冷轧辊毛化技术的应用发展.doc

带钢连续热镀锌光整辊毛化的发展及应用 李九岭1 戴周浩2（1.武汉市吉瑞集团，湖北 武汉430074； 2.武汉市凯瑞迪 激光技术有限公司 湖北 武汉 430050）摘 要：介绍了带钢连续热镀锌线光整辊毛化的作用，以及各种毛化方法，并重点讨论了无序激光毛化的应用前景。关键词：热镀锌；光整辊毛化；喷丸毛化；电火花毛化；激光毛化1、前言随着汽车工业、家电业及建材行业的快速发展，普通冷轧带钢已经无法满足上述领域对于冷轧薄板质量的要求，市场对高质量表面毛化冷轧板的需求越来越大。表面毛化冷轧板是由表面经毛化处理的轧辊轧制而成，具有表面粗糙度均匀、无划伤、无条纹等优点，其板面光亮整洁且板形良好。市场的需求推动了轧辊表面毛化技术的快速发展。到目前为止，钢铁工业轧辊毛化技术的发展已经历了三代：第一代是始于上世纪 60、70 年代的喷丸毛化技术，使用硬质砂丸高速喷向辊面实现轧辊表面毛化；第二代是上世纪 70、80 年代的电火花毛化技术，使用多头电极脉冲放电对辊面实行毛化；第三代是上世 纪 90 年代才开始研究和推广使用的激光毛化技术，即采用高能量密度高重复频 率的脉冲激光对冷轧辊进行毛化，以生产高品质的冷轧薄板。2、光整辊毛化的作用 经过毛化的光整辊在光整作业时可把自身的粗糙度按一定比例复印到热镀锌板面上，见表1。 表1 热镀锌板光整辊粗糙度级别及表面效果级 别板 面 粗 糙 度 ，Ra光 整 辊 面 粗 糙 度 ，Ra微 英 寸微 米表面状况微 英 寸微 米123425103510451035750.6250.250.8750.251.1250.250.8751.875光亮面灰暗面粗糙面粗糙面406060808010010014011.51.5222.52.53.5 所采用的光整辊直径，见表2。 表2 光整辊直径工作辊直径钢种620mmIF钢400mm08A1钢、低合金高强度钢 所采用的钢种不同，光整时选取的轧制力也不同，IF钢较小，08A1钢较大，见表3。表3 光整轧制力钢种工作辊直径，mm轧制力，吨延伸率，%IF620501200.30852.0 光整辊换辊采用一边推进一边拉出，时间和辊身长度有关，见表4。表4 换辊时间辊身长，mm换辊时间，秒210090185080165060 被具有粗糙度的光整辊毛化了的热镀锌板面具有以下特性： 2.1可消除带钢表面的色差提高装饰性 生产大锌花产品时，由于锌花的美丽可转移人们的视觉，所以有一些镀锌缺陷能躲在漂亮的锌花中不易被人发现。但是生产无锌花产品时，热镀锌的一切缺陷都暴露无遗。所以无锌花产品要获得均匀一致的外观是非常困难的。热镀锌镀层永远不会有电镀锌镀层那么均匀；而且随着原板表面的凹凸不平，镀层表面也会跟随产生起伏,再有镀锌板出锌锅之后，由于其边沿散热快，造成镀板横向温度分布不均，则使氧化膜厚度也产生了差异。上述的镀层厚度不均、镀层的高低起伏、氧化膜厚度不同，都会造成光的折射差异，这就表现出了无锌花镀层表面的色差。由此可见，无锌花镀锌板表面产生色差是必然的趋势。要想获得均匀一致的外观,提高板面的装饰性，通过光整机轧平表面并且由经过毛化的光整辊给予热镀锌板面一定的粗糙度，就可消除板面色差，而获得均匀一致的银灰色外观。2.2可提高进一步涂漆层的粘附力热镀锌镀层的粘附力是靠热扩散形成合金层来保证，彩板涂漆层与热镀锌板锌层的结合力是靠增加接触面积来实现的。增加接触面的唯一方法就是毛化热镀锌板表面，使表面漆在涂敷时进入麻坑中增加接触面产生拉力，这种结合力的增加常常称为齿合作用。