西马克轧机过滤系统一种设计缺陷的机理分析

喻翠平，罗 虎

(山东南山铝业股份有限公司 龙口南山铝压延新材料有限公司，山东 龙口265706)

随着我国铝工业的发展，铝易拉罐料已经完全实现自主供应并大量出口，目前我国已成为罐料的生产大国和供应大国。根据国内板带轧制厂设备设计产能统计，国内罐料产能供应量可以满足全球罐料需求的一半以上。我国生产罐料用的冷轧机主要来自西马克，如南山、魏桥、瑞闽、中孚、忠旺等轧制厂[1]。罐料的质量要求严格，制罐过程的多种缺陷均可能来源于罐料铝材的产品质量缺陷。设备的可靠性是影响产品质量的重要因素之一，一旦设备设计过程中出现缺陷，则意味着铝材的产品质量就会受到影响。

根据公司十多年的罐料生产经验，在追求 “零缺陷”质量目标的同时，逐步对罐料常见的断罐、开裂、针孔等缺陷的产生原因及机理进行研究。在分析多起针孔缺陷的过程中，结合相似缺陷的形貌进行总结，发现一种压入型缺陷造成的针孔与冷轧机过滤系统的设计有关。

1 样品来源及分析

样品来源为下游制罐厂反馈的针孔缺陷样品。针孔缺陷在整批次个别卷材中随机出现，每卷偶发1～2处。分析样品来源于单方向一次冷轧出成品的多个客户的多个卷材。

图1为多个针孔样品缺陷的宏观形貌图，RD为铝材轧制方向，MD为拉伸制罐方向。针孔形貌特点是：针孔与轧制短条状缺陷共存，且缺陷沿轧制、制罐方向存在两个方向拉伸变形(双向拖尾)；沿轧制方向的短条状缺陷均为罐内缺陷而非罐外缺陷，即对应铝材的上表面而非下表面。

图2分析了针孔部位的截面/表面微观形貌。从图2形貌分析孔洞部位多呈圆形压坑，部分样品压坑内部存在异常成分，经分析异常部分主要元素为Al-Si-O，以及少数轧制油残留的C元素，无其他元素，异常点部位的能谱图分析结果及元素分布比例如图3所示。图2(e)(f)中能清晰可见样品3异物掉落压坑，同时根据压坑处弧度大小、长度及尺寸比较，压坑处原始异物颗粒尺寸超过50μm；从图2(a)(b)(c)(d)可见，样品1及样品2造成压坑的异物颗粒尺寸超过100μm。

2 分析与讨论

根据样品分析中缺陷压坑处形貌为异物掉落后的弧形痕迹，结合异物元素主要为Al-Si-O化合物，从针孔罐的制罐及铝材生产流程中展开Al-Si-O异物源的调查。

熔铸工序存在Al-Si-O杂质的来源可能为耐火材料颗粒脱落。通常耐火材料颗粒脱落尺寸较大，以公司的多级组合过滤方式完全可以拦截，在铸锭中发现此类夹杂的可能性很少，并且同批次其他客户的产品中均未反馈针孔问题，因此很难确定是熔铸问题。在熔铸过程中，杂质颗粒与铝基体接触呈圆形团块状夹渣，且熔铸高温情况下夹渣与铝基体紧密结合，罐料基材厚度在0.25mm以上时，熔铸夹杂异物经轧制无法形成多个方向短条状拖尾，异物压坑周围不会存在细小的夹杂残留。因此，此类针孔罐缺陷样品中分析的Al-Si-O杂质与铝基体结合的形貌不符，所以排除熔铸工序。

制罐工序及铝材精整工序Al-Si-O杂质来源一般是设备和空气中的砂粒。如果杂质发生在制罐过程及铝材精整工序，缺陷存在于铝材表面不会被压入铝材，不会出现沿轧制方向的短条状缺陷，仅在制罐过程中颗粒沿制罐方向出现拖尾。同时，如果精整过程导辊上存在砂粒，则容易在铝材上出现硌伤或辊印的缺陷，具有一定的周期性。而此类针孔缺陷的出现概率极低，一卷仅1～2个，因此排除制罐过程及卷材精整过程。

