冷轧带钢粘接缺陷成因分析及处理.docx
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冷轧带钢粘接缺陷成因分析及处理
冷轧缺陷“粘接”及其对策
在过去,尽管有由不同原因产生的不同类型的粘接,但是罩式退火工艺被认为是粘接的唯一原因。
本文对不同类型的粘接、其产生的机理及预防措施进行讨论。
在全世界范围内,有的公司因为粘接蒙受了达10%的损失。
一些先进轧钢厂很重视粘接问题及产生粘接缺陷的工艺,他们能将粘接降低到低于1%。
因此,粘接问题不再像上世纪90年代那样在表面缺陷当中占据突出位置。
“粘接”是指在钢卷的开卷过程中,到达轧制间隙之前,在平整机上的带钢上明显的塑性形变或者流痕及折痕。
粘接是由于裸露的金属表面的压焊而产生的。
目前还没有确定这种焊接是否由两个表面之间的散射焊接过程,还是熔结过程或其他粘附机理引起的。
但是,我们对一系列不同类型的粘接进行了观察。
对有些情况下产生这些缺陷的过程进行了识别。
A.筋状粘接
筋状粘接是带钢宽度上严厉限制的缺陷。
这种缺陷主要是由带钢板型不正常(如条筋)引起的,这种异常板型在钢卷中可能引起径向压力。
B.点状粘接
点状粘接限于带钢上的局部斑点。
这些粘接的主要原因是局部采用高压(例如用钢卷钳)及无意间将异物卷进了钢卷中,这样在开卷的时候就变得很明显。
C.边部粘接
从名称就可以看出,边部粘接发生在带钢的边部。
该缺陷是带钢边部上严格限制的瑕疵,这种缺陷是由于钢卷的卷取与对流板或者载荷子之间的相对运动引起的,而这种相对运动是因为钢卷及这些部分的加热和冷却率之间的差距引起的。
钢卷的调运引起的损坏,例如在不水平的表面进行定位也可能引起边部粘接。
边部粘接可通过使用更硬的含锰高的对流板来减少。
对流板〔1〕的设计及载荷子也是很重要的。
使用装载面积≥50%的中间对流板及加工过的中间对流板可帮助薄板(厚度<0.7mm)减少边部粘接。
D.一般粘接
一般粘接是不规则的扭折线,一般呈宽度渐增(从50上升至400mm宽)的镰刀形状,不要分布在带钢中部的大部分区域,并且跟其宽度相关。
一般粘接也指流动形材料形状或吕德思线(见图1)。
图1:
粘接痕
由于带钢的凸度及其在带钢中心产生的压力更高,因此如果带钢形状有着良好的对称性,该种缺陷位于带钢中部的大部分区域。
热轧带钢的凸度决定冷轧带钢的板型,因此如果热轧带钢的凸度太高或者太明显,就可能在带钢宽度的中心产生窄而明显的粘接。
带钢板型太低或者太平,就可能在带钢宽度的距边部三分之一处出现粘接区域或者粘接痕迹。
而出现轻微楔形、不对称截面的带钢,粘接会离中心位置的最高部分比较远。
一般粘接的产生受很多工艺参数影响,其中一些参数有互逆作用。
以下考虑粘接的原因和可能的对策。
一般性粘接及其原因
粘接产生于平整机上,经过罩式退火炉退火的钢卷开卷时,如果开卷或者分卷所要求的力大于退火材料的屈服强度,则可导致粘接。
也就是说,一般性粘接取决于松卷过程中对钢卷施加的应力和退火材料的屈服强度。
因此,带钢之间的焊接点可通过施加低于材料屈服强度的力使其分离,这样就不会产生粘接现象,见图2。
图2.分离力和对粘接形成的敏感性
研究表明,粘接痕迹的形成很大部分取决于实际屈服强度值和材料在应力接近其屈服强度时的性能。
