轧制周期内表面粗糙度变化规律的研究

第30卷第5期2008年10月山东冶金ShandongMetallurgyVol.30，No.5October2008摘要：带钢表面粗糙度是由轧机成品道次工作辊表面显微几何结构的压印形成的，为了解在一个轧制周期内钢板表面随轧制长度的变化规律以及轧辊辊面、不同厚度、钢种等对粗糙度的影响，选用HOMMELTESTERT1000粗糙度仪，对SPHC、SDC01和SDC05钢种现场测量了带钢表面粗糙度的变化。结果表明，粗糙度随轧制长度的增加，中间有两个低谷；初始辊面的粗糙度中心部分较好，遗传到带钢的宽度方向上；粗糙度随带钢厚度的增加而增加；硬度越高的钢种粗糙度越好。根据试验结果，把一个轧制周期内的粗糙度分成不同等级，制定了轧制计划，应用表明，带钢的粗糙度在0.6～1.4μm，比原来降低了0.1～0.6μm。关键词：带钢；表面粗糙度；表面质量；轧辊中中图分类号号：TG335.5文献标识码：A文章编号：1004-4620（2008）05-0042-04*十一五国家科技支撑计划基金项目（2006BAE03A13）。收稿日期：2008-08-29作者简介：张广建，男，1983年生，北京科技大学材料加工专业2006级硕士研究生。1前言在生产高附加值产品如汽车板、家电板，车轮及气瓶钢时，对带钢表面质量要求十分严格，所以表面质量的研究越来受到人们的重视。带钢表面缺陷导致的质量异议比较多，并且带给热轧以后的工序的质量问题也很多，其中粗糙度是评判板形质量的重要参数。粗糙度会对冷轧酸洗，深冲性能，镀锌等产生影响。影响粗糙度的因素比较多，其中包括初始辊表面、带钢厚度、轧制力，这些因素会相互作用交织在一起，增加了研究的难度。本研究通过试验测量，对数据进行分析初步得出了一些热轧带钢表面粗糙度的规律。2粗糙度对后序工艺的影响1）对酸洗的影响。较粗糙的界面提高了氧化铁皮与带钢机体的粘附性，从而可剥离性差，局部界面严重粗糙时，呈犬牙状，易形成微小的氧化铁皮浅压入，导致酸洗困难[1]。酸洗后的氧化铁皮不易脱落，出现灰暗色泽。2）对带钢深冲性的影响。钢板表面粗糙度直接影响薄板冲压成形及金属的流动特性，如果钢板的滑动性差，即使材质好，冲压成形时仍然存在因材料流入不足或咬膜而引起冲压开裂的危险。虽然一定的表面粗糙度有利于贮存并保持油膜和手机金属磨粒，但粗糙度过高，在凹部贮存的油量增加的同时，网凸部提供的油的效果却变差，从而引起凸部的油量不足及面压局部过高而导致油膜破坏，所以合适范围一般在0.6～1.6μm之间[2]。3）对镀锌的影响。表面粗糙度是热镀锌带钢最重要的表面质量指标之一。热镀锌带钢表面具有一定的粗糙度，一方面可以适当增加镀锌层和涂料的有效接触面积，根据“啮合”原理使涂料层牢牢地吸附在镀锌板的表面，提高涂覆性能；另一方面，微观的凹凸不平提供了深冲润滑油脂的存储空间，可减少冲压缺陷，提高钢板的深冲性能。4）对冷轧后续的其他影响。粗糙度的大小还会影响到带钢涂镀后的外观面貌，从而影响到材料的耐蚀性[3]；另外，提高轧后带钢表面粗糙度可以降低钢卷在罩式炉退火时黏结表面缺陷。表面粗糙度越大对避免黏结越有利，但试验表明，随着表面粗糙度的增加，将以破坏表面清洁度为代价，从而对黏结的控制及带钢其他表面指标产生负面影响，所以应当控制带钢的粗糙度。3粗糙度影响因素影响带钢表面粗糙度形成的因素众多，且机理复杂，需要利用各种有效手段才能剖析其成因。经生产经验的长期积累总结，带钢表面粗糙度是由轧机成品道次工作辊表面显微几何结构的压印形成的，其影响因素主要有轧辊表面粗糙度、带钢宽度、带钢厚度、轧制力、轧制量和带钢的材料特性[4]。1）初始辊面。当轧制相同规格和材质带钢时，初始轧辊表面粗糙度越高，则带钢表面粗糙度越高。轧辊表面粗糙度越均匀以及表面耐磨性越好，对带钢表面粗糙度的形成越有利。2）带钢宽度。带钢宽度变窄较小时，带钢的粗糙度稍稍下降或保持不变，而当带钢宽度下降幅度较大时，带钢粗糙度将上升。3）带钢厚度。在轧制周期内，带钢表面粗糙度受产品厚度影响巨大。