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1、验收材料之五“降低优特钢表面划伤不合格率”项目结题报告 2010-11月目 录1 优特圆钢成品表面划伤缺陷形貌及来源分析11.1 棒材厂主要设备概况11.2 轧件表面划伤缺陷形貌分析11.3 优特钢表面划伤造成的危害31.4 优特钢表面划伤缺陷原因分析32 优特钢轧制过程的三维有限元模拟仿真分析112.1 模型的建立112.2 结果后处理212.3 按轧制程序表中工艺参数的有限元仿真结果302.4 修正轧制程序表后的有限元仿真结果302.5 圆钢成品孔型的有限元分析332.6 优特园钢的三维有限元仿真结果363 解决优特钢轧件表面划伤的措施374 存在的问题及改进意见505 实施效果506 项
2、目总结53- 1 -1 优特圆钢成品表面划伤缺陷形貌及来源分析为研究优特钢棒材表面划伤缺陷的机理，必须对优特钢轧制过程中轧件及成品表面划伤缺陷形貌及来源进行分析，以找出解决措施，降低优特钢表面划伤不合格率，以提高优特钢棒材产品综合合格率。1.1 棒材厂主要设备概况棒材厂轧线主要设备布置示意图如图1.1所示，全线22架轧机平立交替布置，分为开坯、粗轧、中轧、精轧4个机组，开坯与粗轧机组为脱头轧制，粗轧、中轧、精轧实现连轧，全线微张力或无张力无扭轧制，轧制过程由计算机自动控制。开坯机组是4架750的短应力线轧机；粗轧机组4架520和2架380的闭口式轧机；中轧机组6架380闭口轧机；精轧机组6架3
3、00预应力轧机。为适应优特钢棒材生产2008年进行了改造，将中轧机组改为380短应力轧机，并对原推钢式加热炉燃烧系统进行了改造，现为天然气、重油两套燃烧系统可交替使用，在开坯机组前加高压水除鳞系统。最高轧制速度为18m/s，设计年产量为30万吨，实际达到55万吨。1-加热炉；2-1#夹送辊；3-开坯机组；4-160t热平剪；5-2#夹送辊；6-粗轧机组；7-1#飞剪；8-中轧机组及1#活套；9-2#飞剪；10-精轧机组及2#-7#活套；11-3#夹送辊及3#飞剪；12-步进齿条式冷床；13-定尺冷剪；14-收集、打捆、称重台架图1.1 武钢棒材厂轧线主要设备布置示意图1.2 轧件表面划伤缺陷形
4、貌分析1.2.1表面划伤缺陷形貌特征1.2.1.1 缺陷形状及分布该缺陷特征比较明显, 划伤在棒材表面表现为通长纵向的一条或数条或短或长线状划痕，缺陷形貌见图1.2。此缺陷出现的位置不固定，在棒材塞位侧出现的较多。该缺陷的另一个特征是划伤方向始终相同，即基本与轧件轴线平行。1.2.1.2 缺陷金相组织及能谱分析为了进一步分析划伤缺陷产生原因，对轧制45#钢40圆钢棒材成品划伤处进行了金相组织分析，划伤缺陷处的能谱分析及金相照片见图1.3。缺陷处未发现异常的非金属夹杂物。由金相组织照片可观察到明显划伤痕迹，结合缺陷颜色发亮，初步认定此缺陷为硬性挫伤，中轧出口以后产生的可能性较大。图1.2 优特钢
5、划痕特征试样（500像素数码相机拍摄）a-轧制45钢40试样划痕形貌；b、c-轧制40Cr钢30试样划痕形貌1.2.1.3 45#优特钢表面脱碳分析 图1.3 划伤缺陷处能谱分析及金相照片（(a)-电镜能谱分析；(b)-金相组织） 图1.4 2边部脱碳 图1.5 2组织：F+P+W的混合组织对轧制45#钢40圆钢棒材成品表面脱碳分析，4个试样的加热时间及脱碳深度见表1.1。其金相组织：1：F+P，边部有W；2：F+P+W少；3：F+P，边部有少量W；4：F+P，边部有少量W。图1.4为2#试样边部脱碳情况图，图1.5为2#试样混合组织金相图。而表面脱碳与钢的高温氧化密切相关，与其化学成分对比可
