拉矫机破鳞原理的研究.doc

拉矫机破鳞原理的研究王建国李同庆摘要分析总结了拉矫机破鳞理论，研究了拉矫机工艺参数与破鳞效果之间的关系，提出了酸洗拉矫机工艺参数优化的准则，同时就拉矫在破鳞方面的发展提出建议。关键词拉矫机破鳞原理带钢RESEARCH ON THE DESCALING FUNCTION OF TENSION LEVELLERWang JianguoBaotou Institute of Iron & Steel Li TongqingUniversity of Science & Technology BeijingAbstract The descaling theory of tension leveller was analyzed， and the connection between the descaling result and the varyings of technological parameter of the equipment was approachedThe rule to optimize the function of tension leveller was given， furthermore， the application tendency of the tension leveller to descaling process was describedKey Words Tension Leveller， Descaling， Strip1 前言随着经济发展及技术的进步，国内外市场对冷轧薄板质量的要求越来越高，因此如何在各工序采取措施来提高其质量便成为冷轧厂的当务之急。酸洗拉伸弯曲矫直机作为热轧、冷轧之间承前启后的一台设备，在除鳞的高速、高效化以及对板形的改善方面起到了举足轻重的作用，特别是对近年发展起来的酸洗冷轧联机技术的实现，更成为一种决定性的因素。以往人们研究的重点集中于其对板形质量的改善，这一点已取得了明显的效果，但如今已逐步感受到充分发挥拉矫机破鳞功能对于提高带材表面质量进而提升带钢总体质量水平以及生产顺行的重大意义。生产实践也表明，近年来随着板形质量水平的逐渐提高，带材表面质量问题日益凸显。如何使酸洗拉矫机在实际应用中更好的兼顾改善板形与破鳞的双重功能，这实际上是一个拉矫机工艺性能的优化问题，这一问题的解决亦有赖于拉矫机破鳞理论的研究。2 氧化铁皮的破坏形式121压应力作用下的破坏形式考虑一个性质均一的氧化铁皮在外载迅速作用下的破坏形式，此时可忽略蠕变的作用，而这时氧化铁皮在外力作用下的失效形式通常为形成贯穿氧化物的裂纹(源于原本存在的微裂纹)。对于受侧向压缩作用的氧化物，其破坏取决于沿氧化物与金属界面方向或平行于此方向裂纹的增长。EVANS的研究结果表明，氧化物受压时的剥落可通过两个过程产生，通过哪一过程则取决于氧化铁皮自身强度及其与基体界面结合强度之间的关系。当界面牢固而氧化铁皮脆弱时为图1中的路径1，反之当氧化铁皮与基体界面的结合强度相对较小时，剥落通过路径2产生。图1压应力作用下的破坏形式22拉应力作用下的破坏形式氧化物在受到拉应力作用时，由于应力只能通过金属基体传给氧化铁皮，因此如果基体自身的应变已超过屈服应变，此时氧化铁皮将不能被施加更大的应力，当金属基体的应变继续增加时，氧化物将变成一个个“孤岛”，但其并不剥落，如图2所示。图2拉应力作用下的破坏形式3拉矫机工艺参数对破鳞的影响与控制31拉矫机破鳞工作机理利用铁基体与氧化铁皮覆层材料性能的巨大差异，采用机械方法反复弯曲，基体材料受力后产生一定的弹塑性变形，表面氧化铁皮则由于不具有塑性且破坏强度较低，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。带材在经过弯曲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，这就是拉矫机破鳞的原理所在。较典型的拉矫机如宝钢的酸洗拉矫机的工艺示意见图3。图3宝钢酸洗拉矫机工艺简图32延伸率的影响用拉矫机进行机械除鳞处理时，若使带钢产生一定的延伸率，则对以后的酸洗效果有很大影响。因为带钢酸洗速度的快慢直接取决于带钢表面氧化铁皮的破碎程度，而一般随延伸率的增大，带钢表面的氧化铁皮破碎程度会增加，因此破鳞效果也就越好，除鳞速度也越高。但这一趋势却不是一直有效的，尽管对饱和点的位置还有不同看法，但形成共识的却是酸洗速度将随着延伸率的提高到某一值时趋于饱和，即超过这一点后破鳞效果将不再随延伸率的增大而再有明显的改善。文献2提出除鳞速度的上升，当延伸率达到约1%时出现了大致饱和的倾向。另一方面，带钢板形矫直的效果在延伸率约为0.5%时差不多就矫平了，可以认为实际操作中延伸率达到1%时效果最佳。虽对于达饱和点的延伸率文献3的研究结果认为在2%左右，但不管饱和点的位置有何差异，共同说明的一个问题却是盲目的增大设定延伸率对改善预除鳞的效果是没有多大帮助的。