德国的一家冷轧厂的多年粘接经验评估表明:
●软的、屈服强度<200N/mm2的钢种产生粘接的频率高些
●强度更高、屈服强度>220N/mm2的钢种没有或者实际上没有出现粘接现象
●柔软的IF钢没有或实际上没有出现粘接现象,因为该种钢的屈服强度没有得到精确确定
在开卷过程中,上图的阴影部分,作用于带钢上的有效局部力必须是120-220N/mm2。
该力来自于分离力和开卷速度和形状的附加影响。
分离力更高是由带钢层与层之间的强劲的粘附引起的,这种强劲的粘附导致紧紧包装的带钢表面的焊接现象。
这种粘附受退火过程中的条件(温度、压力和退火时间)影响。
Pawelskietal首次对焊接现象的原因进行了全面研究〔2〕。
迄今为止,在欧洲,关于粘接的原因的知识都是以1989年发表的这份报告为基础。
图4所示的两个图都是来自这份报告。
上图表示压力和退火温度对试样压力焊接的影响,压力焊接是粘接形成的原因。
从图中我们可以清楚地发现,压力对最大分离力的影响在温度更高时增长量大。
温度高至600℃时,无论带钢上的张力有多大,都没有出现焊接现象。
这个结论也通过实际经验得到肯定,尽管普遍认为温度高至620℃对于粘接来说也不是严格的限制。
下图则表示退火时间及温度对确定的压力值(25N/mm2)的最大分离力的影响。
从这里,我们可以再次清楚地看出,该工艺受温度的影响很大,受时间的影响也大。
退火温度越高,试样焊接所需的时间就越少。
影响粘接形成的因素
尽管导致粘接的压力焊接一般是出现在罩退过程中,焊接的程度即粘接的严重程度却是很大程度上取决于上游和下游生产步骤。
所考虑的因素可以分成:
●与上游工艺相关的;
●退火过程本身的;
●与下游工艺相关的。
主要的因素列在表1中。
退火之前
钢种
柔软的非合金钢种DC04(DDQ)和DC05(EDDQ)对粘接的形成比较敏感。
在欧洲、美国和日本适用的国际标准列在表2〔3〕中用于进行对比。
退火之后没有清楚确定屈服强度的IF钢、更高强度的结构钢、高强微合金钢对粘接的形成没那么敏感(见图3)。
图3.屈服强度对粘接形成敏感性的影响
图4.压力和时间对分离力的影响,来自Pawelskietal〔2〕
板型
冷轧带钢的板型反映出热轧带钢的板型。
板型经过优化、可以避免粘接的带钢,其凸度为40-60μm。
由于压力更高,带钢凸度更低(板型更平)可导致边部或者中部粘接率的增加。
截面不对称(如楔形)和截面异常(如起筋)也会导致压力更高,从而在罩退过程中,一个钢卷的层与层之间产生更多密集的焊接。
表1影响粘接形成敏感性的重要因素
退火之前
退火过程中
退火之后
-钢种
-热轧带钢形状
-卷取张力
-带钢粗糙度
-带钢洁净度
-带钢尺寸
-钢卷尺寸
-冷却率
-加热梯度
-钢卷位置
-开卷速度
-开卷张力
-开卷形状
表2.不同钢种的粘接形成敏感性
钢种、粘接敏感性
钢种
钢的标识
欧洲
美国
日本
软非合金钢
DC04
DC04
DC05
SSA
ASA
BSA
EN10130
ASTMA366
ASTMA620
ASTMA963
钢种、粘接敏感性
钢种
钢的标识
欧洲
美国
日本
软合金钢
DC06
M3A
EN101030
ASTMA969
