鋁熱軋帶材表面振紋產生的原因與改善措施

路紀軒,章國華,孔 軍,黃東海,陳現德,王繹潭,陳金森

(1.奎克好富頓集團好富頓(上海)高級工業介質有限公司,上海 201613; 2.浙江永杰鋁業有限公司,浙江 杭州 311222; 3.上海華峰鋁業有限公司,上海 201613)

帶材表面的振紋是在鋼冷軋、鋁冷軋、鋁箔軋過程中普遍存在的一種現象。振紋與軋機的振動直接相關,凡是影響軋機振動的因素都影響振紋,但在不同設備、不同的工藝潤滑條件下,振紋的表現有所不同。帶材表面振紋缺陷嚴重影響其外觀質量。針對1+3鋁熱連軋機生產的帶材表面振紋,分析了設備、工藝潤滑、控制系統等方面的影響因素,消除了鋁熱軋帶材表面的振紋缺陷。

1 振紋及表征振動的參數

振紋是在帶材表面出現的一種周期性明暗相間、且與帶材軋制方向垂直的條紋(如圖1所示),是在金屬軋制的彈性物質系統中,對軋制的循環性擾動所產生的一種表面缺陷,這種擾動是有某一特征頻率的振動。軋機振動是振紋形成的決定因素,凡是影響軋機振動的因素都與振紋有關。表征振動的三大關鍵參數為振紋間距、振動頻率和軋制速度,它們之間存在著如下關系[1]:

圖1 帶材表面的振紋Fig.1 Chatter marks on strip surface

λ=ν/f

(1)

式中:

λ—振紋間距;

ν—軋制速度;

f—振動頻率。

2 振動的分類及影響因素

1)振動的分類

按照載荷傳遞系統不同,軋機上發生的振動現象可分為兩大類:一是軋機主傳動系統的扭轉振動即扭振,主要是傳動軸扭矩變化造成的,扭轉振動頻率一般在5 Hz～20 Hz;另一類是軋機垂直系統的振動即垂振,與軋輥、上下橫梁、液壓系統、牌坊襯板、潤滑系統、相關軋制工藝有關,其中125 Hz～240 Hz的振動頻率稱為三倍頻,500 Hz～800 Hz的振動頻率稱為五倍頻[2]。

2)影響振動的因素

影響振動的因素包括:設備狀態(軸承齒輪磨損、機械傳動的間隙、安裝精度、刷輥狀態),軋制工藝和潤滑(壓下量、帶材厚度及溫度、軋制速度、張力、軋輥表面狀態、乳液的壓力冷卻及潤滑性能),控制系統(電力驅動與控制系統、張力控制系統、液壓彎輥壓下系統、AGC系統)。

3 鋁熱軋帶材表面振紋產生的原因

3.1 鋁熱軋帶材表面振紋特征

鋁熱軋卷下機后開卷檢查,在帶材的上下表面對稱地分布著振紋,測量相鄰兩振紋的間距為6.5 mm,其軋制速度為1.3 m/s,根據式(1)計算得出其振動頻率f為200 Hz,依據振動的分類可以判斷此振動為垂振。

3.2 引起垂振的因素

1)設備

在設備長期運轉后,軋輥軸承的內、外環道經磨損后間隙增大,或者在軋輥拆裝過程中輥頸出現劃傷,都會直接導致軋輥偏心引起軋輥的振動?，F場對工作輥、支撐輥的軸承內外環道間隙、輥頸的狀況進行了徹底的檢查,其裝配間隙均在可控范圍內。

工作輥和支撐輥軸承座兩側的襯板磨損后間隙增大,再加上牌坊上軸承座的鎖緊裝置為機械壓緊,軋制期間軋輥在牌坊內就容易前后晃動?，F場更換了軸承座兩側的磨損襯板,減小了與牌坊的間隙,同時軸承座的鎖緊裝置改造為液壓鎖緊,經過跟蹤帶材的振紋沒有改善。

輥刷在運行中也存在一定的振動頻率,其振動方向平行于工作輥的周向,當輥刷的各使用要素尤其是刷痕寬度控制不當時,軋輥表面的涂層就會嚴重不均,在輥徑方向容易產生類似振痕的花紋再傳導至帶材表面。根據刷痕寬度對帶材表面質量的影響[3],現場嚴格控制輥刷工作參數,同時不管軋制期間是否使用輥刷,均未發現因輥刷振動造成振痕的情況。