6、知，脱碳层深度与试样的含碳量、碳当量呈正比。表1.1 不同试样的加热时间及其脱碳深度序号1234脱碳0.36mm0.40mm0.17mm0.15mm加热时间min871202931.3 优特钢表面划伤造成的危害图1.6 带连续划痕40圆钢（45钢）试样加工成零件优特钢表面质量缺陷有划痕、折叠、凹坑等多种，但是划痕是上述表面质量缺陷中最常见的一种。一般划痕的深度超过 0.2 ，不能修磨，成为废品。若带有划痕的优特钢出厂，在后续加工中会产生开裂、裂纹或金属切削量不足等问题。很多热连轧的优特圆钢棒材划伤在下工序的酸洗、拉拔中无法消除。特别是热划伤其后的深加工尺寸减小，最终会在圆件表面暴露出一条重皮、
7、夹层，去掉重皮后, 一条通长的深划痕，不仅影响零件表面的美观和光洁度，并且由于划痕部位应力集中，在用户使用或再加工时易开裂，如图1.6。1.4 优特钢表面划伤缺陷原因分析针对武钢棒材厂生产线实际工艺及设备运行情况，结合武钢棒材厂轧制优特圆钢过程中，轧件表面划伤统计数据分析及出现表面划伤时整个轧制线的实际调整经验。认为武钢棒材厂轧制优特钢成品表面划伤的主要来源在于轧制过程中的热划伤及轧后输送辊道上、2#飞剪前后导槽引起的冷划伤。引起划伤的主要原因可归结为工艺原因产生的划线及设备原因产生的划线。1.4.1 工艺原因引起轧件表面划伤1.4.1.1 生产线上的轧制线偏离，使得轧件在轧制及其输送过程中处
8、于不稳定状态武钢棒材厂原轧制线相对于轧机地脚板标高+800mm，整个生产线的轧制线应该不变。由于武钢棒材厂08年为提高中轧机组轧机刚度，将原来的闭口机架轧机改为短应力线轧机，以提高产品尺寸精度，以利于开发大规格优特圆钢。但随后出现中轧机组没有轧制线基准问题，使得粗、中、精轧机组及1#、2#、3#飞剪，包括轧后输送辊道的溜钢线不一致（参见图1.7的辊道磨损情况，靠辊道传动侧单边磨损严重与图1.8 2#飞剪操作侧划伤情形一致）。图1.7 3#飞剪与冷床制动滑板之间的轧件输送辊道磨损情况图1.8 2#飞剪前导卫过钢示意图a-俯视图，轧制30，40Cr钢；b-主视图，轧制40，45#钢图1.9 武钢棒
9、材厂中轧机组及机架间过钢情况图1.9为武钢棒材厂中轧机组机架间过钢情况，轧制40圆钢（45#）。明显的相邻机架轧制线（水平方向、垂直方向）均有不同程度的偏移，结合图1.8可知，轧件在2#飞剪入口导槽处（偏向操作侧接触该导槽外侧板）划伤严重。1.4.1.2 孔型设计修正后，进出口导卫内腔尺寸设计不合理由于武钢棒材厂考虑到优特钢与普碳钢孔型的公用性，在孔型设计上作了相应修正，轧制优特圆钢的导卫，是在原来轧制普碳圆钢、螺纹钢的导卫修正而来。滑动导卫内腔尺寸相对优特钢轧件尺寸过紧，由于滑动导卫内表面与轧件表面为滑动摩擦。则一方面加剧导卫内腔受力面磨损；或由于轧制工艺参数调整（如调压下、调轧辊转速等），
10、可能引起机架间堆拉关系变化，加剧滑动导卫内腔与轧件接触面磨损。如不及时更换则可能引起接触表面热划伤。1.4.1.3 钢坯加热不均匀及黑印 由于采用推钢式加热炉，加热炉中的滑轨易出现黑印，加上加热能力不够，轧件上下表面温度可能不一样。轧件上下表面温度不均匀轧机出口轧件头部上翘问题在粗轧表现较为明显，轧件在粗轧轧制速度较慢，轧件上表面温度比下表面温度低造成轧件出轧机时头部上翘。头部上翘存在两种情况：水平轧机出口轧件上翘(主要是1H轧机)，由于轧件温度不均匀，引起上下表面变形不均匀，另外，出口导卫上没有盖板；立式轧机出口轧件上翘，按常规安装进口导卫的高度，进口导卫夹持不住轧件，由于轧件温度不均匀引起