JIS3141
建筑用钢
DC01
ST37-2G
ST44-3G
EN10268
SEW094
DIN1623
Teil2
ASTMA607
ASTMA611
ASTMA715
JIS3135
高强钢
微合金钢
卷取张力
卷取张力是决定钢卷的应力的关键因素,因此也是决定粘接率的关键因素。
最小卷取张力(接近塌卷限制)帮助在退火过程中减小整体抗压应力。
卷取力的下限根据确保从卷取机撤离及运送到罩式退火炉过程中的安全吊运的需要,及钢卷稳定和避免在退火和平整过程中打滑出现划痕的需要而设定。
先进的冷轧机是能减少卷取张力的,卷取张力适用最小值(22N/mm2)。
对于单个钢卷的尺寸、宽度及厚度而言,必须优化卷取张力。
图5.表面粗糙度对焊接强度的影响,Pawelskietal〔2〕
带钢粗糙度及形貌
带钢表面的粗糙度对于缩小焊接和减少所要求的分离力来说具有相当大的影响。
Pawelskietal〔2〕已经对其影响进行了研究。
他们的试验结果见图5。
温度为670-700℃时,在粗糙带钢试样上确定的分离力仅为退火之前没有变粗糙的光滑钢板上相应数据的一半。
除粗糙度值外,表面粗糙度的纹理也很重要。
减少焊接方面,表面不规则突出、并且组织更细的比有着平台结构更粗糙的组织更有效。
对于O5表面质量来说,德国的先进冷轧厂的目标是,粗糙度Ra>1.2μm,最小峰值Pc>50/cm(>127ppi)的预粗糙化结构。
为了避免粘接,这些值不能在Ra>1.0μm和Pc>40/cm(>100ppi)以下。
带钢洁净度
带钢越洁净,焊接的风险就越大,这是一个普遍的原理。
正常情况下,冷轧带钢的洁净度是根据残油和铁粉(mg/m2)来确定的。
HPH(高性能氢气)退火技术的引入明显提高了带钢的洁净度,因此也导致了条件不变时粘接形成越来越多的趋势。
带钢洁净度高,对于下游工艺来说是理想的,因此对于粘接来说则是适得其反的。
如果在上游从退火炉开始使用电解带钢清洁系统(ECL),那么在形成3-6mg/m2SiO2的硅酸盐层的同时,油沉渣可降低到5mg/m2,硅酸盐层可形成一道屏障,防止钢卷层与层之间的焊接现象发生。
一家亚洲的冷轧厂已经声称可以将粘接率减少一半(从>6%减少到<2.9%),他们的方法仅仅是增加SiO2层(从<1.5mg/m2增加到上述范围内)。
在带钢表面采用隔离层来防止压焊,这种方法对生产过程没有任何负面影响。
在这一领域中已经进行了并且正在进行大量的努力。
在五机架轧机的最后一机架的轧制乳化液里增加一种硅酸盐的试验至少部分是成功的。
对于确保pH值和乳化的稳定性没有减少这方面来说是必须的。
对于腐蚀和焊接性能或者对于下游生产工艺(例如磷化处理、喷涂、热浸镀锌或者电解镀锌)来说,这也是没有负面影响的。
德国的客户声称,通过在最后一机架〔4〕中采用2-3mg/m2SiO2的硅层可将粘接率从约2%降低到0.2%。
在退火过程中采用氧化层仅在冷却的前几个小时有效的DEFOX工艺,这不能证明操作的有效性,很多轧钢厂已经停止使用该工艺。
主要的原因是在采用的氧化层中,三价铁氧化合物的不完全减少导致粘附问题,另外,在减少粘接方面,该工艺比炉子冷却阶段效果差些。
其他考虑过或者测试过的可能性包括使用QUERL分离层(含有硝酸盐、铁或氧化铁粉),在钢卷层与层之间产生厚度在μm范围内的间隔层。
