消除冷轧过程钢带滑动研究

zhd1998cn

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。产品规格和轧机设计参数见表1。
　　      表1   5机架冷轧轧机参数
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　　产品规格           最小值  最大值
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　　来料带钢厚度，mm    1.60    6.00
　　轧后带钢厚度，mm    0.30    3.50
　　带钢宽度，mm         610    1830
　　卷重，t                2      30
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　　轧机设计
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　　机架数                     5
　　辊数                     4辊
　　最大轧制力，MN            25
　　最大轧制速度，m/min     1075
　　电机功率，MW            14.2
　　设计产量，t/a            100
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    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。
    一般采用轧制参数“前滑”来表示滑动，用变量f表示。根据轧制理论，在辊缝内某一点的带钢速度与轧辊速度相同，这点就是“中性点”。当中性点朝辊缝出口方向移动时，轧制速度增加（相对于带钢出口速度），前滑降低。因此，前滑可用于计算辊缝内中性点的位置。当中性点落在辊缝之外，前滑值为负，此时发生前滑。（注意，严格上讲，如果考虑钢带的弹性回复，当中性点处在辊缝出口处时，前滑值已经是负值，不过数值很小。）
    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。图1为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。
     轧制速度是另一个影响滑动的重要变量。在轧制薄规格冷轧带钢时，摩擦、轧制力与前滑值等随着轧制速度的增加而降低。而且，对BlueScope钢铁公司冷轧机的第4机架轧制2.6×0.42×940mm产品时的轧制力研究表明，当提高轧制速度时，轧制力明显下降（见图2），这是由于润滑油膜的厚度增加所致。
     此外，研究还发现，在轧制速度高时，有效油膜厚度增加，导致轧辊/轧件接触面积降低，提高辊缝间的流体动力润滑条件。当带钢在辊缝中累积变形时，接触压力增加，并且产生新的接触表面（钢带厚度降低，相应地表面积增加），导致有效油膜厚度降低，增加了轧辊与钢带粗糙部分的接触面积。此时，如果带入辊缝间的润滑剂量不够，或者轧制润滑油成分不合适，不能承受辊缝间的高压与高温，则辊缝后面部分的润滑油膜就可能破裂，导致诸如摩擦刮伤等带钢表面缺陷。
    消除冷轧试验中的滑动现象
    该厂的FSM机组轧制了大量的薄规范产品（超过30%的产品厚度小于0.45mm）。在高速轧制这些产品的过程中，FSM机组可能遇到与轧机滑动相关的问题。为了避免不可控制的轧制振动与滑动相关的钢带厚度波动，降低了FSM轧机的轧制速度。这会降低该工厂的冷轧产品产量。
    尽管大多数控制辊缝摩擦条件的FSM变量保持在规定的极限范围内，但很难确定这种轧制条件下导致滑动的主要轧制变量。为了更深入的理解滑动问题，我们在该厂的FSM上进行了几轮轧制试验。
    1 轧制试验
    BlueScope钢铁公司早期的研究以及前面提到的模型结果描述的混合润滑机理，说明冷却剂流量以及冷却剂温度是控制冷轧机中辊缝间摩擦的关键因素。早期试验研究采用的是油脂性轧制润滑油，此后改用合成酯类轧制润滑油。根据早期的研究结果，公司决定重复进行轧制试验，以确定降低冷却剂流量是否有助于降低或从根本上消除轧制薄规格产品时出现的滑动问题。
    在FSM进行的第一轮试验，研究降低第3与第4机架冷却剂流量，以确定导致滑动的关键机架。本次试验做了如下假设：降低冷却剂量，使辊缝间出现润滑不充分，从而可能降低滑动问题。在实验过程中，检测了滑动量、轧辊热凸度以及导致的带卷平直度。
    在试验过程中，5个机架的喷头压力均为8巴，每个喷头设有38个喷嘴，但冷却剂流量各不相同，第1机架为2950L/min，第2机架为3900L/min，第3机架为4860L/min，第4机架为4860L/min，第5机架为980L/min。需要指出的是，第5机架冷却剂流量反映的仅是“基本”冷却剂喷头的流量，并不包括由钢带平直度控制系统独立控制的“选择性”或“点”冷却剂喷头流出的冷却剂量。
    FSM仅利用入口侧的冷却剂喷头对机架进行润滑与冷却。因此，该试验的次生结果是由于冷却剂流量的降低而导致工作辊温度升高，这将影响到工作辊的热凸度，从而影响了冷轧过程中的板形控制。辊缝间的温度升高也会影响轧制润滑油的粘度，导致油膜减薄。在试验过程中，第3、4机架的冷却剂流量降低至仅为设计能力的75%、50%和25%。
    在进行系列降低冷却剂流量的轧制试验中，冷却剂温度设定在5℃，低于规定的目标温度52℃。根据这些研究结果，将第2轮系列试验的冷却剂温度设定值重新设成目标值。
