分享：镀锌板平整过程“宽窄印”缺陷研究

平整工艺是冷轧镀锌板的表面质量控制的主要手段。某热镀锌线光整机组生产薄宽镀锌板过程中出现了一种明暗相间的表面缺陷，根据其产生原因和视觉表现称之为宽窄印。文章针对所遇到的宽窄印问题进行了大量实验和理论研究，明确了带钢表面宽窄印的本质，指出宽窄印表面缺陷是一种由于带钢表面峰值密度Pc值差异引起的表面缺陷，同时对现场生产提出了宽窄依次生产以及过渡卷消除法两种具体工艺解决措施避免了宽窄印缺陷的发生。

随着经济的发展，对钢材使用寿命的要求越来越高，通过提高钢材的防腐性可以显著延长钢材的使用寿命。长期以来，人们研究了很多防止钢材腐蚀的方法，实践证明采用热镀锌防腐成本较低、镀层牢固、外观漂亮、寿命长，长期以来被广泛应用到建筑、家用电器、汽车板等许多领域[1]。然而随着镀锌带钢用量的逐渐增大，用户对其表面质量的要求也日趋严格，因而生产中产生的表面缺陷问题亟待解决。宽窄印是影响产品表面质量的典型缺陷之一，常表现为通条条状或带状色差。国内学者针对冷轧带钢平整过程表面质量控制做了许多研究，魏宝民等[2]针对某钢铁公司双机架平整机组生产镀锡板工作辊表面粗糙度衰减速度快、服役周期短的问题，通过优化工作辊初始表面粗糙度和两机架伸长率分配系数建立了工作辊粗糙表面衰减模型，降低了工作辊表面粗糙度的衰减速率；于孟等[3]依托于某双机架平整机组，运用逐步回归分析法，基于大量数据建立了镀锡板平整过程表面粗糙度遗传与变化的预测模型，使得镀锡板表面粗糙度控制精度显著提高；高登等[4]通过现场实验研究分析了张力、延伸率等平整工艺对不锈钢带钢表面粗糙度的影响，对不锈钢产品的粗糙度控制有一定的指导意义；宋木清等[5]对平整过程中轧辊与带钢的表面粗糙度的衰减进行对比分析，并得到其衰减规律，为成品带钢粗糙度控制提供了指导；陈红星等[6]通过实验研究分析了湿平整过程带钢表面黄斑缺陷的本质，并得到平整液对黄斑缺陷的影响规律，为平整工艺控制该缺陷提供了理论基础；王占军[7]通过在平整液中添加消毒液、改进支撑辊平整液喷梁等措施，从润滑角度避免了轧辊表面粗糙度分布不均，解决了带钢表面亮印问题。但目前针对宽窄印缺陷的本质及其产生机理的研究很少，本文将通过实验研究及有限元仿真分析探究宽窄印缺陷本质，解释宽窄印产生机理。

问题介绍

某钢厂热镀锌线生产产品宽度在900~1800 mm范围之间，由于规格跨度大，机组在长时间生产同一规格的带钢之后，对应带钢宽度范围工作辊磨损严重，而轧辊两侧未与带钢接触部位磨损缓慢，当出现逆宽轧制时(即生产更宽规格的带钢)，带钢内外侧会由于工作辊磨损不均匀产生明暗不均的缺陷，现场称之为宽窄印。宽窄印缺陷的出现严重影响带钢表面质量。如图1所示为产生宽窄印带钢的示意图。

宽窄印本质研究

为了消除宽窄印缺陷，首先要明确其本质，为此分别进行了以下实验研究：(1)采用光泽度仪、接触式粗糙度仪及色差仪分别测量带钢不同区域的光泽度、粗糙度和明度；(2)理化实验，包括物理打磨和化学腐蚀实验；(3)白光干涉三维形貌实验。

表面光泽度测量

Rhopoint光泽度仪(图2)可以测量成像质量，是一款描述光如何从物体表面反射的手持式表面光学检测仪，分辨率为0.1 GU。将带有宽窄印缺陷的样板用酒精清洗干净后使用Rhopoint光泽度仪分别测量带钢不同区域的光泽度和峰值反射率，并对上下表面的宽窄印内侧区域和宽窄印外侧区域进行了对比。图3为宽窄印样板的测量点位置。

