閆玉三，周文賓，蘇曉智

（酒鋼集團(tuán)宏興股份碳鋼薄板廠，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

酒鋼碳鋼冷軋引進(jìn)德國艾伯納公司的全氫罩式爐生產(chǎn)設(shè)備，在全氫氣氛下對冷硬卷進(jìn)行再結(jié)晶光亮退火處理。

冷軋卷粘接缺陷在罩退工藝生產(chǎn)薄帶鋼時普遍存在[1]，但酒鋼碳鋼冷軋厚規(guī)格（＞1.8mm）冷軋退火卷平整生產(chǎn)時，在帶鋼尾部20m～80m內(nèi)出現(xiàn)粘接缺陷，嚴(yán)重的達(dá)到150m。此缺陷在很大程度上影響了酒鋼冷軋卷成材率及一次材消耗，甚至因粘接切廢造成卷重不達(dá)標(biāo)而影響訂單兌現(xiàn)。本文分析了厚帶鋼尾部粘接的產(chǎn)生機(jī)理，找出影響厚帶鋼尾部粘接的關(guān)鍵因素。

1 厚帶鋼尾部粘接的表現(xiàn)形式

在冷軋平整機(jī)組生產(chǎn)厚規(guī)格帶鋼開卷至尾部時，會聽到巨大的“叭”“叭”聲響，這是因?yàn)閹т摰纳舷旅嬷g形成了嚴(yán)重的粘接。粘接形貌為點(diǎn)狀或不規(guī)則條狀、塊狀，嚴(yán)重的粘接點(diǎn)直徑可達(dá)雞蛋大小，肉眼可見粘接點(diǎn)由細(xì)小的點(diǎn)狀凹坑組成，且發(fā)亮，手感粗糙。典型粘接形貌如圖所示。

圖1 厚帶鋼尾部粘接形貌圖

2 厚規(guī)格帶鋼尾部粘接產(chǎn)生的機(jī)理及形成過程

采用罩式爐退火生產(chǎn)的冷軋卷，表面產(chǎn)生粘接缺陷的影響因素很多，但從本質(zhì)上來說是金屬在強(qiáng)壓、高溫下，相互接觸的兩層帶鋼表面原子相互滲透擴(kuò)散的過程。從粘結(jié)的機(jī)理及粘結(jié)后表面形態(tài)來看，其實(shí)質(zhì)類似固態(tài)焊接中的擴(kuò)散焊。微觀不平的兩接觸表面，在外加壓力的作用下，總有一些點(diǎn)首先達(dá)到塑性變形，在持續(xù)壓力作用下，接觸面積逐漸擴(kuò)大，隨著接觸界面原子間的相互擴(kuò)散，形成結(jié)合層。通過對厚規(guī)格帶鋼粘接產(chǎn)生的部位、形貌以及采取措施的實(shí)施效果來看，厚規(guī)格帶鋼尾部粘接的機(jī)理不同于薄帶鋼，由于層間的位移錯動導(dǎo)致的層間壓力增量是導(dǎo)致粘接的主要推動力[2-5]。

2.1 層間壓力的變化

2.1.1 鋼卷卷心的卷曲張力帶來的壓力增量

酒鋼碳鋼冷軋酸洗連軋機(jī)組在冷硬卷卷取時采用恒主卷曲張力卷曲，但為保證卷曲質(zhì)量及防治卷心塌陷，在卷曲頭部時采用張力錐卷取工藝，在卷曲初期的設(shè)定長度內(nèi)，卷曲張力都要大于主卷曲張力。由于層間壓力隨張力的增大而增大，故鋼卷卷心受張力錐影響的部分其層間壓力要大于鋼卷其他部分。

2.1.2 板形等因素帶來的壓力增量

由于鋼卷頭部板形控制不良，更易在鋼卷頭部形成厚度不均、厚度凸點(diǎn)等板型缺陷，卷取后由于層層疊加累計(jì)效應(yīng)，使得頭部板形不良處的層間壓力增加。

