分享：鍍鋅板平整過程“寬窄印”缺陷研究
平整工藝是冷軋鍍鋅板的表面質(zhì)量控制的主要手段。某熱鍍鋅線光整機(jī)組生產(chǎn)薄寬鍍鋅板過程中出現(xiàn)了一種明暗相間的表面缺陷，根據(jù)其產(chǎn)生原因和視覺表現(xiàn)稱之為寬窄印。文章針對(duì)所遇到的寬窄印問題進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和理論研究，明確了帶鋼表面寬窄印的本質(zhì)，指出寬窄印表面缺陷是一種由于帶鋼表面峰值密度Pc值差異引起的表面缺陷，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提出了寬窄依次生產(chǎn)以及過渡卷消除法兩種具體工藝解決措施避免了寬窄印缺陷的發(fā)生。
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)鋼材使用壽命的要求越來越高，通過提高鋼材的防腐性可以顯著延長(zhǎng)鋼材的使用壽命。長(zhǎng)期以來，人們研究了很多防止鋼材腐蝕的方法，實(shí)踐證明采用熱鍍鋅防腐成本較低、鍍層牢固、外觀漂亮、壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期以來被廣泛應(yīng)用到建筑、家用電器、汽車板等許多領(lǐng)域[1]。然而隨著鍍鋅帶鋼用量的逐漸增大，用戶對(duì)其表面質(zhì)量的要求也日趨嚴(yán)格，因而生產(chǎn)中產(chǎn)生的表面缺陷問題亟待解決。寬窄印是影響產(chǎn)品表面質(zhì)量的典型缺陷之一，常表現(xiàn)為通條條狀或帶狀色差。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)冷軋帶鋼平整過程表面質(zhì)量控制做了許多研究，魏寶民等[2]針對(duì)某鋼鐵公司雙機(jī)架平整機(jī)組生產(chǎn)鍍錫板工作輥表面粗糙度衰減速度快、服役周期短的問題，通過優(yōu)化工作輥初始表面粗糙度和兩機(jī)架伸長(zhǎng)率分配系數(shù)建立了工作輥粗糙表面衰減模型，降低了工作輥表面粗糙度的衰減速率；于孟等[3]依托于某雙機(jī)架平整機(jī)組，運(yùn)用逐步回歸分析法，基于大量數(shù)據(jù)建立了鍍錫板平整過程表面粗糙度遺傳與變化的預(yù)測(cè)模型，使得鍍錫板表面粗糙度控制精度顯著提高；高登等[4]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究分析了張力、延伸率等平整工藝對(duì)不銹鋼帶鋼表面粗糙度的影響，對(duì)不銹鋼產(chǎn)品的粗糙度控制有一定的指導(dǎo)意義；宋木清等[5]對(duì)平整過程中軋輥與帶鋼的表面粗糙度的衰減進(jìn)行對(duì)比分析，并得到其衰減規(guī)律，為成品帶鋼粗糙度控制提供了指導(dǎo)；陳紅星等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究分析了濕平整過程帶鋼表面黃斑缺陷的本質(zhì)，并得到平整液對(duì)黃斑缺陷的影響規(guī)律，為平整工藝控制該缺陷提供了理論基礎(chǔ)；王占軍[7]通過在平整液中添加消毒液、改進(jìn)支撐輥平整液噴梁等措施，從潤(rùn)滑角度避免了軋輥表面粗糙度分布不均，解決了帶鋼表面亮印問題。但目前針對(duì)寬窄印缺陷的本質(zhì)及其產(chǎn)生機(jī)理的研究很少，本文將通過實(shí)驗(yàn)研究及有限元仿真分析探究寬窄印缺陷本質(zhì)，解釋寬窄印產(chǎn)生機(jī)理。
問題介紹