宽窄印内外光泽度对比见图4。由图4可以看出带钢上下表面的光泽的没有明显差异；带钢内侧光泽度明显高于外侧，差值平均达到33%。根据张清东等[8]对镀锡板表面光泽度的研究可知光泽度与带钢表面粗糙度值呈负相关关系，在表面粗糙度值确定的情况下，与峰值密度呈负相关关系。因此推测，由于带钢内侧对应的轧辊部位在轧制过程中磨损程度较外侧严重，造成轧制转印过程中带钢内侧粗糙度值或峰值密度将低于带钢外侧。为了验证光泽度产生差异的原因，分别对宽窄印样板进行了表面粗糙度和峰值密度的测量。

表面粗糙度测量

使用接触式粗糙度仪分别测量宽窄印带钢不同区域的粗糙度，并对产生宽窄印缺陷的样板内外侧测量结果进行了对比。如图5和图6所示，带钢表面在产生宽窄印部位的内、外侧并没有明显的粗糙度值差异；但是对于峰值密度，样板内外侧产生了显著差异，带钢表面外侧的Pc值(峰值密度)明显高于内侧，差值平均达到18%。带钢的表面Pc值(峰值密度)主要描述材料表面的水平尺度，取决于带钢表面产生波峰和波谷的数量。在表面粗糙度值无明显差异的情况下，Pc值越大带钢表面的光泽度越低，这与前文所得到的光泽度差异结果一致。

表面三维形貌测量

为了验证宽窄印缺陷的产生是由于表面微观形貌的差异，采用白光干涉仪测量带钢表面的三维形貌，该测量仪可以测量并绘制高分辨率的三维图像，分辨率为0.1μm。经过测量分别得到了宽窄印内外区域的三维形貌图以及相关的表征参数。从图7所示的三维形貌图中，可以看出宽窄印内外区域有明显的差别，宽窄印外侧区域在基准面之上有较多的尖峰和凹谷，而宽窄印内侧区域的尖峰和凹谷较少，这与前文测得外侧表面峰值密度更大符合。在样板上标记宽窄线，对宽窄印内外区域进行连续测量，然后沿带钢宽度方向左右移动操作台，从而得到带钢在宽窄印区域表面形貌的变化。

宽窄印区域表面形貌见图8。如图8所示，分界线左右的宽窄印区域和非宽窄印区域有较明显的差别，宽窄印外侧区域在基准面之上有较多的尖峰和凹谷，宽窄印内侧区域的尖峰和凹谷较少，而宽窄线(图中两条黑线中间)部分为过渡区域，表面形貌由外侧到内侧逐渐改变。因此可判断，带钢表面宽窄印缺陷是一种由于表面微观形貌差异(峰值密度差异)引起的表面缺陷，表现为光泽度差异引起的视觉差异。

表面理化实验

◆物理打磨实验

前文通过三维形貌仪测量与光泽度分析得出带钢表面宽窄印缺陷是一种表面微观形貌差异引起的视觉缺陷，为了进一步验证这一判断，将通过物理打磨实验分析宽窄印的本质。采用目数为2000(CW)的砂纸，分别对带钢表面进行垂直于轧制方向和平行轧制方向打磨，每一次打磨过程应保证方向平行且力度均匀，打磨结果如图9所示。通过观察打磨前后的带钢表面发现，在打磨方向不同的情况下，带钢宽窄印区域和正常区域同时变化，表现出相同的视觉效果，同时，宽窄线被打磨掉，即逆宽区域与带钢中部不再有明显的分区。

测量打磨前后的带钢表面，测量结果如图10和图11所示，发现打磨后的带钢表面光泽度降低，Ra值降低，Pc值降低。且带钢经过打磨，原先宽窄印缺陷内外侧表面光泽度、Ra值、Pc值趋于一致。

