热轧汽车结构钢表面质量控制研究

王德斌 曹黎猛 王爱卿

摘要：宁波钢铁热轧厂已开发汽车结构用钢QstE420TM等，在前期生产过程中表面氧化铁皮压入较严重。本文通过控制炉内气氛和烧钢工艺，减少炉生氧化铁皮的产生。通过优化工艺参数以及使用条件，提高高速钢轧辊表面状态，减少轧辊系氧化铁皮的发生。

关键词：汽车结构钢，氧化铁皮，高速钢轧辊

1. 前言

在2018年1月22日，宁波钢铁有限公司正式投产了我国首条自主设计研发的1780mm热轧带钢生产线，这是一条生产能力达400万吨的生产线，并于2009年12月首次实现了月度达产。这条生产线可以生产普通结构钢、低合金钢、冷轧用钢、管线钢、车轮钢、汽车大梁钢、船板钢等各类钢种。

热轧带钢表面质量主要受到划伤、辊印和氧化铁皮压入等因素影响。影响最严重同时也最复杂和难以控制的是氧化皮压入这一影响因素。氧化皮压入缺陷是热轧带钢表面质量控制过程中最核心的问题之一。

含有氧化皮压入缺陷（尤其是第一和第二次氧化皮压入缺陷）的热轧带钢产品在经过酸洗步骤后往往会在缺陷位置出现深浅不一的小麻坑，坑底非常粗糙，且常常含有难以彻底清除的氧化皮颗粒，如图1和图2所示。，造成这样的缺陷存在将显著降低热轧带钢产品质量，给企业带来经济效益损伤。

图1　酸洗前严重氧化铁皮压入和轻微氧化铁皮压入

图2　酸洗后严重氧化铁皮压入和轻微氧化铁皮压入

2. 问题分析

经过比对分析发现汽车钢表面氧化铁皮压入主要形貌为柳叶状或者小舟状，黑色点状压入团簇状沿带钢长度方面分布。该类氧化铁皮为典型的二次氧化铁皮。这类氧化皮是因为轧辊表面氧化铁皮脱落，随着轧制过程的进行这些氧化皮被压入到热轧带钢表面所形成的。如果使用的轧辊出现严重的磨损情况下（如图3）或者轧辊氧化膜出现脱落情况下（如图4），就会很容易在热轧带钢产品中出现氧化皮压入缺陷。

图3　轧辊磨损严重,对带钢表面易产生小黑点压入

图4 轧辊氧化膜剥落,对带钢表面易产生小舟状及柳叶状压入

3. 试验及分析

3.1原因分析

在生产过程中对汽车钢生产后轧辊表面进行跟踪分析。发现部分汽车钢轧制后轧辊表面剥落严重，轧辊表面温度较高。

汽车钢轧制后F2下机后轧辊表面如图5所示。从图5来看，上辊辊面形成一层亮黑色氧化膜，在辊身两端及中部存在三条氧化膜剥落区，下辊辊面氧化膜基本上已经完全剥落，可见片状氧化膜剥落痕迹。

(a)

(b)

图5 F2工作辊下机表面形貌：(a)F2上辊；(b) F2下辊

通过对轧辊温度进行测量，形成轧辊的温度曲线图，如图6所示。

图6 F2工作辊下机温度测量

从图6来看，下辊各位置测量温度均高于上辊，轧辊中部位置温度偏高。

从下机情况来看，所形成的氧化膜大多属于深黑色，厚度偏厚，在大部分下机高速钢轧辊氧化膜表面均可以看到明显的摩擦痕迹，从以上三种典型氧化膜剥落的主要原因有三点：

（1）带钢温度高，与轧辊热交换后，造成轧辊温度过高；特别是轧辊中部冷却不足，辊面热凸度大，造成高速钢轧辊热膨胀量较大，增加了轧制力，造成辊面与带钢间摩擦力加大，氧化膜磨损加剧。

（2）轧线生产节奏快，薄规格纯轧时间长，高速钢轧辊空载冷却时间短，且使用周期在6h左右，高速钢轧辊在高温状态下时间长，导致高速钢表面氧化膜形成速度快且偏厚，易剥落，整体寿命偏短。

（3）个别轧辊辊型磨削不合理，导致局部轧制力过大，导致辊面与带钢间的摩擦力加大，在轧制力与摩擦力的综合作用下，氧化膜受到较大的剪切应力，造成该部位氧化膜剧烈磨损。