某鋼廠熱鍍鋅線生產(chǎn)產(chǎn)品寬度在900~1800 mm范圍之間，由于規(guī)格跨度大，機(jī)組在長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)同一規(guī)格的帶鋼之后，對(duì)應(yīng)帶鋼寬度范圍工作輥磨損嚴(yán)重，而軋輥兩側(cè)未與帶鋼接觸部位磨損緩慢，當(dāng)出現(xiàn)逆寬軋制時(shí)(即生產(chǎn)更寬規(guī)格的帶鋼)，帶鋼內(nèi)外側(cè)會(huì)由于工作輥磨損不均勻產(chǎn)生明暗不均的缺陷，現(xiàn)場(chǎng)稱之為寬窄印。寬窄印缺陷的出現(xiàn)嚴(yán)重影響帶鋼表面質(zhì)量。如圖1所示為產(chǎn)生寬窄印帶鋼的示意圖。
寬窄印本質(zhì)研究
為了消除寬窄印缺陷，首先要明確其本質(zhì)，為此分別進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)研究：(1)采用光澤度儀、接觸式粗糙度儀及色差儀分別測(cè)量帶鋼不同區(qū)域的光澤度、粗糙度和明度；(2)理化實(shí)驗(yàn)，包括物理打磨和化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)；(3)白光干涉三維形貌實(shí)驗(yàn)。
表面光澤度測(cè)量
Rhopoint光澤度儀(圖2)可以測(cè)量成像質(zhì)量，是一款描述光如何從物體表面反射的手持式表面光學(xué)檢測(cè)儀，分辨率為0.1 GU。將帶有寬窄印缺陷的樣板用酒精清洗干凈后使用Rhopoint光澤度儀分別測(cè)量帶鋼不同區(qū)域的光澤度和峰值反射率，并對(duì)上下表面的寬窄印內(nèi)側(cè)區(qū)域和寬窄印外側(cè)區(qū)域進(jìn)行了對(duì)比。圖3為寬窄印樣板的測(cè)量點(diǎn)位置。
寬窄印內(nèi)外光澤度對(duì)比見圖4。由圖4可以看出帶鋼上下表面的光澤的沒有明顯差異；帶鋼內(nèi)側(cè)光澤度明顯高于外側(cè)，差值平均達(dá)到33%。根據(jù)張清東等[8]對(duì)鍍錫板表面光澤度的研究可知光澤度與帶鋼表面粗糙度值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在表面粗糙度值確定的情況下，與峰值密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此推測(cè)，由于帶鋼內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)的軋輥部位在軋制過程中磨損程度較外側(cè)嚴(yán)重，造成軋制轉(zhuǎn)印過程中帶鋼內(nèi)側(cè)粗糙度值或峰值密度將低于帶鋼外側(cè)。為了驗(yàn)證光澤度產(chǎn)生差異的原因，分別對(duì)寬窄印樣板進(jìn)行了表面粗糙度和峰值密度的測(cè)量。
表面粗糙度測(cè)量
使用接觸式粗糙度儀分別測(cè)量寬窄印帶鋼不同區(qū)域的粗糙度，并對(duì)產(chǎn)生寬窄印缺陷的樣板內(nèi)外側(cè)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。如圖5和圖6所示，帶鋼表面在產(chǎn)生寬窄印部位的內(nèi)、外側(cè)并沒有明顯的粗糙度值差異；但是對(duì)于峰值密度，樣板內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生了顯著差異，帶鋼表面外側(cè)的Pc值(峰值密度)明顯高于內(nèi)側(cè)，差值平均達(dá)到18%。帶鋼的表面Pc值(峰值密度)主要描述材料表面的水平尺度，取決于帶鋼表面產(chǎn)生波峰和波谷的數(shù)量。在表面粗糙度值無明顯差異的情況下，Pc值越大帶鋼表面的光澤度越低，這與前文所得到的光澤度差異結(jié)果一致。
表面三維形貌測(cè)量
