冶炼厂生产线精轧工作辊氧化膜剥落影响因素研究

刘序江

（1.四川大学化学工程学院，四川 成都 610065；2.攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司，四川 攀枝花 617000）

热轧板材的表面氧化铁皮缺陷是各冶炼厂长期的治理重点。金属表面的氧化缺陷对产品的后续酸洗、成型等加工都起着明显的制约作用。尤其是随着“以热代冷”的热轧酸洗板等典型产品广泛应用于汽车、自行车、家用电器、防盗门等产品制造，用户对产品表面质量的要求越来越高。

在金属板表面氧化缺陷中，有很大一部分是由轧辊氧化膜剥落造成的。热轧工作辊的氧化膜生成与剥落行为与其服役的环境有关。轧辊在大载荷、高温、高速以及骤冷骤热的条件下，轧辊表面会形成一层氧化膜，随着外部条件的变化，生成氧化膜的厚度、强度不尽相同，在与轧材、支承辊以及轧辊内部热应力的交替作用下，氧化膜将产生裂纹，并在轧制过程中扩展，最终导致氧化膜脱落。剥落的氧化膜压入金属板表面，将严重影响产品质量[1]。因此，对轧辊氧化膜剥落的影响因素进行研究，对降低热轧金属板表面氧化缺陷具有重要意义。

1 轧辊氧化膜缺陷现状

研究发现[2]，在所有精轧工作辊中，F1～F3机架工作辊所受载荷条件最恶劣，在高温、高速、大压下量和骤冷骤热条件下工作，其辊面氧化膜承受周期性的巨大的交变应力，达到一定的极限后，辊面氧化膜中微裂纹在裂纹源处产生、扩展。裂纹尺寸扩展到一定程度时，垂直于辊面的裂纹与平行于辊面的裂纹汇合发生剥落。另外，在工作辊和热轧金属板间强大的剪应力作用下，轧辊辊面氧化膜也容易发生脱落[3]。生产实际中，轧辊上的氧化膜剥落缺陷多见于F1～F3机架。

轧辊氧化膜剥落后在轧制过程中压入产品表面，是形成氧化膜缺陷的重要原因。轧辊表面的氧化膜剥落形态与金属板表面的氧化膜缺陷对照关系如图1所示。

图1 轧辊表面氧化膜剥落与金属板表面氧化膜缺陷形貌对照

通过对氧化铁皮缺陷在不同金属种类中的比例分布统计，结果表明，轧辊表面氧化缺陷发生在强度相对较高的SPHC、SAPH400、SPAH440、P510CL中的比例为72.2%，而强度相对较低的SAPH370、Stw22、Q195等其他金属种类中的比例为27.8%，统计结果如图2所示。

经统计，氧化膜缺陷在不同规格产品中的分布如图3所示。氧化膜缺陷出现在金属板厚度规格为1.8mm～2.5mm中的比例约为48%，厚度规格为2.5mm～3.0mm中的比例为42.7%，只有9.3%的比例出现在厚度规格大于3.0mm的产品中。

图2 轧辊表面氧化缺陷在各金属板中的比例

图3 氧化膜缺陷在厚度规格中的分布

由此可见，氧化膜缺陷在薄规格和强度相对较大的品种金属种类中出现几率较大。而金属板的规格与强度的差异，影响的主要还是轧制过程的轧制温度和负荷，这一定程度上印证了高温、高压力导致轧辊氧化膜剥落从而增加了轧辊氧化膜剥落缺陷。

2 关键影响因素研究

鉴于轧辊氧化膜剥落与不同种类金属板表面氧化膜缺陷的对应关系，采用单一变量法，分别对热轧精轧机组可有效控制的开轧温度、工作辊冷却水、轧制负荷与金属板表面氧化膜缺陷率的关系进行了研究。精轧开轧温度与金属板氧化膜缺陷率的对应关系如图4所示。随着金属板开轧温度的提高，氧化膜缺陷率呈S型增长。即开轧温度低于1070℃时，随着开轧温度的升高，氧化膜缺陷率增加较为缓慢；在开轧温度处于1070℃～1090℃时，随着开轧温度升高，氧化膜缺陷率急剧增加；当开轧温度高于1090℃时，氧化膜缺陷率一直处于相对较高的水平，并不随着开轧温度的升高而继续增加。

图4 开轧温度对氧化膜缺陷的影响

工作辊冷却水量与金属板氧化膜缺陷率的对应关系如图5所示。当冷却水量低于75%时，氧化膜缺陷率处于较高水平。当冷却水量大于80%时，氧化膜缺陷率较低，并不随冷却水量的增加而明显变化。

图5 冷却水量对氧化膜的影响

轧制负荷与金属板氧化膜缺陷率的对应关系如图6所示。氧化膜缺陷率随着轧制负荷的增加呈近似J型曲线增长。即随着轧制负荷的增加金属板表面氧化膜缺陷率一直呈增加状态。

图6 轧制负荷对氧化膜的影响

3 分析讨论

开轧温度低于1070℃时，轧制过程中轧辊温度相对较低，轧辊表面氧化膜生长速度较为缓慢，结构致密，与轧辊结合力相对较强。

随着开轧温度的升高，轧辊表面氧化膜生长速度快速增加，氧化膜成分逐渐变得结构松散，与轧辊结合力变弱，轧辊氧化膜容易剥落，形成氧化膜缺陷。当轧辊表面的氧化膜全部转化为结构松散的成分后，轧辊氧化膜剥落及金属板表面氧化膜缺陷达到最大，并且不随着开轧温度的继续升高而变化。

工作辊冷却水量对轧辊氧化膜剥落的影响与开轧温度原理相同。当冷却水量低时，轧辊表面温度相对较高，生成的氧化膜结构相对松散，与轧辊结合力弱，容易剥落形成表面的氧化膜缺陷。当冷却水量大于80%时，轧辊轧制过程与金属板的交换热能及时得到冷却，轧辊表面生成的氧化膜结构致密，与轧辊结合力强，不易剥落，因此金属板表面氧化膜缺陷减少。当轧辊表面温度冷却到一定程度后，其氧化膜成分结构不再发生变化，所以金属板表面氧化膜缺陷也不再明显变化。

轧制负荷在轧制过程中与轧辊表面氧化膜所受剪切力呈正相关关系，轧制负荷越大，轧辊表面氧化膜受到的剪应力越大，越容易剥落。所以轧制负荷越大，氧化膜缺陷率越大，并且呈J型曲线趋势。

4 结论

轧辊氧化膜剥落是金属板表面氧化膜缺陷形成的重要原因。而开轧温度、轧辊冷却水、轧制负荷均对轧辊氧化膜的剥落缺陷有着重要的影响。

开轧温度对轧辊氧化膜剥落缺陷的影响，呈先增加速度小，后增加速度增大，然后又增加速度减小的规律。因此，在制定轧制规程时，尽量将开轧温度控制在快速增长之下为宜，即低于1070℃。

工作辊冷却水量对轧辊氧化膜剥落缺陷的影响，主要看水量是否能有效的降低轧辊表面温度，过多的水量并不会有更大的益处，一般工作辊冷却水量控制在85%左右即可。轧制负荷与轧辊氧化膜剥落缺陷呈正相关关系，应作为轧制过程控制的重点。