3.2改进措施

（1）轧辊冷却水量优化

轧辊冷却水水量和水温是影响冷却效果的主要因素，适当的冷却水量可以使轧辊得到良好的冷却，轧辊温度保持稳定，轧辊表面形成并保持致密氧化膜，提升带钢表面质量。

原轧辊冷却水布置如下表1：

表1 F2工作辊冷却水流量（m³/h）

位置	排	数量	单排流量		总流量	位置	排	数量	单排流量	总流量
入口上	1	17	49.7	128.7		出口上	1	17	62.4	198.2
	2	27	79				2	10	36.7
							3	27	99.1
入口下	1	27	79	128.7		出口下	1	27	99.1	198.2
	2	17	49.7				2	10	36.7
							3	17	62.4
入口流量				257.4		出口流量				396.4
机架流量为 653.8；入口流量/出口流量为3：5

通过与国内高速钢使用厂家以及国外高速钢厂家交流，高速钢轧辊形成氧化膜所需温度较低（55-60℃），使用中应减少高速钢轧辊处于高温状态的时间，减缓氧化膜的生成速度，延长使用寿命。

根据现场经验，轧辊冷却水量须在1000~1200m³/h（12kg压力下），才能保证轧辊冷却效果；而且轧辊出口侧冷却水较入口侧冷却效果好，因此现场改进在增加轧辊冷却水流量的同时兼顾入口与出口侧比例。

调整后轧辊冷却水布置如下表2：

表2 F2工作辊冷却水流量（m³/h）

位置	排	数量	单排流量	总流量	位置	排	数量	单排流量	总流量
入口上	1	17	49.7	128.7	出口上	1	17	142.8	453.6
	2	27	79			2	10	84
						3	27	226.8
入口下	1	27	79	128.7	出口下	1	27	226.8	453.6
	2	17	49.7			2	10	84
						3	17	142.8
入口流量				257.4	出口流量				907.2
机架流量为 1164；入口流量/出口流量为2：8

（2）高速钢轧辊磨损模型优化

高速钢轧辊在轧制过程中，也不可避免的会产生磨损。每一块带钢的磨损量，与轧辊累计磨损量息息相关。在轧辊轧制中无法实际测量的情况下，磨损值计算的准确性非常关键，它直接影响着轧辊当前形状的计算准确性。综合考虑各种因素得到影响磨损的主要原因为辊缝的几何形状和轧制力的大小。由此可以得出公式1如下：

式中：

V_wr,j ——工作辊轴向第j片的磨损量；

F_r——轧制力；

_Bs——带钢宽度；

_ld——工作辊与带钢的接触弧长；

∑L_s ——工作辊轧制带钢总长；

_Dr——工作辊辊径；

α_j——工作辊的几何参数，与第j片在轧制过程中的位置有关，还与轧辊及轧件材质有关。

类似于热膨胀模型优化，轧辊磨损模型优化在得到简化计算公式后，轧辊在每次服役完成后的磨损状况如图7。

再利用计算出的磨损曲线与实际对比，在不断修改轧辊材质及磨损系数的同时，对比实际与计算得到的磨损形状是否一致，最终达到的效果如8。

图7 实际测量轧辊磨损形状

图8 实际测量轧辊磨损量与计算磨损量对比图

3.3改进效果及结论

经过对轧辊冷却水流量及轧辊磨损系数的调整，汽车钢生产后轧辊表面质量明显提高，下机后轧辊表面氧化膜均匀（图9），致密能够满足生产需要。

图9 改进后F2轧辊表面

（1）高速钢轧辊具有优异的耐磨性、抗热裂性等使用性能，同时也存在热膨胀量大、摩擦系数大、氧化膜难以维护等特点；

（2）均匀、完整的氧化膜是保证高速钢轧辊循环使用的关键因素，也是保证汽车结构钢表面质量的关键因素；

（3）高速钢轧辊形成氧化膜所需温度较低，在高速钢轧辊使用过程中合理、科学地使用冷却水和防剥落水，对热膨胀和磨损模型进行最优设计和严格控制，从而使高速钢轧辊获得优异的使用性能。

（4）构建科学的高速钢轧辊磨损模型，通过对辊型及热膨胀量的控制，实现轧辊辊面磨损曲线的优化。

4. 结论

（1）二次氧化铁皮压入是汽车钢表面氧化铁皮缺陷的主要形成原因。

（2）氧化铁皮的压入形貌与轧辊表面氧化膜剥落形貌相关，呈典型的小舟状或柳叶状。

（3）通过改善轧辊冷却水流量等措施可以改善轧辊表面氧化膜状态提高带钢表面质量。

参考文献：

[1]朱久发．我国汽车板生产技术现状与生产需求分析[J]．钢铁研究，2006，34(2)：60．

[2]李光瀛．汽车板开发与生产[J]．中国冶金，2002，20(2)：18．

[3]SEKITA T，KANETO S．Materials and Technologies for Automotive Use[P]. JFE TECHNICAL REPORT，2004，(2)：31．

[4]朱久发．试论汽车车身用钢材开发的主要问题[J]．钢铁研究，2005，33(4)：59-60．