（动力工程及工程热物理专业论文）连续退火热镀锌机组带钢稳定通板技术研究.pdf

摘要 连续退火生产线中带钢在顶辊和底辊之间上下来回运动，从而实现传输。这 种传输方式通过准确地控制带钢的热处理工艺非常有助于提高生产率和产品质 量，目前连续退火生产线已被世界广泛采用，但是在这个过程中也会遇到很多问 题：如跑偏和瓢曲。而严重瓢曲与跑偏会造成带钢炉内断带并迫使机组停机，对 机组生产及产品质量危害极大。但由于带钢瓢曲与跑偏机理复杂，多年来对其成 因一直未能得到理性的、正确的解释，因此带钢的瓢曲与跑偏成为严重困扰生产、 亟待解决的技术难题。 本文在前面的基础上通过解析法的理论推导带钢瓢曲临界张力的半经验公 式，这对大生产中带钢张力表的设定具有重要的参考价值。 除此之外，本文根据金属塑性理论建立了带钢稳定通板的弹塑性理论模型以 及与生产中一致的边界条件。并采用非线性商业软件a b a q u s s t a n d a r d 对模型进 行求解，求解分为张力加载与辊子转动两步进行。为了弄清连续生产线上带钢运 行中瓢曲形成的机理进行了一系列数值模拟。当在带钢上施加一个长度方向上的 张力，凸度辊将使带钢上产生横向压缩应力和带钢起皱。并且诱发产生的横向压 缩应力随着张力的增大而增大，随着辊子凸度的增大而增大，随着摩擦系数的增 大而增大。带钢运动过程中横向压缩应力的增加是瓢曲形成过程中的关键因素。 文中采用有限元的方法再现了瓢曲的产生与长大过程，并且通过计算发现对 于梯形辊来说瓢曲主要发生在梯形辊的平台区，并且随着辊子的凸度的增大瓢曲 位置逐步向辊子中间移动，对于正弦辊来说瓢曲一般发生在辊子中间，其瓢曲宽 度约为2 - 4 m m 。除此之外文中进一步分析瓢曲的发生的判别标准，证明了带钢的 等效应力达到带钢的屈服强度，带钢就会发生屈曲以致最终演化为瓢曲这一说法 并不正确，认为带钢横向弯曲到一定的程度就会发生瓢曲，其具体的临界横向壳 弯曲曲率与带钢的规格相关。 根据有限元仿真结果，搭建了模拟生产实验平台，该实验平台按照实际生产 设备1 8 大小进行设计，带钢以闭合环路通板。对带钢通板过程中出现的瓢曲进 行研究，全面分析了带钢规格、梯形辊平台区长度、辊面粗糙度、梯形辊凸度、 辊型、p a s s 长度、平台区与锥度区过渡长度等因素对瓢曲的影响，取得一系列 重要结论：随着凸度的增大，瓢曲临界应力有降低的趋势；随着平台区长度的增 加，带钢与锥度区接触越少，临界瓢曲应力增大；双阶梯辊和梯形辊的临界瓢曲 应力相当，而窄身辊与正弦辊相对较小；随着粗糙度的增大，临界瓢曲应力有降 低的趋势；铝箔越是宽薄，其临界瓢曲张力越小，越容易发生瓢曲：相反铝箔越 是窄厚，其临界瓢曲张力就越大，就越不容易产生瓢曲缺陷；p a s s 长度越大，其 临界瓢曲应力越小；临界瓢曲应力随着过渡区长度的增大，先增大后减小，对于 辊子设计来说存在一个最优化的过渡区长度。 通过分析发现实验研究与有限元理论计算得出了一致的规律，只是有限元计 算发现理论值比实验结果较大，文中结合实验实际主要从板形、跑偏、摩擦系数、 残余应力等几方面分析了产生误差的原因。 根据生产实际搭建模拟生产线实验平台，系统研究了炉辊各因素以及铝箔规 格等因素对辊子自纠偏性能进行了系统的研究。并得出以下结论( 1 ) 随着辊子 的转动带钢逐步向辊子中间移动，但其向中间引动的趋势逐渐放缓。( 2 ) 辊子凸 度的越大辊子的自纠偏能力越强；辊子平台区越长其自纠偏能力越差；梯形辊、 双梯形辊以及正弦辊都有很好纠偏的效果。实验初始阶段梯形辊与双梯形辊自纠 偏能力较好，随着带钥向辊子中间移动，正弦辊自纠偏性能较好；辊而粗糙度对 辊子自纠性能并不显著；带钢张力越大纠偏性能越好。 文中通过实验研究发现带钢与辊子锥度区的接触长度对于辊子自纠偏性能 的影响非常显著，由于受到实验条件及测试手段的限制，文中采用有限的方法计 算了带钢与辊子的接触长度，通过分析仿真结果得出：( 1 ) 辊子与带钢接触并 不是简单的线性接触，而是存在一条曲线，其中辊子顶端接触长度最小。通过大 生产中带钢张力表可以知道，带钢在连续退火生产线中，事实上带钢并没有与辊 子完全接触。( 2 ) 带钢与辊子的接触长度随着辊子直径的增大而逐渐增大；带 钢与辊子的接触长度随着辊子凸度的增大而逐渐减小；带钢与辊子的接触长度随 着辊子带钢厚度的增大而逐渐减小；带钢与辊子的接触长度随着带钢宽度的增大 而逐渐增大；带钢与辊子的接触长度随着带钢屈服强度的增大而逐渐减小；带钢 与辊子的接触长度随着带钢弹性模量的增大而逐渐减小；带钢与辊子的接触长度 随着带钢张力的增大而逐渐增大。 关键词：连续退火；通板；跑偏；瓢曲；有限元 l l i np r o c e s s i n gl i n e s ，s h e e t so fm e t a la r ei nac o n t i n u o u sf o r m ，c a ll e ds t r i po rw e b ， a n dt r a v e lt h r o u g ht h ep l a n t s t r i p sa geg u i d e db yu p p e ra n dl o w e rr o il si na na l t e r n a t e u pa n dd o w nv e r t i c a lm o t i o n t h i sk i n do fp r o c e s sh a ss e v e r a la d v a n t a g e si nt e r m so f p r o d u c t i v i t ya n dp r o d u c tq u a l i t y f o re x a m p l e ，c o n t i n u o u sa n n e a l i n gf u r n a c e sa l l o wt o c o n t r o la c c u r a t e l yt h et h e r m a lt r e a t m e n to fs t r i p sa n dt oo b