厚度变化大时，带钢热轧薄板钢轧制周期内表面粗糙度变化规律的研究*张广建，孙蓟泉，郭衍振，王岩，胡志远（北京科技大学冶金工程研究院，北京100083）􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀧄􀥄􀥄􀧄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀧄􀥄􀥄􀧄试验研究试验研究42的表面粗糙度也相应作较大变化。即使是在工作辊将要换下的情况下轧制较厚的带钢也能获得高的带钢粗糙度。4）单位宽度轧制力。一般生产中单位宽度轧制力越大，带钢表面粗糙度越高，轧制量增加，带钢粗糙度上升。5）轧制长度。随着轧制量的增加，带钢粗糙度有下降的趋势。6）轧制钢种。一般认为材质较硬的带钢形成表面粗糙度要困难一些。4粗糙度及其参数定义表面粗糙度是指带钢表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，有多种描述指标。下面主要介绍几种常用的指标。本研究采用的粗糙度指标为Ra。4.1轮廓算术平均偏差RaRa是在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值，其统计意义是一阶原点的绝对矩，在一定程度上反映了轮廓高度相对中线的离散程度（见图1）。其计算式为：，（1）式中，Z为纵坐标，x为横坐标，lr为积分区间。ZxRaZ（x）中心线lr图1轮廓算术平均偏差Ra4.2轮廓均方根偏差Rq参数Rq是在取样长度内轮廓偏距的均方根值，表示轮廓偏离中线的程度，即数理统计中的σ。Rq的一个重要意义是起到了统计方法和随机过程技术之间的连接作用，在统计方法中代表高度分布的标准差（见图2）。其计算式为：。（2）ZlrZ（x）Rqp（Z）Rq＝σ（Z）∧中心线图2轮廓均方根偏差Rq4.3轮廓偏斜率Rsk参数Rsk是在评定长度内以n个轮廓3次方的平均值来定义，它是幅度不对称性的度量。其应用于两表面的微观不平度的高度特性和横向间距特性完全相同而他们的功能特性不同（见图3），例如Rsk＜0是判别一个好的支承面的重要依据。其计算式为：。（3）Zlrp（Z）Rsk＜0x图3轮廓偏斜率Rsk5试验内容和结果5.1设计方案带钢表面粗糙度测量选用了HOMMELTES-TERT1000粗糙度仪，按照工业生产的节奏来完成试验数据采集，在生产过程中每个批次选取一卷钢，主要测量了SPHC、SDC01和SDC05钢种。为了减少测量的偶然误差，测量在展开钢卷尾部的两个不同表面进行。每个表面从中心向两侧测量，每隔100mm测1个点，这样可以和轧辊表面粗糙度相对应。根据板宽不同测量的点数也不同，板越宽测量的点也越多。实测数据采集以一对工作辊的1个服役周期为1次试验，共需要10次试验的带钢表面粗糙度数据跟踪。5.2试验结果测量数据得出了在1个轧制周期内钢板的表面粗糙度的分布状态，并绘制了轧辊表面的初始和下机后的粗糙度变化曲线和粗糙度随轧制长度和带钢宽度的变化曲线，分析了初始辊面，不同厚度，不同钢种等因素度对粗糙度的影响，并根据粗糙度的分布情况制定了合理的轧制计划。图4为轧辊表面粗糙度值，图5为粗糙度随轧制长度的变化值，图6为上下表面粗糙度的比较值。由图4可以看出，轧辊在轧制过程中中心粗糙度比两侧的粗糙度要好，主要原因是CVC辊形中间凹，和轧件接触比两侧受力小，磨损较小。另外，由于工作辊在轧制过程中，需要窜辊，也导致中间部分和轧件之间的磨损比两侧小。由图5可以看出：1）粗糙度随着轧制长度增加，轧辊粗糙度增加，所以粗糙度上升，但是当轧辊表面形成一定的氧化膜后，轧辊表面比较光洁所以粗糙度开始下降，但随着轧制长度的增加，氧化膜有所剥落，所以粗糙度开始上升，但是到了末端由于轧制的带钢厚度减小，轧制量减少，轧辊遗传到轧热轧薄板钢轧制周期内表面粗糙度变化规律的研究张广建等2008年第5期43山东冶金2008年10月第30卷件的粗糙度又有所下降，最后随着轧制长度增加轧辊粗糙度增大，随之遗传到轧件的粗糙度也随之增加。