打磨后的带钢表面三维形貌如图12所示，宽窄印内外侧区域的表面从幅值、形貌上均趋于一致。因此可以认为带钢轧制产生的宽窄印是由于表面形貌差异引起的表面缺陷。

◆化学实验

将浓度为36%的HCl溶液滴在样板上，同时覆盖宽窄印内侧区域和宽窄印外侧区域。反应时，带钢表面有气泡产生，同时带钢表面颜色变暗，3 min后，由于带钢表面与盐酸发生了一定的反应，宽窄印和正常区域差别减小，宽窄线消失，暴露出锌层下的基板，测量腐蚀前后钢板厚度可知腐蚀前后厚度差距刚好为镀锌层的厚度，反应结果如图13所示。将带钢清洗吹干，表面参数测量结果如图14和图15所示，通过对比腐蚀前后的带钢表面参数发现，腐蚀后的带钢表面光泽度降低、Ra值基本保持不变，宽窄线外侧的Pc值降低，内侧的Pc值基本不变，带钢宽窄印内外侧从各指标上趋于一致。腐蚀后的带钢表面三维形貌如图16所示，带钢表面各部位三维形貌趋于一致，表面宽窄印是产生于镀锌板锌层表面的缺陷。通过以上的理化实验可以得出，镀锌板宽窄印及“宽窄线”是由于带钢锌层表面Pc值差异引起的视觉差异，是一种表面缺陷。

宽窄印产生过程分析

轧辊的磨损主要由轧制负荷以及接触状态两个方面的因素决定。磨损的过程与下列因素相关：轧制单位压力的大小及其沿带钢宽度方向的分布；轧制量(总长度)、轧辊圆周上某点与轧件接触的次数(转数)、以及轧辊与轧辊之间的滑动量；轧辊表面粗糙度、摩擦因数及辊面硬度；每一轧制单位中产品种类(宽度、厚度、材质)，轧制顺序的编排等。

经过分析认为，带钢上宽窄印的产生过程应包括三个阶段：

◆工作辊服役初期

在工作辊服役初期，工作辊为新辊，此时工作辊表面的粗糙度较高，对应于带钢宽度范围内的支持辊和工作辊之间的接触压力较大。根据摩擦学原理，正压力越大相应部位的磨损也就越大，粗糙度衰减越快。因此，在辊间接触压力较大的区域，工作辊辊面粗糙度迅速降低、磨损较大。

◆工作辊上出现“宽窄痕”

在工作辊服役一段时间后，由于规格的变化，所生产带钢宽度逐渐变小。尽管光整机压下量小、轧制压力较小，工作辊也会出现一定程度的磨损。随着生产的进行，工作辊磨损也随之增大。

◆“逆宽”轧制阶段(带钢上产生宽窄印)

当工作辊上出现宽窄印后，若要使带钢上也出现宽窄印，必须进行“逆宽”轧制。“逆宽”轧制时，带钢边部进入到工作辊或工作辊的宽窄印区域。

带钢表面粗糙度的大小取决于工作辊表面粗糙度。光整轧制时，带钢表面粗糙度的形成过程实际上就是工作辊表面粗糙度向带钢表面的转印过程。在这一过程中如果工作辊表面粗糙度分布不均匀，则带钢上转印过来的粗糙度将继承这一不均匀的特性。因此，当工作辊上粗糙度较低的“宽窄痕”区域与带钢接触时，带钢上(通常是带钢边部)也将出现宽窄印缺陷，在磨损剧烈的窄带钢边部位置处，出现一条明显的“宽窄线”。

解决措施

通过分析可知，使带钢上产生宽窄印缺陷的源头为工作辊上的“宽窄痕”。要避免带钢上出现宽窄印，可以从“印源”上着手，在如下方面展开工作避免工作辊上产生“宽窄痕”，避免工作辊上的“宽窄痕”进入带钢区域。因此提出宽窄依次生产和过渡卷消除法工艺控制措施。

宽窄依次生产

为了避免工作辊和支持辊上出现明显的“宽窄痕”可以采用宽窄带钢依次生产的方法。该方法的目的是消除窄带钢在轧辊上的影响，因此对于窄带钢的轧制量有限制，而对于宽带钢的轧制量限制较小。

过渡卷消除法

使用过渡卷主要是使窄带钢在轧辊上形成的“宽窄痕”向轧辊两侧移动，使下一批宽带钢不会与“宽窄痕”发生作用。当窄带钢的轧制量比较大时，插入过渡卷基本可以避免宽窄印的产生。为了提高生产效率并减少资源浪费要尽量减少过渡卷的使用，可以根据上一批窄带钢的生产量选择过渡卷的使用量。

结束语

(1)某钢厂热镀锌线生产带钢出现一种明暗相间的表面缺陷，根据其产生原因和视觉表现称之为宽窄印。通过光泽度测量、表面参数测量及理化实验，得出宽窄印缺陷是一种由于带钢表面Pc值差异引起的表面缺陷。

(2)根据现场实际生产情况，提出宽窄依次生产以及过渡卷消除法两种工艺手段避免了宽窄印缺陷的发生。

文章来源——金属世界