為了驗(yàn)證寬窄印缺陷的產(chǎn)生是由于表面微觀形貌的差異，采用白光干涉儀測(cè)量帶鋼表面的三維形貌，該測(cè)量?jī)x可以測(cè)量并繪制高分辨率的三維圖像，分辨率為0.1μm。經(jīng)過測(cè)量分別得到了寬窄印內(nèi)外區(qū)域的三維形貌圖以及相關(guān)的表征參數(shù)。從圖7所示的三維形貌圖中，可以看出寬窄印內(nèi)外區(qū)域有明顯的差別，寬窄印外側(cè)區(qū)域在基準(zhǔn)面之上有較多的尖峰和凹谷，而寬窄印內(nèi)側(cè)區(qū)域的尖峰和凹谷較少，這與前文測(cè)得外側(cè)表面峰值密度更大符合。在樣板上標(biāo)記寬窄線，對(duì)寬窄印內(nèi)外區(qū)域進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，然后沿帶鋼寬度方向左右移動(dòng)操作臺(tái)，從而得到帶鋼在寬窄印區(qū)域表面形貌的變化。
寬窄印區(qū)域表面形貌見圖8。如圖8所示，分界線左右的寬窄印區(qū)域和非寬窄印區(qū)域有較明顯的差別，寬窄印外側(cè)區(qū)域在基準(zhǔn)面之上有較多的尖峰和凹谷，寬窄印內(nèi)側(cè)區(qū)域的尖峰和凹谷較少，而寬窄線(圖中兩條黑線中間)部分為過渡區(qū)域，表面形貌由外側(cè)到內(nèi)側(cè)逐漸改變。因此可判斷，帶鋼表面寬窄印缺陷是一種由于表面微觀形貌差異(峰值密度差異)引起的表面缺陷，表現(xiàn)為光澤度差異引起的視覺差異。
表面理化實(shí)驗(yàn)
◆物理打磨實(shí)驗(yàn)
前文通過三維形貌儀測(cè)量與光澤度分析得出帶鋼表面寬窄印缺陷是一種表面微觀形貌差異引起的視覺缺陷，為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一判斷，將通過物理打磨實(shí)驗(yàn)分析寬窄印的本質(zhì)。采用目數(shù)為2000(CW)的砂紙，分別對(duì)帶鋼表面進(jìn)行垂直于軋制方向和平行軋制方向打磨，每一次打磨過程應(yīng)保證方向平行且力度均勻，打磨結(jié)果如圖9所示。通過觀察打磨前后的帶鋼表面發(fā)現(xiàn)，在打磨方向不同的情況下，帶鋼寬窄印區(qū)域和正常區(qū)域同時(shí)變化，表現(xiàn)出相同的視覺效果，同時(shí)，寬窄線被打磨掉，即逆寬區(qū)域與帶鋼中部不再有明顯的分區(qū)。
測(cè)量打磨前后的帶鋼表面，測(cè)量結(jié)果如圖10和圖11所示，發(fā)現(xiàn)打磨后的帶鋼表面光澤度降低，Ra值降低，Pc值降低。且?guī)т摻?jīng)過打磨，原先寬窄印缺陷內(nèi)外側(cè)表面光澤度、Ra值、Pc值趨于一致。
打磨后的帶鋼表面三維形貌如圖12所示，寬窄印內(nèi)外側(cè)區(qū)域的表面從幅值、形貌上均趨于一致。因此可以認(rèn)為帶鋼軋制產(chǎn)生的寬窄印是由于表面形貌差異引起的表面缺陷。
◆化學(xué)實(shí)驗(yàn)
將濃度為36%的HCl溶液滴在樣板上，同時(shí)覆蓋寬窄印內(nèi)側(cè)區(qū)域和寬窄印外側(cè)區(qū)域。反應(yīng)時(shí)，帶鋼表面有氣泡產(chǎn)生，同時(shí)帶鋼表面顏色變暗，3 min后，由于帶鋼表面與鹽酸發(fā)生了一定的反應(yīng)，寬窄印和正常區(qū)域差別減小，寬窄線消失，暴露出鋅層下的基板，測(cè)量腐蝕前后鋼板厚度可知腐蝕前后厚度差距剛好為鍍鋅層的厚度，反應(yīng)結(jié)果如圖13所示。將帶鋼清洗吹干，表面參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖14和圖15所示，通過對(duì)比腐蝕前后的帶鋼表面參數(shù)發(fā)現(xiàn)，腐蝕后的帶鋼表面光澤度降低、Ra值基本保持不變，寬窄線外側(cè)的Pc值降低，內(nèi)側(cè)的Pc值基本不變，帶鋼寬窄印內(nèi)外側(cè)從各指標(biāo)上趨于一致。腐蝕后的帶鋼表面三維形貌如圖16所示，帶鋼表面各部位三維形貌趨于一致，表面寬窄印是產(chǎn)生于鍍鋅板鋅層表面的缺陷。通過以上的理化實(shí)驗(yàn)可以得出，鍍鋅板寬窄印及“寬窄線”是由于帶鋼鋅層表面Pc值差異引起的視覺差異，是一種表面缺陷。
寬窄印產(chǎn)生過程分析
