节镍型奥氏体不锈钢冷轧断带原因分析及控制措施

供稿|罗兴壮，罗庆革，杨剑洪，潘礼双，钱学海 / LUO Xing-zhuang, LUO Qing-ge, YANG Jian-hong, PAN Lishuang, QIAN Xue-hai

内容导读

节镍型奥氏体不锈钢具有良好的性能因而在各行业广泛应用。柳钢中金冷轧厂950 mm不锈钢冷连轧机组自投产以来断带率一直居高不下。文章分析了不锈钢冷连轧轧制过程发生断带的原因，指出原料质量缺陷是导致冷连轧过程断带的主要原因，其次是操作不当、工装设备故障及焊缝质量不高造成断带。通过加强原料表面质量监控、优化轧制工艺参数及规范操作等措施，使冷连轧断带率降低至较低水平，提高冷连轧机组有效作业率，降低生产工序成本。

柳钢中金950 mm不锈钢冷连轧机组采用6机架六辊轧机，年设计产能30万t，产品规格：厚度0.60～2.2 mm，宽度485～800 mm；钢种主要为节镍型奥氏体不锈钢，其具有良好的耐蚀性、高低温性能、力学性能及工艺性能，广泛应用于建筑装饰、电器化工、卫生设备、交通运输、航空航天及核工业等各领域[1]。随着我国经济的快速发展，节镍型奥氏体不锈钢的需求不断扩大。冷连轧机组在轧制过程中发生断带故障是冷轧工序的主要生产故障之一[2]。柳钢中金冷轧厂自2018年7月试生产以来，累计生产约13万t，连轧断带率一直居高不下，最高月份断带率为1.59%。本文主要分析冷连轧机组轧制过程发生断带的规律，通过加强原料表面质量监控、优化轧制工艺参数及规范操作等控制措施，降低连轧断带率，提高连轧机组有效作业率，达到降低生产工序成本。

断带原因分析

不锈钢冷轧机组轧制过程中的断带事故主要发生在焊缝区域和非焊缝区域。在焊缝区域断带的主要原因是焊缝质量不好及焊缝区轧制参数设置不合理；非焊缝区域断带主要原因是原料存在边裂、夹杂、脱皮、凹坑等缺陷，轧制张力、速度、压下量等参数设置不合理以及轧制操作故障及工装设备故障等[3]。此外，节镍型奥氏体不锈钢冷轧形变诱导马氏体相变加重材料加工硬化程度也是导致冷连轧断带的原因之一[4]。柳钢中金冷轧厂轧制过程发生断带情况见表1。从表1可以看出，原料质量缺陷是导致冷连轧过程断带的主要原因，自2018年7月投产至2019年5月底，原料质量缺陷导致断带次数占总断带的比例为60.47%，其次是由于操作、工装设备及焊缝原因造成断带。

表1 2018年7月—2019年5月冷连轧过程断带情况统计

原料质量缺陷导致断带

在原料质量缺陷中，能导致冷连轧断带的缺陷主要有：边部裂纹、孔洞、夹杂分层、来料厚差、硬度不均以及折叠，其他如镰刀弯、厚度波动、板形不良等缺陷，达到一定程度后也可导致断带[5-6]。原料缺陷导致连轧过程断带的宏观形貌如图1。

原料边部因冶炼、轧制及物理撞伤、刮伤出现明显裂缝或缺口时，开卷操作人员较容易发现，对缺陷部位进行打磨、切除等处理，来不及处理时通知轧机主操在轧制过程中采取相应措施，避免断带事故发生。但带钢边部存在微小裂纹时，开卷操作人员检查时不易发现，带钢裂纹部位在经5辊拉矫机拉延时，裂纹随着带钢的延伸向板面内扩展，裂纹部位进入轧机后，在机架间变形及张力作用下发生断带，如图1(a)所示。尤其在轧制薄规格时，带钢总变形量较大，加剧节镍型奥氏体不锈钢加工硬化程度，带钢边部缺陷导致断带几率更高。

带钢板面存在孔洞时，且孔洞距离带钢边部较近，其断带过程与边裂相似，钢带因夹杂等原因形成大孔洞，即使孔洞不在钢带边部，进入轧机后会导致机架内张力偏差较大，引起轧制波动而导致断带，如图1(b)所示。