热镀锌板表面的粗糙度只有通过毛化光整辊光整时复印到热镀锌板面来实现。2.3可提高深冲性能被毛化了的热镀锌板表面在做涂油防锈后处理时，就可在板面麻坑中储存更多的油，对后工序的深冲加工能产生良好的润滑作用。 3、光整辊毛化的种类 3.1 喷丸毛化喷丸毛化是一种传统的毛化方式，其工作原理为高速旋转的叶片将喷丸砂打在旋转的轧辊表面，使其产生微小坑点或凸起，使轧辊表面获得一定的粗糙度。其优点为工艺简单、效率高、设备成本低，但按照现在冷轧板技术水平的要求，其缺陷十分明显。喷丸毛化技术具有以下缺点：1）轧辊表面粗糙度均匀度差，粗糙度偏差可高达20% ；2）轧辊表面粗糙度低，峰值不可控；3）运营成本高，喷丸砂的消耗非常大，一般每根轧辊的喷丸砂费用在150300元；4）受轧辊硬度限制大，难以对半高速钢和高速钢轧辊进行表面毛化加工；5）轧辊表面粗糙度下降快，在冷轧板轧制的过程中由喷丸过程产生的凸起会很快磨掉，从而使粗糙度在轧制初期下降迅速，造成冷轧板表面质量稳定性差；6）喷丸毛化的轧辊表面所残留的细砂和辊颈处未擦干净的喷丸砂会对工作辊轴承、带钢表面以及磨床导轨均带来明显损伤；7）喷丸过程中产生的大量金属粉尘，污染严重，而且对电器元件产生不良影响。基于喷丸毛化技术明显存在以上不足，其加工工艺决定了它难以满足汽车工业及家电业对冷轧板表面质量及使用性能的高要求，因此喷丸毛化技术只局限于低端板材使用。3.2 电火花毛化电火花毛化技术（Electrical Discharge Texturing，简称EDT）是电火花加工技术在轧辊毛化加工中的实际应用。电火花毛化技术具有以下优点：1）轧辊表面粗糙度稳定性好：Ra均匀，再现性好，粗糙度稳定性在4%以内；2）粗糙度范围高：采用电火花毛化技术对轧辊表面进行毛化加工，轧辊表面粗糙度Ra在18m范围内，而且不受轧辊（半高速钢及高速钢除外）硬度的影响；3）钢板表面质量好：电火花毛化技术能提高钢板的深冲性、涂覆性及涂镀性等性能，钢板表面质量好。尽管电火花毛化技术能很好地改善钢板的表面质量，但它也存在一些不足之处：a）成本高：目前电火花毛化技术的整机成本通常在2000万元人民币以上；b）运营成本高：电火花毛化技术维修复杂，每年的维修费用在200万元人民币以上，每年的运营成本在300万元人民币以上；c）环境要求高：电火花毛化技术对环境的要求非常高，维护难度很大；d）未来受轧辊硬度限制：未来冷轧辊材料向半高速钢甚至高速钢方向发展，电火花毛化技术将满足不了再该种材质轧辊表面毛化的需求；在这个问题上法国的CK公司已经做了大量的试验工作。3.3激光毛化激光毛化（Laser Beam Texturing，简称LBT或LT）是采用高能量脉冲激光束聚焦照射于轧辊表面，利用激光束的高亮度在轧辊表面获得非常高的能量密度，使激光聚焦处的轧辊表面加热、熔化并部分汽化，形成毛化点。激光毛化技术具有一下优点：1）粗糙度稳定：使用激光毛化技术对轧辊表面进行毛化加工，轧辊表面的粗糙度均匀性好、粗糙度稳定性高，可重复性好，粗糙度稳定通常在3%以内；2）粗糙度范围大：激光毛化技术加工的轧辊表面粗糙度Ra在110m范围内可调；3）提高轧辊寿命：采用激光毛化技术对轧辊进行加工时，激光束快速对轧辊表面加热并快速冷却，也即相当于对轧辊进行激光淬火，因此可提高轧辊硬度，毛化辊的轧钢量是没毛化辊的两倍以上；4）节约辊耗：激光毛化轧辊的轧钢量提高，激光毛化技术能使辊耗降低10%以上；5）钢板表面质量好：激光毛化技术能提高钢板的深冲性、涂覆性及涂镀性等性能，钢板表面质量好；6）无污染：激光毛化技术对轧辊表面进行毛化加工时对环境不造成任何污染；7）不受轧辊硬度限制：激光毛化技术能满足所有材料的轧辊表面毛化加工要求，包括高硬度的半高速钢及高速钢材料轧辊；8）维护简单，费用低：经过多年的生产应用，激光毛化技术已逐渐成熟，设备稳定性已经很高，而且维护成本低。