軋輥的磨損主要由軋制負(fù)荷以及接觸狀態(tài)兩個(gè)方面的因素決定。磨損的過程與下列因素相關(guān)：軋制單位壓力的大小及其沿帶鋼寬度方向的分布；軋制量(總長(zhǎng)度)、軋輥圓周上某點(diǎn)與軋件接觸的次數(shù)(轉(zhuǎn)數(shù))、以及軋輥與軋輥之間的滑動(dòng)量；軋輥表面粗糙度、摩擦因數(shù)及輥面硬度；每一軋制單位中產(chǎn)品種類(寬度、厚度、材質(zhì))，軋制順序的編排等。
經(jīng)過分析認(rèn)為，帶鋼上寬窄印的產(chǎn)生過程應(yīng)包括三個(gè)階段：
◆工作輥服役初期
在工作輥服役初期，工作輥為新輥，此時(shí)工作輥表面的粗糙度較高，對(duì)應(yīng)于帶鋼寬度范圍內(nèi)的支持輥和工作輥之間的接觸壓力較大。根據(jù)摩擦學(xué)原理，正壓力越大相應(yīng)部位的磨損也就越大，粗糙度衰減越快。因此，在輥間接觸壓力較大的區(qū)域，工作輥輥面粗糙度迅速降低、磨損較大。
◆工作輥上出現(xiàn)“寬窄痕”
在工作輥服役一段時(shí)間后，由于規(guī)格的變化，所生產(chǎn)帶鋼寬度逐漸變小。盡管光整機(jī)壓下量小、軋制壓力較小，工作輥也會(huì)出現(xiàn)一定程度的磨損。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，工作輥磨損也隨之增大。
◆“逆寬”軋制階段(帶鋼上產(chǎn)生寬窄印)
當(dāng)工作輥上出現(xiàn)寬窄印后，若要使帶鋼上也出現(xiàn)寬窄印，必須進(jìn)行“逆寬”軋制。“逆寬”軋制時(shí)，帶鋼邊部進(jìn)入到工作輥或工作輥的寬窄印區(qū)域。
帶鋼表面粗糙度的大小取決于工作輥表面粗糙度。光整軋制時(shí)，帶鋼表面粗糙度的形成過程實(shí)際上就是工作輥表面粗糙度向帶鋼表面的轉(zhuǎn)印過程。在這一過程中如果工作輥表面粗糙度分布不均勻，則帶鋼上轉(zhuǎn)印過來的粗糙度將繼承這一不均勻的特性。因此，當(dāng)工作輥上粗糙度較低的“寬窄痕”區(qū)域與帶鋼接觸時(shí)，帶鋼上(通常是帶鋼邊部)也將出現(xiàn)寬窄印缺陷，在磨損劇烈的窄帶鋼邊部位置處，出現(xiàn)一條明顯的“寬窄線”。
解決措施
通過分析可知，使帶鋼上產(chǎn)生寬窄印缺陷的源頭為工作輥上的“寬窄痕”。要避免帶鋼上出現(xiàn)寬窄印，可以從“印源”上著手，在如下方面展開工作避免工作輥上產(chǎn)生“寬窄痕”，避免工作輥上的“寬窄痕”進(jìn)入帶鋼區(qū)域。因此提出寬窄依次生產(chǎn)和過渡卷消除法工藝控制措施。
寬窄依次生產(chǎn)
為了避免工作輥和支持輥上出現(xiàn)明顯的“寬窄痕”可以采用寬窄帶鋼依次生產(chǎn)的方法。該方法的目的是消除窄帶鋼在軋輥上的影響，因此對(duì)于窄帶鋼的軋制量有限制，而對(duì)于寬帶鋼的軋制量限制較小。
過渡卷消除法
使用過渡卷主要是使窄帶鋼在軋輥上形成的“寬窄痕”向軋輥兩側(cè)移動(dòng)，使下一批寬帶鋼不會(huì)與“寬窄痕”發(fā)生作用。當(dāng)窄帶鋼的軋制量比較大時(shí)，插入過渡卷基本可以避免寬窄印的產(chǎn)生。為了提高生產(chǎn)效率并減少資源浪費(fèi)要盡量減少過渡卷的使用，可以根據(jù)上一批窄帶鋼的生產(chǎn)量選擇過渡卷的使用量。
結(jié)束語
(1)某鋼廠熱鍍鋅線生產(chǎn)帶鋼出現(xiàn)一種明暗相間的表面缺陷，根據(jù)其產(chǎn)生原因和視覺表現(xiàn)稱之為寬窄印。通過光澤度測(cè)量、表面參數(shù)測(cè)量及理化實(shí)驗(yàn)，得出寬窄印缺陷是一種由于帶鋼表面Pc值差異引起的表面缺陷。
(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，提出寬窄依次生產(chǎn)以及過渡卷消除法兩種工藝手段避免了寬窄印缺陷的發(fā)生。
文章來源——金屬世界
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