带钢热镀锌光整辊毛化的发展及应用

1 带钢连续热镀锌光整辊毛化的发展及应用带钢连续热镀锌光整辊毛化的发展及应用 戴周浩 1 张雨泉 2 李九岭 3 1 武汉市凯瑞迪激光技术有限公司 湖北 武汉 430050 2 武钢冷轧总厂 湖北 武汉 430083 3 武汉市吉瑞化工科技有限公司 湖北 武汉 430074 摘摘 要 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 关键词 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 前言前言 随着汽车工业 家电业及建材业的快速发展 普通表面热镀锌板已经无法满足上述领 域对于板面的质量要求 市场对高质量表面的毛化热镀锌板的需求量越来越大 热镀锌板 表面毛化是由表面经毛化处理的轧辊轧制而成 它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 热镀锌薄板 而激光毛化技术发展也经历了 CO2 激光毛化技术 有序毛化 声光调 QYAG 激光毛化和光纤电源调制激光毛化 仿无序毛化 脉冲串 YAG 激光毛化 无序毛 化 三个阶段 其中前三种传统毛化技术通过大小一致的毛化点实现轧辊有序毛化 或者 通过一定毛化点的无序排列仿无序毛化 最新开发的脉冲串 YAG 激光毛化技术则直接将 传统激光毛化大小一致的毛化点 打碎 实现与电火花毛化一致的无序毛化 2 光整辊毛化的作用光整辊毛化的作用 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 板 面 粗 糙 度 Ra光 整 辊 面 粗 糙 度 Ra 级 别 微 英 寸微 米表面状况微 英 寸微 米 1 2 3 4 25 10 35 10 45 10 35 75 0 625 0 25 0 875 0 25 1 125 0 25 0 875 1 875 光亮面 灰暗面 粗糙面 粗糙面 40 60 60 80 80 100 100 140 1 1 5 1 5 2 2 2 5 2 5 3 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 620mm IF 钢 2 400mm 08A1 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 IF 620 50 1200 3 08A1 400 300 5000 5 2 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 210090 185080 165060 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 生产无锌花产品时 热镀锌板表面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 再有热镀锌板出锌锅之后 由于其边沿散热较快 会造成镀板横向温 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 而获得均匀一致的漂亮的银灰色外观 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 在后工序的深冲加工时 通过储存在坑中油的逐渐释放就能产生良好的润滑作用 3 光整辊毛化的种类光整辊毛化的种类 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 其缺陷也十分明显 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 150 300 元 3 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 1 8 m 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 一次性投入成本高 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 1 8 m 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 4 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 W 5005000 毛化均匀性差好较差好 粗糙度 Ra m1 5 50 5 81 0 6 00 5 8 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 年30300206 设备成本 万元80 2000200 600100 300 如上表所示 毛化工艺 喷丸毛化 电火花毛化与脉冲串 YAG 激光毛化都可实现真正的无序 毛化工艺 而传统激光毛化技术 不能把毛化点打碎 只能做到有序或仿无序工艺 表面粗糙度 喷丸毛化与传统激光毛化技术加工的轧辊表面粗糙度均匀性较差 一般不均匀性超过 15 而电火花毛化和脉冲串 YAG 激光毛化技术粗糙度均匀性可 以控制在 5 以内 板面质量 喷丸毛化技术的钢板表面质量最差 其次是传统激光毛化技术 而电 火花毛化与脉冲串 YAG 激光毛技术化钢板质量非常接近 都非常好 这主要是由钢 板表面粗糙度的均匀性与稳定性所决定的 过钢量 喷丸毛化及电火花毛化技术不能提高轧辊表面硬度 而激光毛化技术在 脉冲功率达到 5000 瓦时能在辊面实现激光淬火 提高轧辊表面硬度 可以很好的延长 轧辊使用寿命 过钢量可以提高一倍以上 轧辊硬度影响 喷丸毛化技术受轧辊硬度影响非常大 只能加工低硬度轧辊 电 火花毛化技术不受普通硬度轧辊限制 但不能应用于半高速钢和高速钢材料轧辊 而 激光毛化技术则不受轧辊硬度限制 是未来冷轧辊表面毛化技术的发展方向 加工时间 由于原理的不同 喷丸毛化技术的加工效率最高 其次是电火花毛化 技术和脉冲串 YAG 激光毛化技术 传统激光毛化技术加工时间最长 运营成本 喷丸毛化技术中 随着轧辊硬度的提高和毛化粗糙度的提高 砂丸的 消耗增大 每天按 8 根辊计算 一年费用在 30 万以上 而激光毛化技术只需少量的电 气费用 一般一年在 10 万以内 对于电火花毛化技术 由于其苛刻的环境要求 以及 复杂的设备维护 每年费用超过 300 万 5 4 结语 结语 综上所述 经过现场实践 最新开发的脉冲串 YAG 激光毛化技术已经能够克服 传统激光毛化技术的固有有序化的弊端 突出激光毛化均匀 寿命长 运营成本低 维护方便的特点 完全能够满足高端板材技术要求 从九十年代初开始算起 激光毛化技术在中国的发展经历了近 30 年时间 随着激 光技术的发展 激光毛化技术先后采用了 CO2 激光技术 声光调 QYAG 激光技术和 光纤激光技术 在相应的阶段这些激光技术都是当时最先进的激光技术 正是由于在 激光毛化领域中长期的