排除熔铸、精整和制罐工序，剩下重点调查工序主要为轧制工序。轧制工序中能带入辊缝造成压入缺陷的主要是润滑介质，轧制润滑介质有热轧乳液和冷轧轧制油。热轧乳液过滤只有过滤布没有过滤介质，Al-Si-O缺陷来源只可能来自于灰尘颗粒。若在热轧工序产生，首先其必须为大颗粒，能够抵抗轧制过程的乳液吹扫和空气吹扫的冲刷作用；其次在热状态下颗粒压入带材，热加工状态下铝基体会将颗粒包裹碾压，卷材仅经单方向一次冷轧出成品，因此只存在单方向拖尾线条缺陷，与缺陷形貌的沿轧制方向双向拖尾特征不符，因此排除热轧原因。冷轧轧制油过滤介质为活性白土和硅藻土。冷轧过程中活性白土和硅藻土用来过滤轧制油中的铝粉，保持油品的纯洁度，是目前生产过程中不可取消的过滤介质。活性白土的化学组成为SiO250%～70%、Al2O310%～16%、Fe2O32%～4%、MgO 1%～6w%等，是一种极性物质，本身无孔隙，尺寸大部分在1μm～15μm之间，其作用是吸附轧制油中直径小于1μm的铝粉等杂质。硅藻土的化学成分主要是SiO2(90%以上)，含有少量Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等和有机质，是一种硅酸盐材料，内部有一定孔隙，能将轧制油中直径大于1μm的杂质及吸附杂质后的活性白土过滤掉。活性白土和硅藻土的微观照片和过滤机制见图4。图3中分析异物元素组成与冷轧过滤介质成分相似度极高，因此，压坑为大颗粒活性白土或者吸附活性白土的硅藻土脱落造成，压坑周围残留物质为活性白土。

正常而言，冷轧过滤介质经板式过滤器过滤之后，通过轧制油主管道进入轧机喷淋系统，但是仍存在个别尺寸较大的硅藻土和活性白土未经板式过滤器拦截，直接通过轧制油主管道进入轧机喷淋系统。轧机喷淋系统安装多排喷嘴，其中辊缝基础冷却、轧辊冷却以及边部热油的喷嘴梁均安装有精度等级为1μm的滤芯，但是上中间辊与支承辊冷却的喷射梁并未设计安装滤芯。因此，未被板式过滤器拦截的硅藻土和白土从此处喷淋系统进入辊缝。单方向一次轧制出成品的罐料，冷轧过程如何形成铝材上的双向拖尾短条纹，需要从轧制机理分析,如图5所示。

轧制过程中异物从1点(接触角起点)至压入的2点(中性面)之间形成由浅至深的压过痕迹，从中性面之后受前滑的影响仍将继续沿轧制方向运行直至完成轧制，因此中性面之后异物后方金属受质点阻挡，金属将存在沿轧制方向的变形形成拖尾现象，直至质点影响作用减弱，短条状缺陷拖尾消失。轧制过程中，上喷射量喷出的轧制油途经铝材上表面后从铝材边部进入轧制油循环系统，下辊喷射梁的轧制油经辊缝之后直接进入轧制油循环系统，铝材表面不作为油的载体，因此此类压入现象常见于铝材上表面，即对应罐内的缺陷特征。

3 结论与解决措施

根据以上分析，产生针孔缺陷的根本原因是，冷轧过程中轧制油中的硅藻土和活性白土被压入，未经有效过滤而进入辊缝造成的。针对如何减少或者避免过滤介质进入轧制辊缝喷淋系统提出整改措施：

(1)方案一。在净油箱至轧机供油管道中间增加容易更换的过滤装置，并制定相应过滤装置的更换周期，按照更换周期进行维护。

(2)方案二。在上中间辊与支承辊冷却的喷射梁增加滤芯，并制定相应滤芯的更换周期，按照更换周期进行维护。但此类改造后期清理更换的时间比方案一耗费的生产时间长。

(3)在以上两种方案均无法实施的情况下，主要是严格控制板式过滤器过滤效果，尽可能避免硅藻土和活性白土随轧制油带入轧机喷射系统，同时关注轧制油污染度和浊度情况。

目前部分企业已经针对此问题进行了设备改造[2]，其他企业也可以参考以上整改措施，结合各自设备的实际条件进行整改，来解决企业在实际生产中类似压入型异物的质量问题。