2）通过图像可将粗糙度分成4个等级，在轧辊油膜形成阶段，在13000～15000m粗糙度最好，分为1级，开始阶段从0～5000m和25000～30000m为第2等级，其余为第3等级，产品粗糙度超过标准范围的为4等级不合格产品。这样有助于更好地制定轧制计划。由图6可以看出：1）上表面的粗糙度没有下表面好，主要是上表面氧化严重，并且上表面的残留物也比较多。2）上表面的粗糙度波动比较大。下表面波动小，主要也是局部残留物有所影响。3）随板宽的变化，中心的粗糙度比两侧的要好，一方面是由于轧辊中心的粗糙度比较好，遗传到轧件中心的粗糙度也比较好，另一方面是由于带钢中心的温度也比较均匀，所以表面质量较好。图7为粗糙度随厚度变化值，粗糙度随着厚度的增加而增加，原因是由于厚度增加，在一个轧制周期内轧制量大，轧辊磨损增加，粗糙度增加，随之遗传到轧件的粗糙度也会有所增加。图8为不同钢种的粗糙度值，可以看出SDC05钢种的粗糙度最好，SDC01的其次，最后是SPHC钢种。这主要是因为它们的带钢硬度越来越小，轧辊遗传到轧件的粗糙度也会减小。一般认为在材质较硬的带钢上形成表面粗糙度比较困难。5.3合理的轧制计划编排和实践根据图5制定了一个较为合理的轧制计划（见图9）。轧制计划把要求质量较高的放在第3阶段轧制，其次的放在第1或第5阶段，其余的放在第2、4、6阶段。图10是选取了SDC05钢种和以前的轧制计驱动到操作侧/mm02004006008001000粗糙度值/μm2.01.61.20.80.4SDC01SPHCSDC05图8不同钢种粗糙度比较划进行的比较，可以看出，改进了轧制计划后带钢粗糙度在0.6～1.4μm的合适范围内，比原来降低了0.1～0.6μm，效果明显。第1阶段SDC01，约0～4000m第2阶段SPHC，约4000～8000m第3阶段SDC05，约8000～16000m第4阶段SPHC，约16000～25000m第5阶段SDC01，约25000～35000m第6阶段SPHC，约35000～50000m1个周期图9改进的轧制计划04008001200粗糙度值/μm2.01.61.20.80.4新轧制计划原轧制计划驱动到操作侧/mm图10SDC05钢种比较6结论6.1通过测量得到的结果可以看出由于辊形和窜辊的影响轧辊中心的粗糙度较好，这导致遗传到轧件的中心粗糙度也较好，所以粗糙度随板宽的变化趋势和轧辊相同。上辊轧后3.22.41.60.8080016002400驱动到操作侧/mm粗糙度值/μm上辊初始01020304050轧制长度/km粗糙度值/μm2.52.01.51.00.50驱动中心操作粗糙度值/μm04008001200驱动到操作侧/mm1.20.80.4上表面下表面图6上下表面粗糙度比较图4轧辊表面粗糙度图5粗糙度随轧制长度变化图7粗糙度随厚度变化2.51.50.5粗糙度值/μm1.52.53.54.55.5厚度/mm44StudyontheChangeRuleoftheSurfaceRoughnessofHotRollingStripinaRollingCycleZHANGGuang-jian,SUNJi-quan,GUOYan-zhen,WANGYan,HUZhi-yuan(ResearchInstituteofMetallurgyEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing,100083,China)Abstract:Abstract:Thesurfaceroughnessofhotstripismadeofstampingofthesurfacemicrogeometrystructureoffinishworkmill.Inordertoknowthevariationruleoftherollingsurfacewithrollinglengthinarollingcycleandtheinfluencesofmillroll,thicknessandsteelgradeetconsurfaceroughness,wemeasuredthesurfa