迄今为止,这些方法在操作上都没有得到广泛采纳。
带钢尺寸、钢卷尺寸
在粘接方面,更厚、更宽、更大的钢卷直径趋于越来越关键,这是一个普遍的原则。
带钢厚度在连接方面是一个关键的参数。
主要原因是,更厚的钢卷,它的层数就越多,对钢卷的径向传热有着负面影响。
在冷却过程中,温差就更高,因而热应力更高。
经验表明,厚度低于0.7mm的钢卷对粘接尤其敏感。
图6.防粘接辊示意图
带钢宽度比厚度的负面影响稍轻。
当前统计显示,带钢宽度>1100mm时,粘接的风险增加。
随着钢卷外径的增加,加热和冷却过程中的温差也增加,这就导致钢卷的应力更高,钢卷层与层之间焊接风险更高。
直径大于1600mm的钢卷上粘接率明显更高些。
退火后
开卷率、张力和形状
更高的开卷率和张力值对于减少粘接的频率和强度来说具有积极影响。
开卷过程中带钢的分割点很大程度上取决于采用的张力和钢卷层与层之间的粘附力。
如果采用的张力太低,在最后一阶段从钢卷上分离出来的带钢及分割点之间的长度和理想的切线分割点可导致剥皮,或如果钢卷层在退火过程中焊接在一起,则退火后材料的分割力高于屈服强度。
这样就会产生粘接痕。
图7.典型退火周期
如果采用的张力增加,则分割点将往后移至理想切点,开卷材料的长度将变短,分割力会降低,粘接减轻或甚至消除。
开卷力如果太高,即比冷轧机架上所采取的卷取力更高,则会有由打滑引起的划伤风险。
一般情况下,开卷力是在开卷噪音和可见分割点的基础上手动设置的。
基准值一般设置为冷轧机机架上采取的卷取力的0.9倍。
图8.加热模型的格栅理念
粘接形成是一个取决于时间的过程,开卷率更高,则粘接的风险就会降低。
最小开卷率必须>500m/min。
先进冷轧机以平整轧制速度>800m/min运行。
降低平整机上粘接形成的另一种可能是使用抗粘接辊道(图6)。
如果不能采用足够的开卷张力,则在钢卷的外层确定点上采用小直径辊道,减少分割长度,从而也降低要求的分离力。
这当然是有积极意义的,特别是在带钢速度低的时候。
通过这种方法可能避免轻度粘接,并且明显减少重度粘接的程度。
最开始使用了一种聚氨酯涂层辊来降低粘接程度,但是现在已经被寿命更长的镀铬辊所取代。
退火过程中防止粘接的措施
在薄板卷罩式退火过程中产生带钢的焊接。
压焊受退火和冷却过程或时间-温度图直接影响,受源于温度梯度的钢卷热应力间接影响。
图7为一种典型的罩式退火图。
粘接形成的风险在退火过程中可通过以下措施减少:
1.温度控制达到600℃时,降低加热率。
这种方法降低升温引起的应力,同时也对带钢的洁净度有着积极影响。
但是,值得注意的是,纯粹由升温引起的粘接毕竟是很少的。
时间-温度制度的作用更大。
2.避免很长均热时间。
高温下趋于焊接的情况是相当多的,甚至在钢卷中相对低的应力也可引起粘接。
必须设置均热时间,这样钢堆中的临界卷可达到所要求的核心温度。
3.在加热罩下冷却最多6-8小时。
加热罩撤除时,带钢便可自然快速冷却下来。
允许带钢在加热罩下冷却,减少骤冷并且转为低温范围,焊接和粘接的风险降低。
4.同样也适用于快冷的开始温度。
在任何速率下,旁通或者喷淋冷却系统不能开启,直到钢卷中心温度低于600℃.