各种毛化技术对比，见表5。 表5 各种毛化技术对比项目喷丸毛化电火花毛化传统激光毛化脉冲串YAG激光毛化毛化原理物理加工熔化、汽化加工脉冲形式脉冲功率/W5005000毛化均匀性差好较差好粗糙度，Ra/m1.550.581.06.00.58.0板面质量差好差好毛化方式无序无序有序/仿无序无序辊耗大大小小环境污染高较高低低辊硬度影响非常高低无无加工时间（min/根辊）606013080过钢量11.512维护成本/万元30300206设备成本/万元8020002006001003004、 激光毛化技术的发展自从20世纪80年代比利时冶金研究中心成功研制出第一台CO2激光毛化设备以来，国际上相关研究机构和企业都对激光毛化技术和激光毛化加工工艺进行了大量研究，并取得了重大进展。冷轧辊表面激光毛化技术在推广应用的过程中，遇到了加工原理性的瓶颈，也即冷轧辊表面是由一道道平行的螺旋线叠加组成，在轧辊表面容易形成肉眼可视的螺旋线分布，影响冷轧板的美观。根据激光毛化工艺的成熟度划分，激光毛化技术主要经历了有序激光毛化技术、仿无序激光毛化技术和无序激光毛化技术等三个阶段。 4.1 有序激光毛化CO2激光毛化技术是有序激光毛化技术的典型，主要包括斩光盘调制式CO2激光毛化技术和多棱镜分光扫描CO2激光毛化技术两种。斩光盘调制的单头CO2激光毛化技术原理如图1所示.。斩光盘脉冲装置由聚焦镜、斩光盘、吸收体组成。斩光盘是在圆盘上加工出一系列锯齿形通光口结构，工作时高速电机带动斩光盘高速旋转对连续激光进行调制。斩光盘调制的CO2激光毛化技术加工的毛化点形貌为椭圆形，这主要是由激光聚焦点与轧辊切线方面存在较大相对速度所引起，见图2。图 1 斩光盘调制方式 图 2 斩光盘调制方式的椭圆形光斑多棱镜扫面分光式多头CO2激光毛化技术由华中科技大学陈培锋教授带领的激光毛化团队研制成功，其原理图如图3所示。高速电机带动多棱镜高速旋转，激光照射于多棱镜的某个镜面时，激光光束在一定角度范围内进行扫描运动，扫描的激光束被分光系统分为多个脉冲光束，经聚焦镜聚焦后同时在轧辊表面加工出多点阵分布条螺旋线。多棱镜调制式CO2激光毛化技术的毛化点形貌为圆形，见图4。 图 3 多棱镜分光扫描方式 图 4 圆形毛化点阵分布由于CO2激光毛化技术的激光毛化形貌是规则螺旋线分布，有序的激光毛化轧辊轧制出的毛化板存在规则的竖线，影响了板面的美观性，同时增加后续涂覆的成本，因此已基本被市场淘汰。 4.2 仿无序激光毛化仿无序激光毛化技术的典型特点是通过改变轧辊切线方向的点阵排列，由不均匀的周向毛化点排列降低螺旋线的规则性，主要包括声光调制式YAG激光毛化技术和调制式光纤激光毛化技术两种。声光调制式YAG激光毛化技术原理图，如图5所示。采用声光调Q器件对YAG激光器进行调Q，从而获得激光脉冲输出。可以通过对声光调Q器件的关断脉冲进行调制而使脉冲激光器以不同的脉冲形式进行关断，周向无序毛化效果图，如图6所示。由于声光器件的衍射效率有限，对于高功率激光器的关断能力比较差，激光器的平均功率比较低，通常在150W以内，因此高频率的激光脉冲输出时单脉冲能量比较低；同时由于声光调制式YAG激光毛化的峰值功率较高，容易在激光加工时产生等离子体，因此每个激光脉冲加工的毛化点阵比较浅。