分析不同应力状态下带钢的破鳞机理

来源:用户上传      作者:

　　【摘 要】利用自主设计的破鳞机对热轧带钢进行不同应力状态的破鳞试验，采用金相显微镜、扫描电镜和能谱分析对破鳞前后氧化皮的表面和界面进行分析，研究了带钢不同应力状态下的破鳞机理。试验结果表明，随着拉应力和压应力的增大，氧化皮全剥落率不断增大，并逐渐趋于稳定，且压应力的破鳞效果强于拉应力；拉应力作用下氧化皮以分层剥落为主，外层Fe3O4发生剥落，内层FeO仅在缺陷处发生少量剥落；而压应力作用下氧化皮以全剥落为主，临界弯曲应力随剥落量的增大而增大。
　　【关键词】不同应力；带钢；破鳞机理
　　热轧酸洗板和冷轧板在汽车和家电等领域有着广泛的应用前景。作为热轧酸洗板和冷轧板的生产来料，热轧后的带钢表面附着了一层氧化铁皮，冷轧之前必须除去氧化皮，否则会影响冷轧板的表面质量和损坏轧辊表面。钢厂在进行酸洗前要对热轧带钢进行拉伸弯曲矫直破鳞处理，促使氧化皮产生裂纹和剥落，降低氧化皮结合强度，利于酸液侵入内部，增强酸洗的溶解、还原和剥离作用，提升酸洗速率。
　　1、破鳞原理
　　破鳞机的工作机理是利用铁基体与氧化铁皮覆层材料性能的巨大差异，采用机械方法进行弯曲，基体材料受力后产生一定的弹性变形，表面氧化铁皮则由于较低的弹性变形且破坏强度低，同时与铁基体附着力差，这样当氧化铁皮不能适应金属形状变化而引起的内应力大于其破坏强度时，它便要破裂。带钢在经过破鳞辊时上下表面处于不同的应力状态，最终产生不同形式的氧化铁皮剥落。相关的研究表面，大弯曲能取得较好的破鳞效果。
　　具体来说，当带钢通过破鳞辊时，带钢两个表面变形情况不同，一个表面受到张力拉伸，氧化铁皮和铁基体的界面会产生裂纹，而与破鳞辊接触的另一面将受到压力的作用，氧化铁皮会被挤碎成网状，有的不再附着于基体上，直至脱落。
　　2、原破鳞辊的使用分析
　　2.1 破鳞辊工作环境
　　连续酸洗机组主要处理热轧普通碳钢卷和高强钢卷，破鳞段最高运行速度可达200m/min 。在带钢冲套、甩尾的整个过程中，破鳞辊完全投入使用，工作过程中，氧化铁皮剥落，粉尘较大。此外由于热轧来料卷型、板型良莠不齐、带钢平均厚度大，在高速开卷、冲套过程中难免会对破鳞辊造成异常的冲击和振动，在生产高强钢时，情况更为严重。
　　2.2 破鳞辊结构
　　破鳞辊主要由安装在同一辊盒内的工作辊和支撑辊组成。工作辊为单辊，根据板带厚度不同，直径可以选为60-100mm；支撑辊组由两列组成，每个支撑辊直径可以选100-120mm；两类棍子均为被动辊，呈品型分布。由于工作辊直接与带钢接触，表面做了硬化处理，硬化层深度5-8mm，HRC62-65。工作辊和支撑辊通过轴承组件安装在辊盒内。
　　2.3 破鳞辊使用现状及分析
　　正如前文所述，需要被破鳞的板型良莠不齐，退火不均匀等原因，机组破鳞辊有的使用寿命不到1个月，有些破鳞辊使用寿命大约10天左右。初步分析认为：来料板型结构复杂，工作辊承受载荷较大，工作环境恶劣，维护保养不便是影响破鳞辊工作寿命的主要原因。
　　机组上破鳞辊更换标准为辊面出现异常磨损、粘结、划痕、剥落、热损伤、异常声音与振动等劣化迹象，预计会影响带钢表面质量就应更换。结合破鳞辊的历史更换记录，在7次更换中有5次是由工作辊磨损严重引起，有2次是由异音引起。故，我们可把工作辊磨损和破鳞辊的异常声音与振动，作为影响破鳞辊使用寿命的主要原因而加以分析。
　　2.3.1 工作辊磨损情况分析
　　破鳞机工作辊直接与运行的带钢表面接触，难免会产生磨损。当辊面硬化层被磨掉，或局部严重磨损预计会影响带钢表面质量即需更换。通过对破鳞原理和破鳞辊结构的介绍，我们知道该结构下小直径工作辊能带来好的破鳞效果，但小直径的辊降低了工作辊的强度和耐磨性，降低了破鳞辊的使用寿命。一般情况下会选择大一点直径的工作辊，再配上大一点的拉矫张力，在提高工作辊寿命的前提下，达到很好的破鳞效果。