11、上下表面变形不均匀，引起出口轧件向上弯。上弯的轧件进入下一道轧机会冲击其进口导卫，加剧上表面磨损，严重时会划伤轧件上表面。侧弯主要是指中轧、精轧水平轧机出口轧件，主要原因是进口导卫间隙过大以及进口导卫对偏，加剧进口导卫或导轮单侧磨损，严重时会划伤轧件上表面。钢坯加热不均匀及黑印对轧制过程调整的影响由于武钢棒材厂采用的是推钢式加热炉，由于加热炉滑轨引起的水印，轧制过程中会出现轧制电流的较大波动，而计算机控制系统是采用张力电流法，只要电流有较大波动，微张力控制系统就会干预，其结果易引起堆拉关系混乱，一方面轧件尺寸可能有较大非正常波动，导致成品尺寸精度不够高（特别是轧制大规格优特圆钢，即从中轧机组出
12、成品），另一方面，轧件尺寸波动，增加人工调整频率，导卫与轧件接触面摩擦力大小和方向都有可能变化，加剧导卫磨损，引起导卫（特别是滑动导卫）划伤轧件表面。1.4.1.4 活套参数的设置图1.10为立式活套起套高度及其套量计算示意图。设活套器压辊间距为L，活套高度为h。将轧件在活套器内形成活套形状近似看成正弦曲线，则活套量、活套跨度和活套高度关系如下: (1.1)式中，-活套量；-活套器压辊间距；-活套高度。图1.10 活套高度及其套量计算示意图中精轧机组采用立式活套是为了实现无张力轧制，以保证成品尺寸精度。一方面由于直流主电机动态速降的影响，轧件咬入下一架轧机时，必然在两机架间形成固定套量，另一方
13、面轧制过程是一个动态过程，许多工艺参数的变化可能引起机架间秒流量的变化。其套量的变化与套高的平方成正比，不是线性关系。如果活套高度变化过大，则其其活套量的变化会成平方关系变化，即套量的变化会很大，若活套辊的响应频率不够快，势必形成瞬间堆钢，会接触前一机架的出口导卫或下一机架的入口导卫的底板或活套压套辊的底板，形成滑动摩擦，则会划伤轧件下表面。1.4.2 设备原因引起轧件表面划伤主要指轧制线上各种导槽、输送滚道、滑板及群板辊道等设备的底面或侧面与轧件产生滑动摩擦而引起划伤。1.4.2.1 生产线上的输送辊道的磨损、堆焊、粘附氧化铁皮轧制过程中的输送辊道，主要指开坯机组前、后V形地辊及粗轧机组前后
14、输送水平辊道，见图1.1114。 图1.11 开坯与粗轧机组间辊道（中间有5个无驱动的自由辊道）图1.12开坯与粗轧机组间V形辊道组(a)-开坯与粗轧机组间V形辊道组；(b)-开坯02V出口V形辊道过钢情况图1.13 开坯与粗轧机组间V形辊道及其槽型(a)-V形辊道底部未予堆焊；(b)-V形辊道槽底堆焊图1.14 开坯与粗轧机组间水平辊道及其磨损情况 (a)、（b）、（c）-辊道中间磨损严重后堆焊处理后结果；（d）-辊道中间磨损不严重后未堆焊轧件在这些输送辊道以不同的速度运行，正常情况下与轧件接触的辊道与轧件的运行速度同步，而静止的设备是不与轧件表面接触的。轧件在输送辊道上运行划伤的根源在于辊
15、道表面有局部小凸起，表面粗糙，不光洁。辊道表面磨损、堆焊。由于高温优特钢更易于氧化，虽经高压水除磷，随后还会二次氧化，故轧件与辊道接触时，可能出现打滑而出现相对滑动，如果为避免打滑在磨损的辊道表面（见图1.14(a)、（b）、（c）、V型槽底（见图1.13（b）堆焊处理，加上此时轧件单重较大，加重辊道表面磨损，这轧件表面可能划伤；粘附氧化铁皮。接触物表面光滑，但在输送过程中，由于优特钢表面产生的氧化铁皮粘性大，氧化铁皮极易在接触物的易磨擦位产生局部堆积，而这些局部堆积又作用于轧件表面产生划伤。如图1.13V型辊道槽型侧面；接触物发生异常突起，有高于辊道平面的异物出现。如辊道间的过渡板和固定过渡板的螺栓是低于辊道平面的，当由于撞击或装配不合适，高于辊道平面后，就会于轧件下表面接触而产生划伤；输送线出现死辊和自由辊，包括停转或相对停转的辊道。如当辊