图1 几种常见原料缺陷断带宏观形貌：(a) 边部压印缺口；(b) 孔洞；(c) 折叠、脱皮

带钢折叠、脱皮部位进入轧机后，由于各部分带钢延伸率不均匀，造成机架间张力失稳发生断带，如图1(c)所示。来料带钢厚差加大时，带钢进入轧机时会导致F1机架轧制力迅速上升，入口张力急剧下降，从而导致带钢打滑或严重跑偏断带。

冷轧操作故障

轧机区检测仪器较多，操作人员通过测厚仪、张力计、传感器等仪器对整个轧制过程进行监测和动态调整。当某一检测仪器发生故障时可能导致操作人员调整失误而造成断带，尤其是轧机入口测厚仪和各个张力计。入口测厚仪发生故障时，AGC无法对原料的厚度波动及时准确响应，若原料厚度波动较大时，将会导致后机架张力波动大而造成严重断带。在轧制过程中，操作人员会依据带钢在操作侧与传动侧的张力偏差来调整轧机的水平度，如果张力计发生故障，将直接导致调整失误而发生断带[5]。

工装设备故障导致断带

轧辊和轴承是轧机主要工装设备，投产初期轧辊使用管理不规范，存在内裂纹的轧辊未探伤使用、下线轧辊未待应力释放即修磨上线、工作辊硬度较高等，导致在生产过程中轧辊剥落时有发生，其破坏特征是从内向外剥离，破坏时表面无明显预兆，具有突发性。在生产中突然出现轧辊剥落，剥落处轧辊会将带钢轧裂，甚至断带[6]。此外，生产过程中工作辊轴承磨损卡死或烧坏，致使轧辊无法运转，从而导致断带。

形变诱导马氏体体积分数较高导致断带

节镍型奥氏体不锈钢为典型亚稳定奥氏体不锈钢，塑性变形会使亚稳定面心立方奥氏体转变为具有铁磁性的体心立方马氏体，形变马氏体对不锈钢性能有较大的影响。根据文献[7]得知，节镍型奥氏体不锈钢形变马氏体体积分数曲线如图2所示。当应变量小于5%时，材料中无马氏体相变产生；当应变量超过5%时，马氏体含量随应变量的增加而增多；在应变量小于20%时，不锈钢产生少量的形变马氏体；应变量在20%～50%之间时，形变马氏体随应变量的增加而急剧增加，几乎呈线性关系；当应变量大于50%时，形变马氏体含量仍有所增加，但是增加速率减小。形变诱导马氏体体积分数增加，使加工硬化程度加剧，当不锈钢轧制过程总压下率达到一定程度后，其所特有的时效裂纹就会发生裂纹扩展，裂纹扩展到一定程度将会导致断带。

图2 工程应变量与形变马氏体体积分数关系

焊缝区域断带原因

节镍型奥氏体不锈钢合金含量较高，加工硬化程度大，总压下率要求控制在50%～70%之间，因此来料焊缝区域要承受比带钢非焊缝区域更大的应变量而不发生断带，这就要求焊缝区域必须具有较高的焊接质量。轧制过程中在焊缝区域发生断带的主要原因是焊缝质量不好及焊缝区的轧制参数设置不合理。

降低断带率的措施

原料质量缺陷监控

据统计目前柳钢中金酸洗白皮卷质量缺陷导致断带次数占总断带比例为60.47%，可见，原料质量缺陷是导致冷连轧过程断带的主要原因之一。常见原料质量缺陷为边裂、脱皮、夹杂、孔洞、压印(凹坑)等，生产过程中必须加强对酸洗白皮卷表面及边部质量监控。操作人员必须在开卷前后、激光焊机前、轧机入口处详细检查钢带表面及边部质量，发现原料边部存在裂纹、撞伤缺口、脱皮、压印等缺陷时，必须采用手持砂轮打磨处理，直至缺陷位置光滑，必要时采用冲边剪切除，并打磨月牙位置毛刺。对缺陷出现在带钢头尾附近，必须完全切除缺陷钢带，同时做好原料缺陷程度对冷连轧过程断带的风险评估，将带钢缺陷处理情况信息传递给轧机主操作工，为轧制该缺陷卷的相关带钢位置时对轧制参数调整提供依据。当缺陷位于带钢中部，生产过程无法处置或发现不及时，应提前将相关情况告知轧机主操作工，采用低速、小压下、小张力等轧制措施，严重时甚至穿带通过，最大程度降低断带风险。