粘接模型-避免粘接的模型
迄今为止还不能提前预测粘接发生率。
因此,生产过程的效率可能降低,例如如果加热炉内的钢卷在加热罩内冷却的时间比防止粘接必须的时间长些。
粘接模型用LOI热工艺〔5〕开发,该工艺用作预测单个钢卷堆粘接的工具,并且用于对单个退火周期进行分析。
该模型基于Pawelskietal〔2〕的研究成果,Pawelskietal对理论背景进行了考虑(即热应力的计算),并且就压力、温度和退火时间的影响做了一系列实验。
钢卷的温差导致热应力的产生。
为了计算热应力,整个退火周期中的局部温度分布情况是必要的。
LOI热动力数学模型加热模型计算退火周期中的温度分布,其计算精准,因此被用做粘接模型的基础。
但是,粘接的计算不能仅仅建立在应力值的基础上。
通过等效分离力(ESF)可对温度和时间的影响进行描述,ESF是所需开卷力的一个指标,因此也是粘接产生的一个指标。
等效分离力(ESF)的计算建立在Pawelskietal〔2〕的研究基础上,Pawelskietal估量分离力随着应力、温度和退火时间而变化。
如果等效分离力(ESF)达到临界值就会产生粘接。
热计算
粘接模型建立在LOI的热动力数学模型加热模型基础上。
开发加热模型是用来计算在整个退火周期中每一钢卷的温度分布。
系统是对称的,因此,计算可以是半个截面的二维计算。
通过解Fourier热传导等式
加热模型计算钢卷内的温度分布随着时间变化。
用必要的栅格理论、限定不同点的方法解不同等式,见图8。
钢卷的表面温度,用做边界状态,是在热流平衡的帮助下进行计算的。
对于每一个控制量来说,进口热流总量必须与出口热流总量相等。
加热模型表示测量的和计算的温度之间的一致性,这种一致性在全球范围内被很多LOI客户使用着。
应力的计算
粘接模型利用计算的温度分布对钢卷内的应力进行计算,应力的结果来自三个部分应力的合并:
卷取应力、回弹应力和热应力。
总应力的构成见图9。
卷取应力来自轧制卷取过程中的轧制力。
钢卷内径向r上卷取应力的分布可通过Pawelskietal提供的公式2进行计算:
在这里:
σCF:
轧机上的卷取张力
rh:
卷取机的内半径
ra:
外半径
一般而言,用比薄板其他部分更高的卷取张力对薄板的第一段进行卷取。
出于这个原因,粘接模型表示卷取张力随着径向位置变化。
当钢卷从卷取机上下来时,钢卷内层和外层上的应力释放掉了。
钢卷内部回弹力产生的径向位置r上的应力的分布可用Pawelskietal提供的公式3进行描述:
在这里:
Pi:
卷屈居上的压力
ri:
内半径
ra:
外半径
钢卷内温差导致热应力的产生。
用Pawelskietal〔2〕(或Mataigneetal〔6〕)中所示的公式4进行计算:
在这里:
E:
杨氏模量
v:
普瓦松比率
α:
热膨胀系数
ri:
内半径
ra:
外半径
有卷取应力、回弹应力和热应力,在整个退火周期中,钢卷内每一个位置的应力都可以计算:
在这里:
σres:
产生的应力
σC:
卷取应力
σR:
回弹应力
σth:
热应力
n:
钢堆的卷数
r:
钢卷的径向位置
z:
钢卷的轴向位置
t:
时间
图9.总应力的组成
分离力
粘接的发生率的推测不能仅仅建立在钢卷内产生的应力的基础之上。
退火温度和时间也有着明显的影响。
为了量化这种影响,Pawelskietal〔2〕在恒温和恒压下对退火后带钢试样的分离力进行了测量。
发现600℃以下没有明显的粘附发生。
在这个温度以上,粘附随着压力的增加而直线增加。
另外,试验也证明分离力随着施压的时间呈对数函数增加。
图4表明Pawelskietal〔2〕测量的分离力、温度、压力和持续时间之间的关系。
表3:
4个钢卷的钢垛的退火周期及尺寸
钢卷宽度
1250mm
外直径
1855mm
内直径
610mm
带钢厚度
1mm
钢垛重量
94.6t
加热梯度
17小时内从350℃到710℃
均热温度
710℃
加热结束
10小时等效时间
带加热罩冷却
3小时
快冷开始
450℃
为了获得粘接发生率评估的量化标准,在粘接模型软件中将这些曲线进行了合并。