　　2.3.2 异常声音与振动分析
　　根据现场经验，破鳞辊的异常声音与振动大多与轴承的非正常磨损有关。滚动体润滑不充分，氧化物颗粒渗入都能引起非正常磨损。破鳞辊共有多个支撑辊，任意一个支撑辊的损坏都有可能引起停机事故，假设在一定条件下一个支撑辊的使用可靠系数是0.99，那么整个破鳞辊的可靠系数为 0.9934≈0.71。故，可从提高单个支撑辊的可靠系数和减少支撑辊使用数量两个方面考虑，降低异常磨损发生的概率。
　　设计中支撑辊的作用是增加工作辊的刚性，若增大工作辊辊径使之有足够的刚性，则可考虑省去支撑辊，仅保留工作輥和使用少一些支撑辊，维护保养方便的同时大大提高了支撑辊影响的可靠系数。另外，随着辊径的增大相应可选择承载力更大、性能更优的轴承。
　　综上分析，在不考虑破鳞效果的前提下，可以通过改变破鳞辊结构，采用大尺寸单辊形式，以达到延长工作辊的使用时间、减小轴承异常磨损概率、提高破鳞辊可靠系数和使用寿命的目的。
　　2.4 破鳞效果与生产成本的平衡
　　虽然大弯曲能取得较好的破鳞效果，但弯曲的增大也不能随心所欲，一方面要考虑对材料加工硬化的影响，另一方面棍子太细会带来磨损块、使用周期短、生产成本上升等问题。因此选择破鳞辊结构与工作辊辊径大小时应综合平衡破鳞效果与生产成本的关系。
　　正如前文所述，破鳞辊主要作用是对热轧卷进行预破鳞，将带钢表面附着力差、粗大的氧化铁皮去除，我们知道机组中主要用来破鳞的设备是破鳞机，大多数的氧化铁皮是在这里被去除。可以认为，若破鳞辊的维护成本明显高于同类机组时，在不影响产品质量的和环保要求允许的情况下，可以适当降低破鳞效果以达到与生产成本的平衡。
　　某酸洗机组破鳞辊采用单辊形式，结构简单、使用寿命长，经对比分析认为本机组也可参照单辊形式设计新的破鳞辊。
　　3、新结构破鳞辊的使用情况
　　参照其它同类机组入口段破鳞辊的结构形式，结合本机组的使用环境，我们设计了新的破鳞辊，采用单辊形式，工作辊直径加大至250mm，硬化层深度提高至10mm，轴承、轴承座、油封等相关零部件也作相应选择与调整。
　　新结构破鳞辊已于2011年9月在机组入口下通道试验性投入使用，使用至今工作情况良好，正常工作时间超过20个月，没有因破鳞效果不好而影响带钢酸洗质量的情况发生，说明新结构破鳞辊的破鳞效果与实际生产是相适应的。
　　4、结束语
　　破鳞辊虽然不是酸轧机组的关键设备，但其破鳞效果与生产实际的匹配一方面影响设备的维护成本，另一方面也影响了整个机组的生产顺行。效果与成本的关系，在各个机组应该是普遍存在的，如何平衡好两者的关系，寻求最优点是每个技术工作者孜孜不懈追求的目标。本文从所在机组破鳞辊的工作环境、结构、使用情况出发，分析了影响其使用寿命的主要原因，在参考其它同类机组和平衡效果与成本关系的基础上，设计了新的结构并予以实施，大大提高了破鳞辊的使用寿命。
　　参考文献：
　　[1] 宝钢股份C502酸轧机组机械设备培训教材2010年5月
　　[2] 王建军，李同庆. 拉矫机破鳞原理的研究[J]. 上海金属， 2012（1）：
　　作者简介：
　　田文罕 男 出生年月 198006民族 汉 籍贯 甘肃省平凉市；学历 本科职称助理工程师单位 襄阳宇清传动科技有限公司研究方向 冶金设备破磷机、拉矫机开发
　　余鹏 出生年月 19900224 民族 汉 籍贯 湖北襄阳；学历 本科 职称 助理工程师 单位 襄阳宇清传动科技有限公司；研究方向 冶金设备破磷机、拉矫机开发
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14816280.htm