2.1.3 鋼卷卷曲半徑帶來的層間壓力增量

碳鋼冷軋產(chǎn)品的卷曲內(nèi)徑為610mm，相對薄帶鋼來說，厚規(guī)格帶鋼在卷曲初期，因卷曲直徑小，帶鋼存在自發(fā)的向外擴(kuò)張趨勢，第N層鋼卷對N+1層鋼卷的壓力要高于薄帶鋼，尤其在溫度狀態(tài)下，因鋼板處于彎曲狀態(tài)，因熱漲帶來的位移，使帶鋼具有向外徑方向的移動趨勢，更加大了帶鋼層層之間的壓力。

2.1.4 溫度帶來的層間壓力變化

圖2 工藝原理曲線

在罩式爐的退火處理模式下，帶鋼直徑方向上各點(diǎn)溫度存在100℃～200℃的差別，溫度差的存在必然導(dǎo)致鋼卷各部分的熱脹冷縮效應(yīng)不同，因此層間出現(xiàn)熱壓應(yīng)力。

在罩式爐退火過程中，厚規(guī)格帶鋼的退火溫度在700℃～71℃，在退火過程中熱點(diǎn)區(qū)域長時間處于高溫段，此最高退火溫度已經(jīng)非常接近低碳鋼固態(tài)焊接時所要求的AC1溫度，因此加熱溫度為帶鋼的粘接提供了有利條件。如果沒有溫度，即使處于高接觸壓力下的兩個表面，幾乎不會出現(xiàn)原子間的擴(kuò)散結(jié)合，因此溫度也是粘接發(fā)生的推動力。

2.1.5 鋼卷層間的錯動位移帶來的層間壓力增量

酸軋冷硬卷在卷曲下線后以臥卷形式放置，各層之間受卷曲張力、帶鋼層層間壓力及摩擦力的作用，其形成的主合力F作用線在摩擦角ψm內(nèi)，層層之間保持一個臨界平衡狀態(tài)，沒有位移錯動。這相當(dāng)于摩擦自鎖現(xiàn)象。

圖3 鋼卷層間的錯動位移

但在后續(xù)的吊取、翻轉(zhuǎn)、爐臺組垛、熱處理過程中，鋼卷的受力狀態(tài)發(fā)生改變，當(dāng)層間帶鋼所受到的主合力與法線間的夾角大于摩擦角ψm，其在切向上的分量超過最大摩擦力fmax后，帶鋼將發(fā)生位移，出現(xiàn)層間錯動。由于鋼卷心部帯尾是一個自由端，對錯動沒有約束，但是鋼卷畢竟處于帶張力卷曲、捆帶打緊的狀態(tài)，帶鋼的位移錯動受到很大限制，層錯量細(xì)微，肉眼不可辨，因此當(dāng)層間錯動到限制點(diǎn)時，錯動終止，但錯動趨勢在終止點(diǎn)會轉(zhuǎn)化為巨大的層間附加壓力。

2.2 帶鋼組織結(jié)構(gòu)

固態(tài)焊接要求相接觸的界面兩側(cè)發(fā)生超塑性流變，使得兩界面緊密接觸至原子間作用力能達(dá)到的范圍之內(nèi)并發(fā)生界面兩側(cè)原則的擴(kuò)散。相接處的兩材料在超塑狀態(tài)下具有低應(yīng)力大塑性流變能力，在此狀態(tài)下的原子具有較高的遷移速率，有效在兩界面間擴(kuò)散。中低碳鋼在AC1溫度以上α+γ兩相區(qū)呈較好的超塑性，略低于AC1溫度是超塑性稍差。冷軋帶鋼在罩式爐退火溫度最高達(dá)到700℃，幾乎接近于固態(tài)焊接工藝要求的AC1溫度，此時的帶鋼具有超塑性，有利于相接觸的兩層帶鋼表面原子相互快速擴(kuò)散，更容易誘發(fā)粘接發(fā)生。