冷轧操作故障控制

加强对轧机工作辊换辊辊道、7个测张辊等极限信号检查加固，防止松动；每班按操作规程要求对6个测厚仪的运行情况进行检查，并定期校正测厚仪；轧机主操作工时刻注意轧机主传动电流变化，以防超过保护极限值跳闸停车，发现异常现象及时通知电气技术员进行处理，同时配合轧机液压工密切关注传动系统、AGC系统压力变化及液压伺服阀运行情况，发现异常及时向液压工反映处理，时刻关注六连轧轧机主体设备及控制系统运转情况，有异响或其他不正常现象及时停机查找问题，保证轧机各设备、系统运行正常，避免因设备故障导致操作失误断带。

加强工装设备使用管理

根据轧辊使用爆辊情况及综合分析得知，工作辊频繁爆辊断带的主要原因是轧辊内部存在微裂纹、下线轧辊残余应力未释放完就修磨上线使用，以及工作辊硬度偏高等。因此，通过优化轧辊磨削工艺、完善轧辊探伤轮休要求、适当降低轧辊硬度等措施，爆辊导致断带几率得到大大降低。同时规范轧辊轴承使用管理要求，提高轴承质量和使用寿命，并定期检查使用情况，有问题提前更换，避免因轴承磨损和烧坏导致轧辊停止运转而断带。

形变马氏体组织控制

节镍型奥氏体不锈钢冷轧过程形变诱导马氏体体积分数随应变量的增加而增加，随着马氏体体积分数的增加，材料加工硬化程度逐渐升高，当总压下率达到一定程度后其特有的时效裂纹就会发生扩展，裂纹扩展达到一定程度后将会导致断带。实践证明，轧制规格越薄，形变诱导马氏体体积分数越高，断带率越高，因此，节镍型奥氏体不锈钢冷连轧总压下率控制在50%～70%之间比较适宜，既保证产品表面质量，同时有效降低断带率。

焊缝质量控制

焊缝位置断带的主要原因是焊接质量不佳及参数设置不合理。因此，需要加强激光焊机设备管理，保证设备运行工况良好，同时确定合理的焊接工艺参数及轧制工艺参数。每班按规程要求进行焊缝试样冲孔实验，确保焊缝质量良好，不断优化焊接工艺参数，并要求使用手持砂轮对每卷焊缝月牙位置的毛刺进行打磨，直至光滑，避免轧制过程因应力集中而断带。同时生产排产严格控制焊缝前后两带钢的厚差比和宽差比，尽量避免将厚差比、宽差比大的钢卷排在一起，当由于原料规格等原因无法避免时，为保证生产稳定，必须提前与轧机主操作工沟通确认，采用低速轧制，避免带钢发生断带故障。

改进效果

通过加强原料质量监控、优化轧制工艺参数、强化工装设备使用管理、合理控制马氏体体积分数等一系列措施，冷连轧生产过程中断带率明显降低，见表2。从表2可以看出，冷连轧总断带率大幅度降低，原料质量缺陷、冷轧操作等原因导致的断带率同时均有较大幅度的降低。提高了连轧机组有效作业率，降低生产成本。

表2 2019年4～5月冷连轧过程断带情况统计

结束语

通过分析节镍型奥氏体不锈钢冷连轧过程发生断带的原因，采取加强原料质量监控、优化轧制工艺参数及规范操作等措施，冷连轧断带率得到有效改善。

(1) 节镍型奥氏体不锈钢冷轧过程发生断带主要原因是原料质量缺陷，原料质量缺陷导致断带次数占总断带的比例为60.47%。

(2) 通过加强热轧来料表面及边部质量监控，优化冷连轧工艺参数及操作等措施，同时确保工装设备运行状况良好，冷连轧过程发生断带率得到大幅降低，2019年5月份总断带率降低至0.35%，提高连轧机组作业率，降低生产成本。