声光调制式YAG激光毛化技术的毛化效果比有序激光毛化效果有了较大的提高，但由于每个激光毛化点形貌还是规则形貌，其毛化宏观效果和微观形貌均无法取得很好的效果，已逐步被市场淘汰。 图5 声光调制式YAG激光器原理图 图6 周向无序毛化点阵分布随着光纤激光器在激光切割、打标及焊接等领域的广泛应用，2011年以来国内部分厂家尝试使用光纤激光器应用于冷轧辊表面毛化领域，采用的是SPI400W或IPG500W光纤激光器为激光源，直接通过电源调制占空比输出宽脉冲激光，通过控制激光脉冲的调制频率和脉宽，使激光毛化点在轧辊圆周方向的点阵排列不均匀，而且破坏了轧辊圆周方向螺旋线的规则性。其典型激光毛化效果如图7所示。为了保证冷轧辊表面粗糙度的均匀性，使用低占空比和相对稳定的调整频率，无法解决宏观螺旋线的有序问题。图8是在完全不考虑冷轧辊表面粗糙度均匀性的情况下，采用非常大的调制频率范围和反复随机重复毛化的工艺情况下获得的微观形貌效果，即微观无序，但其宏观均匀度非常差。从激光毛化工艺的角度来看，仿无序光纤激光毛化技术无法解决激光毛化点的规则性问题，单纯靠牺牲冷轧辊表面均匀性而模仿无序效果只能用于最低端的产品。除了激光毛化效果不佳外，调制式光纤毛化的形貌普遍是椭圆形，严重影响了钢板两个方向的一致性，同时存在加工效率低的缺陷，无法满足中高端板材的应用需求。 图7 典型光纤毛化效果 图8 极端不均匀光纤毛化效果 4.3 无序激光毛化在充分总结了有序激光毛化技术和仿无序激光毛化技术的失败教训后，结合高端冷轧板的表面毛化质量要求，武汉市凯瑞迪激光技术有限公司的激光毛化技术研究团队，在陈培锋教授的带领下，经过3年努力，成功开发出了国际首创的脉冲串YAG激光毛化技术，成为国际第一个真正意义实现冷轧辊表面无序毛化的团队。2012年率先推出脉冲串YAG激光毛化设备，并已经在热镀锌光整、冷轧平整、马口铁平整及轧机等冷轧板生产线中使用。 4.3.1 无序激光毛化技术原理脉冲串YAG激光毛化技术的技术核心是脉冲串YAG激光器，通过利用特殊设计的调制盘对连续半导体激光泵浦的YAG激光器进行Q调制，使YAG激光器在脉冲调制周期内产生一连串的脉冲串组，其中每个大脉冲串组由一连串很小的脉冲组成，如图9所示。脉冲串YAG激光器可获得高重复频率、高脉冲串组能量的脉冲串激光输出，特别适合应用于冷轧辊表面毛化加工。 图9典型激光脉冲输出波形图 图10脉冲串YAG激光毛化微观效果无序毛化技术最核心的工艺是通过脉冲串组中不同激光脉冲时间和空间分布在10s时间内和0.2mm范围内重复加工，从而使每个激光毛化点的形貌都是杂乱不规则的，可从根本上避免了激光毛化技术毛化点“有序”的特点。脉冲串YAG激光毛化设备加工的冷轧辊表面形貌，如图10所示。这种毛化技术既实现了冷轧辊表面无序毛化，又保证了冷轧辊表面毛化粗糙度的均匀性，彻底消除了色差缺陷。 4.3.2 脉冲串YAG激光毛化设备如图11所示，脉冲串YAG激光毛化设备由毛化专用数控机床、脉冲串YAG激光器及冷水机组等三个部分组成。由图11可见，激光器安装于数控车床拖板上，可灵活通过数控车床控制激光器在X轴、Z轴两个方向精确定位加工，可保证轧辊毛化的粗糙度均匀度在4%以内，满足高端冷轧板的生产工艺要求。经过多年实践，已经掌握了成熟的激光毛化加工工艺，使激光毛化轧辊满足高端冷轧板的要求。图12为轧辊激光毛化后效果图，辊面的均匀度非常好，可达到电火花毛化水平。图13为激光无序毛化微观效果图。图11 脉冲串YAG激光毛化设备图12激光无序毛化轧辊表面效果图 图13激光无序毛化微观效果图 脉冲串YAG激光毛化设备的加工能力，见表6。 表6 激光毛化