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如果磨削軋輥時軋輥表面上產生了振紋,則振紋可以通過軋輥傳遞到帶材表面。結合徐繼根在優化磨削工藝防止軋輥表面振紋方面的研究措施[4],檢查并精細化操作磨削工藝,并未發現軋輥表面出現振紋的情況。

2)控制系統

液壓控制系統的主要工作參數包括伺服閥的供油壓力、彎輥力的補償值。檢查液壓管路的接出壓力以及彎輥力,未發現明顯的異常波動情況。

檢測并調出索尼磁尺(液壓缸的位移傳感器)二級數據,未發現明顯的異常波動情況。

3)工藝潤滑

當潤滑不良或者潤滑液油膜強度遭到破壞時,軋輥與帶材之間的接觸狀態就會惡化,潤滑油對軋機系統垂直運動的阻尼作用就減弱,軋機系統的穩定性降低,在外界同等激勵作用下,系統更容易發生振動,在帶材表面形成振紋。改善潤滑從以下幾方面進行:把乳液的濃度從7.0%提升至7.5%;把乳液中的潤滑酯含量從30%提升至32%;把潤滑的疏水粘度從55 mm2/s提升至58 mm2/s。通過以上三種手段來提升潤滑,帶材表面的振紋均無改善。

軋輥表面粗糙度的影響:當軋輥表面的粗糙度過小時,帶材與工作輥處于流體潤滑狀態,會出現打滑的情況,導致軋制失穩引起軋機的振動而形成振紋。檢查二級數據其軋制前滑值為4.5%屬于正常范圍,沒有打滑的跡象。為了消除粗糙過小的影響,把軋輥的粗糙度由現在的1.0 μm提升至1.2 μm,前滑值未有任何變化,帶材表面振紋沒有改善。

軋制線高度的變化會引起軋件上下表面的壓下變形量變化,進而導致輥縫區軋件上下表面的油量及油膜厚度變化,有可能引起軋機的振動。把軋制線提升或降低5 mm、10 mm,每種狀態各軋制5卷,帶材表面的振紋沒有任何改善。

4)軋制速度

在相同的中間坯厚度30 mm及熱軋成品厚度12 mm情況下,觀察卷取速度、溫度對振紋的影響(如表1所示)。在相同的卷取溫度下,通過調整中間坯軋制速度和溫度,乳液噴射壓力、流量及模式,來實現不同的卷取速度。從表1可以看出,當卷取溫度為270 ℃、300 ℃、320 ℃,卷取速度為1.1 m/s～1.4 m/s時,均出現明顯的振紋,而不在1.1 m/s～1.4 m/s這個速度區間時無振紋情況出現。鑒于以上的數據情況,進一步對不同熱軋成品厚度15 mm、10 mm、8 mm進行驗證,在卷取速度1.1 m/s～1.4 m/s范圍內,均出現明顯的振紋。造成此情況的原因是,在此速度下軋機各種力的相互耦合引起系統的自激振動,自激振動是在沒有外部振動激勵源作用的情況下,由系統自身形成某種特定條件, 自身激發起來的一種振動,自激振動的振幅和頻率完全是由軋機系統本身的參數決定[5]。試驗表明:卷取速度在1.1 m/s～1.4 m/s這個區間能引發本臺軋機的自激振動,最終導致帶材表面振紋。如果通過某種手段改變本臺軋機的相關硬件設施,則能改變其自激振動頻率。當自激振動頻率改變后,其激發自激振動的卷取速度區間隨之也會改變,如果工藝要求的卷取速度不在能引發自激振動速度區間,就不會產生振紋缺陷。

表1 卷取速度、溫度對振紋的影響Table 1 Influence of coiling speed and temperature on chatter marks

4 結 論

1)根據鋁熱軋帶材表面振紋的間距和速度計算出現場振紋頻率為200 Hz,處于垂振頻率范圍內。

2)通過現場驗證排除了設備上軋輥軸承間隙、軸承座襯板、刷輥、軋輥磨削、液壓控制系統、壓下控制系統、工藝潤滑、軋輥粗糙度、軋制線高度、卷取張力的影響后,確定帶材表面振紋是由于卷取速度在1.1 m/s～1.4 m/s區間,軋機系統產生自激振動而形成的。

3)通過優化帶材中間坯軋制速度和溫度、乳液噴射壓力、流量及噴射模式,避開觸發軋機自激振動的卷取速度區間,消除了帶材表面振紋。