成立的。
    在实际生产过程中,对54卷同一规格低碳钢(2.6×0.42×940mm)在经过FSM轧制时,计算了第4机架上的前滑值。计算结果表明,随着第4机架上轧制量的增加以及工作辊磨损量的增加,前滑值迅速降低到最小值,约0.1%。当前滑值落到低于这一临界值时,就可能发生钢带滑动。对于该FSM,当第4机架轧机工作辊的轧制量达到350km时,滑动问题将变得非常严重,必须更换工作辊。前滑与工作辊磨损之间有非常强的关系,这是由于随着工作辊磨损量的增加,工作辊表面粗糙度下降,因此导致辊缝间摩擦的降低。在轧制开始时,工作辊磨削后粗糙度一般在0.4~0.6μgm Ra,而在换辊时,实测第4机架工作辊粗糙度则低于0.2μgm Ra。
    无论是从轧制理论还是从轧制实践的观点分析,存在几个轧制参数,它们影响辊缝内的中性点位置。主要的影响因素包括:钢带入口张力、出口张力,辊缝间摩擦系数、压下量以及带钢硬度等。研究表明,控制辊缝间摩擦条件对降低滑动问题是极为重要的。
    影响辊缝摩擦的参数
    许多参数影响了冷轧过程中的摩擦条件。混合润滑理论认为辊缝间摩擦系数的大小是由辊缝间润滑油膜的厚度以及工作辊与钢带表面交互作用等决定的。以下轧制参数影响了这些表面交互作用,并进而影响摩擦系数。
    1 工作辊表面粗糙度
    必须对轧辊进行精心磨削,以保证获得粗糙度一致的轧辊。一般来说,轧机每一机架的工作辊都有规定的表面粗糙度。当工作辊在轧制过程中磨损时,轧辊表面粗糙度将降低。
    2 钢带表面粗糙度
    一般由来料的热轧以及酸碱洗条件决定。生产工艺问题如热轧过程中工作辊表面剥落以及带钢在酸碱洗槽中酸洗过度等,都会影响冷轧前钢带表面原始粗糙度,这对冷轧机组的第1机架而言尤为重要。
    越往后的机架,由于“粗糙度传递”(工作辊表面毛化影响钢带表面)效应,钢带表面粗糙度主要受前面机架工作辊表面粗糙度的影响。
    3 轧制速度
    轧制速度是显著影响辊缝间摩擦条件的轧制参数。随着轧机轧制速度的提高,更多的润滑油由于受到“流体动力效应”的作用而流入到辊缝中。因此,对冷轧机组中的后面机架,只要在轧辊咬入处润滑油供应充分,由于轧制速度提高,辊缝间摩擦系数将快速降低。
    4 轧制润滑油参数
    该参数影响了辊缝间润滑油供应量以及辊缝间润滑水平。它的主要影响参数包括:用于润滑与冷却辊缝的油-水乳化液中油的浓度、轧制润滑油在工作辊与钢带的表面形成的薄膜厚度、冷却乳化剂中油的颗粒尺寸分布、轧制润滑油的皂化(SAP)值、油-水乳化液的稳定性指标(ESI)、轧制润滑油的粘度、冷却乳化液的温度、轧制润滑油配料中耐极压(EP)添加剂的使用(如硫和磷化物添加剂)以及冷却剂中废附浮油的含量等。
    5 冷却剂工艺参数
    该参数包括向辊缝供应轧制润滑油的冷却剂喷头的压力、流量以及结构设计等,该参数影响了辊缝入口处油膜的形成。一般而言,冷轧机采用“溢流”辊缝入口工作条件,即供应大量的水/油乳化液用以冷却工作辊和钢带,并润滑工作辊/钢带界面。降低冷却剂喷头的压力与流量,就会发生所谓的“不能自然咬入”条件。
    当供给辊缝入口处轧制油的供应量不足以维持辊缝间的一定油膜厚度时,就会发生不能自然咬入的现象。在这种情况下,辊缝间的油膜厚度将会降低,因此增加了辊缝间摩擦。冷却喷嘴堵塞也将引起摩擦条件的局部变化,导致钢带平直度以及表面缺陷等问题,即所谓的摩擦刮伤。
    6 钢带压下量以及带钢硬度
    该参数将影响钢带与工作辊之间的压力,进而影响油膜厚度。
    上述参数之间相互作用,影响复杂,还需进行深入研究,才能全面理解冷轧过程中的润滑现象。不过,目前普遍接受的观点是,冷轧过程中的润滑既包括边界润滑(低速)也包括高速轧制时的混合润滑(边界润滑与流体动力润滑)。人们已经开发出专门用来描述辊缝润滑机理的润滑模型。总体来说,轧辊磨损以及轧制速度是显著影响辊缝摩擦条件、进而影响滑动现象的两大主要轧制参数。在冷轧过程中,随着轧辊表面粗糙度的降低,润滑油的有效膜厚度(相对于轧辊/钢带表面粗糙度之和)增加,从而降低了辊缝间摩擦与前滑。因此,前滑与轧辊磨损之间存在直接关联的观点就很容易理解。FSM的轧辊粗糙度和工作辊磨损关系。利对BlueScope钢铁公司冷轧机组的研究开发的模型,对上述关系进行计算,而且模型计算结果与实际测量结果吻合良好。
    7 小结 
    可以通过冷却剂流量与温度的控制实现所需的冷轧摩擦条件。冷却剂温度上升5℃有利于降低FSM的滑动问题,使轧机生产效率提高约5%。研究也表明冷却剂温度的控制对实现最有的辊缝间摩擦条件以及稳定冷轧轧制过程的重要性。因此,将进行一些设备改造,升级FSM冷却剂系统中的温度控制与配套的加热/冷却设备。
    轧制试验表明,降低冷却剂流量导致辊缝入口处摩擦条件发生变化。因此,如果可能的话,在轧制机架上的出入口侧都必须安装喷头,分开控制润滑水平(通过入口喷头)与轧辊和带钢的冷却(出口喷头)。而这已经列入FSM的未来改造计划中去,改造方案包括优化冷却剂喷头设计,以及在第3和第4机架的入口与出口侧都安装冷却剂喷头。

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