这一点在理论上的解释是延伸率的增大会对铁基体上氧化铁皮的裂缝程度产生影响，但它却对改变氧化铁皮的致密度及其与基体的附着力无多大帮助，见图2。33拉伸和弯曲对破鳞效果的影响带钢同一延伸率的获得既可在大张力小弯曲下实现，亦可在小张力大弯曲下实现，但究竟哪种工艺对破鳞更有利，这里面牵涉的问题便是拉伸以及弯曲作用对带钢破鳞效果的影响。一般说来，是否有利于氧化铁皮的破碎以及氧化铁皮的破碎程度是衡量破鳞效果好坏的唯一标准。基于这一观点，可以认为带钢弯曲程度增加对破鳞效果的改善作用要优于拉伸作用的增加：1)由于氧化铁皮处于经常受压应力状态下，因此增加压缩作用要比增加拉伸作用更有利于氧化铁皮的破碎；2)压缩作用导致氧化铁皮结构疏松直至破碎，而氧化铁皮硬度的下降直接导致其与铁基体附着力的下降从而更有利于破鳞，拉伸作用对其硬度的改善作用不明显；3)氧化铁皮尽管有时以块状脱落，但在其与铁基体结合的最里层却基本以粉粒状存在，此时压缩作用更有利于其自身的脱落。工业用的破鳞机象除鳞器、矫直机、平整机、拉伸矫直机等，它们对带钢表面氧化铁皮的作用不同，如拉伸、弯曲、破碎、碾压等，这些设备使用于酸洗线上作用的侧重点有所不同。当带钢通过拉伸弯曲矫直机的弯曲辊时，带钢两个表面变形情况不同，一个表面受到张力拉伸，氧化铁皮和它与铁基体的界面会产生裂纹，而与弯曲辊相接触的另一面将受到压缩力的作用，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。由此可见，拉伸弯曲矫直机破鳞效果的取得主要依靠弯曲时的塑性镦粗作用，SMS所做的现场实验证明了这一点4，其破鳞示意见图4。图4破鳞示意图4酸洗拉矫机工艺优化准则结合拉矫机对板形影响的研究结果5，我们可以得出酸洗拉矫机的理想工艺条件。41延伸率的设定拉矫机工作状况的好坏不取决于设定延伸率的高低，如本文前面所述。延伸率设定为1%时，实际破鳞效果已达最佳，而带钢矫平的延伸率还不到1%。相反过大的延伸率反而会产生以下副作用：1)由于延伸率沿带钢横截面分布的不均以及带钢本身对延伸率差的敏感性，过大的延伸率不仅无助于破鳞效果的改善，反而会引起失衡的不均匀变形和局部瓢曲，使板形反趋恶化，同时带钢晶粒变得粗糙，表面出现滑移线；2)设定延伸率的升高将直接导致机组断带率的升高，这将对连续化大生产造成不利的影响，而这一点对于日益发展的酸洗轧机联机操作来说更是致命威胁；3)给机组运行带来不必要的负担，造成传动系统负荷增加及能源浪费。带钢最终所能获得的实际延伸率将受机组设备条件(如电机功率、弯曲辊径)所限，并不是设定值愈高，带钢就一定能获得更高的延伸率。42弯曲程度及张力的关系理论分析表明，弯曲和张力的增大都将有利于带钢的延伸；考虑到酸洗拉矫机破鳞的特殊要求，张力一般不能太大(源于张力对塑性镦粗的遏制作用)，张力的增大将容易引起带钢打滑而对设备安全构成威胁，因此酸洗拉矫机的理想工艺情况应该是小张力大弯曲。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，另一方面受设备自身条件所限，弯曲辊辊径不可能做的太小。辊子太细会带来磨损快、挠度大以及受轴承位置限制等问题，甚至有可能断辊，另外弯曲的增大也意味着能耗的增大。因此设置工艺时应协调好压下深度和张力的关系，尽可能利用弯曲对带钢延伸的贡献，以求得能耗与工作效率之间的平衡。5拉矫机破鳞应用展望限于化学法除鳞的固有缺点以及对酸洗轧机联机设备故障适应能力差，人们越来越倾向于发展不用酸液的机械除鳞法，拉矫机作为机械除鳞的代表无疑会受到进一步的重视。为充分发挥酸洗拉矫机的破鳞作用，可以就拉矫机的工艺及结构设计作更深入的研究。从工艺角度来说，各种氧化铁皮与金属的附着力是不同的，FeO的破坏应力约为0.04kgmm2，Fe3O4的破坏应力约为4kgmm2，Fe2O3的破坏应力约为1kgmm2。由此可见出现对酸洗拉矫机破鳞的最有利的情况应该是主要成分为FeO的氧化铁皮。但我们在宝钢冷轧厂进行的大角度衍射分析表明，目前热轧来料氧化铁皮的主要成分是Fe3O4和Fe2O3，且Fe3O4占主要地位。因此其构成是不利于酸洗拉矫机机械破鳞作用的，这是由于随着铁的缓慢冷却发生了FeOFe3O4Fe的转变，因此适当降低卷取温度并加快冷却速度，以使冷却时间缩短，从而使FeO转变可以较早结束的工艺条件应该更有利于酸洗破鳞功能的成分发挥。而针对酸洗拉矫机设备结构来说，为增强破鳞效果可以考虑增加弯曲辊或设计更细的工作辊，亦可根据情况的变化将工作辊压下装置改成横向可调结构以更好的适应来料的变化。我们针对宝钢冷轧厂酸洗拉矫机所进行的小辊径工作辊破鳞效果实验取得了满意的效果，不仅使拉矫机拉伸电机及运行电机的负载分配更趋合理，同时也明显改善了拉矫机的破鳞能力，另外拉矫机延伸率控制系统的闭环也是其应用的发展方向。作者单位：王建国包头钢铁学院，014010 李同庆北京科技大学机械工程学院参考文献1 HEEvans，Materials Science and Technology，1988-05：4154202 岩藤秀一等，日本钢管技