因为试验是在恒温恒压下进行的,所以在可与用做退火结尾的标准的等量时间相比较的等量分离力计算时考虑在罩式退火过程中温度的变化。
图10.通过粘接模型对底垛
图11.钢卷外直径和宽度对ESF的影响
图12.带加热罩冷却对ESF的影响
图13.快冷开始温度对ESF的影响
图14.核心温度对ESF的影响
图15.均热温度对ESF的影响
退火钢垛的重新计算
为了验证粘接模型项目,我们对59个在德国钢厂退火的钢堆进行了计算。
30个钢堆中,每一个钢堆中有一个钢卷有粘接痕,29个没有任何痕迹。
在退火周期中对所有钢堆的每一个钢卷产生的最大等量分离力进行了计算。
假如临界分离力为6000N,检测到80%钢卷有粘接痕。
没有粘接痕的钢堆为86%。
而对于模型计算的14%没有粘接痕的钢垛,则视为粘接警告。
计算建立在试验数据基础之上,偏差达到1700N,这些曲线近似数学功能,80%代表的是好的结果。
参数影响粘接
以上所述,粘接受很多参数影响,粘接模型考虑以下参数:
●卷取张力
●外直径、带钢宽度
●加热梯度
●冷点温度
●均热温度
●带加热罩冷却
●快冷开始温度
●材料性能(屈服强度)
对这些参数的影响表述如下,表3中例举了4个卷的钢垛的形状和退火周期数据。
基本的形状计算结果见图10。
由于炉子的形状原因(在这里没有进行描述),在第二个卷上可发现最高的梯度和特殊状态下的最高等量分离力(ESF)。
因此,图中仅对第二个卷进行了描述。
蓝色粗线表示第二卷在中心线上从内直径到外直径2/3位置上的局部ESF。
在加热和均热过程中,2/3位置上的抗张应力(总应力>0)明显。
因此,ESF没有增加。
带加热罩冷却开始以后约一个小时,核心温度变得比边部温度高。
钢卷层与层被压在一起(总应力>0),并且开始压焊。
均热结束5个小时之后,ESF达到最大,至此压力会小些。
外直径和钢卷宽度的影响
图11表示外直径和钢卷宽度对ESF的影响。
宽度更高导致分离力随着直径的增加而趋高。
该现象的原因是温差,温差随着宽度和外直径的增加而增加。
底垛用圆圈做标识。
带加热罩冷却的影响
带加热罩冷却的影响-一般用于防止粘接-见图12。
底垛也用圆圈标识。
增加用加热罩冷却的时间可减少18%的ESF。
可以清楚地看到带加热罩冷却的时间超过6小时除了增加周期时间外,对分离力没有更多的影响。
第二个结果便是,图上显示如果钢卷仅在加热罩下冷却一个小时,分离力则增加。
这种影响的原因是带加热罩冷却开始时核心温度增加。
如果在最大核心温度时撤除加热罩,温差则会最大化,这样就产生高温水平下的最大压力。
快冷开始温度的影响
图13表示快冷开始时对温度的控制对分离力的影响比较小。
开始温度低于450℃继续降低对于底垛(圆圈标识)没有影响。
在450℃以上,分离力增加4%。
这可以用炉型来解释。
由于烧嘴的布置,第二卷加热很快。
快冷开始后,在达到第二个钢卷之前,冷却的吹扫气体被第一卷加热。
核心温度的影响
图14表示均热结束时核心温度对ESF的影响。
分离力随着核心温度增加。
图14也表明带加热罩冷却在核心温度增加时更加有效果。
这可以通过ESF的增加进行解释,ESF不仅仅受压力水平,也受温度水平影响。
均热温度的影响
图15表明均热温度的影响。
为了使结果具有可比性,所有的计算都相同的时间10小时内进行。
可以看出,分离力随着均热温度的下降而急剧下降(与底垛相比达到37%),而总周期时间仅增加7%。
结论
除了对影响粘接发生率和防止粘接产生的措施的讨论外,我们也表述了用LOI热处理工艺开发的粘接模型,这可以对油粘接风险的钢卷进行识别,准确率达到80%。
实际经验、测量和模型计算都表明温度和冷却率对粘接形成的影响很大。
如果钢垛冷却太快或者太慢或者在高温下退火时间太长,粘接发生率的风险将增加。
退火的上游和下游工序也具有至关重要的作用。
带钢粗糙度高、卷取张力低、速度搞是避免粘接出现的最重要措施。
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