    2 试验结果
    在第一轮系列试验中，在FSM上轧制了尺寸规格为2.3×0.3×700mm的低碳钢，试验结果如表2所示，给出了第3与第4机架的冷却剂流量设定值以及在不出现滑动的情况下达到的最大轧制速度。
    从表2可以看出，降低第4机架的冷却剂流量，最大轧制速度可提高至接近970m/min的设定值。例如，将冷却剂流量降低到只有设计值的25%，则轧制速度可提高到设定值的80%～90%。降低第3机架的冷却剂流量不会对滑动或机架振动产生相同的效果。由此可以推断，滑动是从第4机架开始出现的。
　　        表2      FSM滑动试验结果
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　　试验  冷却剂流量设定  出现滑动前最大轧制速度
　　序号　　S3      S4         （设定值%）
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　　 1     100     100             72
　　 2     100     100             79
　　 3     100      50             83
　　 4     100      25             93
　　 5     100      25             86
　　 6     100      25             83
　　 7      50      25             84
　　 8      25      25             88
　　 9      25      25             92
　　10      25      25             91
　　11      25      50             81
　　12      25     100             78
　　13      25      25             82
　　14     100     100             69
　　15     100      25             81
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    在轧制试验过程中，使用手持接触式热电偶测量工作辊表面温度，从而监测第3与第4机架伤的工作辊温度与热凸度。在开始试验前，测定的第3与第4机架工作辊中心线温度分别是65℃与70℃。在轧制试验过程中，当冷却剂流量降低到设计值的25%时，第4机架工作辊温度升高到75℃以上。轧辊温度的上升也就提高了工作辊热凸度，因此，在穿带及甩尾过程中出现了带钢板形控制的一些问题。
    在完成冷却剂流量变化对前滑影响的轧制实验后，冷却剂温度由47℃提高到52℃，进行第二轮实验，结果表明由于冷却剂温度设定值增加了5℃，第4机架的前滑值由大约1.3%增加到3%。由此可以看出，前滑值，即辊缝间摩擦对冷却剂温度的变化是非常敏感的。然而，必须指出的是，辊缝间摩擦对冷却剂温度的敏感性很大程度上取决于所采用的轧制润滑油的类型以及配方。
    而且，通过对轧制0.42×940mm薄板时轧辊磨损与冷却剂温度变化前后第4机架上前滑值计算结果的变化发现（见图3），冷却剂温度升高后，第4机架上的前滑值大约由1.0%增加到1.5%，这明显降低了钢带滑动问题的出现。在轧制超过100km的钢带后也仍然没出现任何滑动或者机架振动问题。
     采用BlueScope 钢铁研究中心开发的辊缝模型，计算了第4机架上前滑值增加时辊缝间摩擦条件的变化。模型计算结果表明在轧制2.6×0.42×940mm产品时，只有当辊缝间摩擦系数增加约22%（从0.018增加到0.022）时，才能发现第4机架上前滑值有所增加。
    从以上结果可以看出，增加辊缝间摩擦可以最大程度减少FSM滑动问题的出现。当滑动问题消除后，就可以提高FSM平均轧制速度而不会增加断带的风险。因此，FSM生产效率提高了5%。
    由于影响冷轧过程中润滑的各参数之间复杂的交互作用，弄清楚为什么冷却剂温度对影响辊缝间摩擦是如此关键这一点还存在一些难度。可以做出以下两点假设：
    （1）从流体力学与机械工程学的角度看，冷却剂温度的上升降低了轧制润滑油的粘性，从而降低了辊缝间的油膜厚度并提高了辊缝间摩擦。
    （2）从化学角度看，温度上升可能影响了油水乳状液中的轧制油乳化液的化学反应，从而提高了冷却剂的乳化液稳定性指标（ESI），并降低了轧制润滑油在轧辊与带钢表面的均匀分布。这将降低辊缝入口处的油膜形成，导致辊缝间摩擦的增加。
    采用混合润滑模型进行的初步研究确实表明，由于冷却剂温度的变化，导致轧制润滑油的粘性发生变化，影响了摩擦条件。而且研究发现，当冷却剂温度只有相对小的变化时（5～10℃），前滑值就可能从1%增加到2%（见图4）。在辊缝入口处，刚开始形成润滑薄膜，此时冷却剂温度对前滑值的影响作用可能更大。当这层润滑油膜的厚度降低时，进入辊缝间的润滑油量就少，导致辊缝间有效油膜厚度薄。但必须要指出的是，综合作用可能更为复杂。油膜厚度薄也将引起更多的摩擦热的产生，这又提高了辊缝间温度，从而进一步影响了辊缝间轧制润滑油的性能以及化学反应。这需要进行深入的研究才能完全弄清楚发生在辊缝间的交互作用及控制机理。
    小结   
    上述讨论表明，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。（杨雄飞）