相接處兩界面金相組織也是導(dǎo)致粘接發(fā)生另一原因，根據(jù)文獻(xiàn)[4]介紹，相接處的兩表面表層組織對固態(tài)焊接接頭的形成有重要影響，組織越細(xì)小，擴(kuò)散系數(shù)越大，越有利于在短時間內(nèi)形成高質(zhì)量的固態(tài)焊接。熱軋板經(jīng)冷軋后的帶鋼是纖維狀的組織，這是一種不穩(wěn)定的組織，經(jīng)過罩式爐退火處理后，帶鋼的晶格結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化，更不會有新的相形成，但晶粒的狀態(tài)，即形狀和尺寸發(fā)生了改變。再結(jié)晶退火經(jīng)過回復(fù)，再結(jié)晶和晶粒長大三個階段后，形成均勻的等軸晶粒，但對于整個帶鋼端面來說，三個過程是交織在一起的，并非同時進(jìn)行。再結(jié)晶過程剛結(jié)束后組織為細(xì)小的等軸晶粒，粘接易發(fā)生于再結(jié)晶形核結(jié)束后晶粒還處于細(xì)小的等軸晶粒階段，因此細(xì)小的等軸晶粒亦是帶鋼尾部發(fā)生粘接的另一誘導(dǎo)因素。

2.3 表面狀態(tài)

2.3.1 帶鋼表面的粗糙度

帶鋼的粘接通常發(fā)生在緊密結(jié)合的兩層帶鋼之間，通過帶鋼層間壓力使兩層帶鋼之間間隙達(dá)到晶格尺寸范圍內(nèi)，原子在高溫狀態(tài)下更容易發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致粘接，因此大的帶鋼表面粗糙度有利于避免帶鋼之間的表面接觸接。

酒鋼碳鋼冷軋酸軋機(jī)組F5機(jī)架采用毛化輥軋制，軋后帶鋼表面粗糙度在1.3μm左右，由于帶鋼表面粗糙度的存在，兩層帶鋼接觸后即使在強(qiáng)壓下依舊存在空隙區(qū)域，但在高溫退火過程中，帶鋼強(qiáng)度降低，塑性增強(qiáng)，部分接觸的凸點(diǎn)在層間壓力的作用下發(fā)生塑性變形，增大了接觸面積。

2.3.2 層間錯動帶來的表面劃傷

由于鋼卷卷心帯尾部分在退火過程中發(fā)生層間位移錯動，帶鋼在強(qiáng)大的層間壓力下相互錯動，帶鋼表面將出現(xiàn)劃傷，劃傷后的帶鋼表面能將增高，更有利于該點(diǎn)的原子擴(kuò)散。

2.3.3 原料表面殘鐵量

酒鋼碳鋼冷軋缺少脫脂工藝，冷硬卷表面反射率只有60%左右，帶鋼表面殘油殘鐵量大，加之錯動位移產(chǎn)生的微量金屬粉末在高溫退火過程中，像焊合劑一樣填充在兩接觸表面之間，更加增大了帶鋼尾部粘接的幾率。

3 控制措施的實(shí)施

根據(jù)前文對帶鋼尾部粘接機(jī)理的分析，在生產(chǎn)實(shí)踐中我們采取了改善板形、板面粗糙度、反射率、降低卷曲主張力、焊接卷芯自由帶頭、降低退火溫度等措施。根據(jù)各項(xiàng)措施的實(shí)際實(shí)施效果來看，最有效的是焊接卷芯自由帶頭，幾乎可杜絕該項(xiàng)缺陷，板形的改善可將尾部粘接的比例降低20%左右，其他改善措施效果微乎其微，這說明厚規(guī)格鋼卷帯尾部分發(fā)生層間位移錯動是造成帶鋼尾部粘接的主要因素。

4 結(jié)論

（1）由于卷曲張力、退火過程中的熱應(yīng)力以及帯尾部分板型不良等因素使鋼卷層間壓力劇增，迫使相接觸兩層帶鋼之間間隙變小，有利于兩層帶鋼之間的原子擴(kuò)散，增大了帶鋼尾部粘接幾率。

（2）鋼卷卷心帯尾部分的層間錯動給粘接提供了良好的條件，是帶鋼尾部發(fā)生粘接的最主要原因。

（3）通過粘接改善措施的現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，顯示焊接厚規(guī)格卷心自由帶頭能夠很好的控制卷心帶尾部分的分層錯動，從根本上解決了帶冷軋帶鋼尾部粘接的表面缺陷。