t a i ns t e e l s h a v i n gv e r y g o o d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s m a i np r o b l e m se n c o u n t e r e di nc o n t i n u o u ss t r i p p r o c e s s i n gl i n e sa g eb r e a k sd u et om i s g u i d i n ga n df o r m a t i o no fw r i n k l e s t h es t r i p b u c k l i n gc a u s e st h es t r i pt ob cr e j e c t e da n d ，i nt h ew o r s tc a s e ，t h es t r i pb r e a k sa n dt h e c o n t i n u o u sa n n e a l i n gs e ti sc o m p e l l e dt os t o p b e c a u s et h eb u c k l i n gm e c h a n i s mh a s b e e nd i s p u t e da n dt h el o g o se x p l a n a t i o no ft h es t r i pb u c k l i n gh a sn o tb e e no b t a i n e d a n dt h es t r i pp r o d u c t i o nh a sb e e nt r o u b l e db yt h es t r i pb u c k l i n gf o ry e a r s ，t h e r e s o l v i n go f t h es t r i pb u c k l i n gp r o b l e mi sn ot i m 吾t od e l a y b a s e do nt h ep r e v i o u si n v e s t i g a t i o n ，t h ea n a l y s i sm e t h o dw a sa d o p tt od e d u c e s e m i - e m p i r i c a le q u a t i o na b o u tt h ec r i t i c a lt e n s i l eo fs t r i pf o rw r i n k l i n g ，w h i c hw a s v a l u a b l ef o rt h ed e s i g n i n go f t h et e n s i l et a b l ef o rt h ec o n t i n u o u sa n n e a l i n gl i n e t h ee l a s t i c - p l a s t i cm o d e lo ft h es t r i pr u n n i n ga n dt h ec o r r e s p o n d i n gb o u n d a r y c o n d i t i o nw e r ec o n s t r u c t e dd e p e n d a n to nt h et h e o r yo fm e c h a n i c f i n i t ee l e m e n t a n a l y s e sa g ec a r d e do u tt om o d e lt h ef o r m a t i o no fw r i n k l e sw h e nas t r i pi sp a s s i n g o v e rar o l l n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o n s o fs t r i p c o n v e y i n ga r ep e r f o r m e dw i t ht h e c o m m e r c i a ls o f t w a r ea b a q u s s t a n d a r d n o n l i n e a rs t a t i cs t r e s sc a l c u l a t i o n sa g e c a r r i e do u to nac o n f i g u r a t i o n s i m u l a t i o n sa l ep e r f o r m e di nt w os t e p s f i r s t , a h o m o g e n e o u sl o n g i t u d i n a lt e n s i l es t r e s si sa p p l i e da to n ee n do ft h es h e e t , l e a d i n gt o t h es t r i pb u c k l i n g t h es e c o n ds t e pw a sn a m e dt h es t r i pd i s p l a c e m e n t t h er e s u l t s s h o ww h e nt h es t r i pi ss t r e t c h e d ，t r a n s v e r s ec o m p r e s s i v es t r e s s e sa p p e a rn e a rt h er o l l a n dc a u s et h es t r i pb u c k l i n g ，a n dt h et r a n s v e r s ec o m p r e s s i v es t r e s s e si n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo ft h ec r o w no ft h et a p e r e dr o l l ，s t r i pt e n s i l ef o r c ea n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t b e t w e e nt h es t r i pa n dt h er o l l t h et r a n s v e r s ec o m p r e s s i v es t r e s s e sp l a yt h ed o m i n a n t r o l lo nt h eb u c k l i n gp h e n o m e n a n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v eb e e np e r f o r m e di no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ef o r m a t i o n 1 1 1 o fw r i n k l e sd u r i n gs t r i pr u n n i n gi nc o n t i n u o u sp r o c e s s i n gl i n e s t h ew r i n k l ep r e d i c t e d b yt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li sv e r ys i m i l a rt ot h o s eo b s e r v e di ni n d u s t r i a lp r o c e s s i n g l i n e s i tt a k e sp l a c eo nt h ec y l i n d r i c a lp a r to ft h et a p e r e dr o l la n di t sw i d t hi sa b o u t 2 - 4 m m a n dt h ew r i n k l ei sm o v i n gt ot h ec e n t e rp a r to ft h et a p e r e dr o l lw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ec r o w n t h ew r i n k l eo c c u r so nt h ec e n t e rp a r to ft h es i n u sr o l l t h e c r i t e r i o nf o rt h ew r i n k l eo c c u r r e n c ew a sa l s od i s c u s s e d t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a t f r i c t i o nb e t w e e ns h e e ta n dr o l li n d u c e sa ni n c r e a s eo ft h ea m p l i t u d eo ft h eb u c k l e s i n s o m ec a s e s ，ap l a s t i cc u m u l a t i v em e c h a n i s mi st r i g g e r e da n dl e a d st ot h eo c c u r r e n c e o faw r i n k l e ，a n dt e s t i f i e dt h eo p i n i o nt h a tt h ew r i n k l eo c c u r r e n c ei sb e c a u s et h e e q u i v a l e n ts t r e s si sb i g g e rt h a nt h ey i e l ds t r e s so ft h es t r i pw a sw r o n g t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw a sa l s oc o n s t r u c t e d1 8o ft h ep r o d u c t i o nd e v i c ei n d i m e n s i o n t h ee f f e c to ft h et a p e r e dr o l lc r o w n ，t h ef l a tl e n g t h ，t h ef r i c t i o ne t c o nt h e c r i t i c a lt e n s i l eo ft h ew r i n k l i n gw a si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h e c r i t i c a lt e n s i l eo ft h ew r i n k l i n gi n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo ft h ec r o w no ft h er o l l ，t h e i n c r e a s eo ft h ef l a tp a r tl e n g t h ，t h ed e c r e a s eo ft h ef r i c t i o n ，t h ei n c r e a s eo ft h ep a s s l e n g t h ，t h ed e c r e a s eo ft h et h i c k n e s so ft h es t r i p ，t h ei n c r e a s eo ft h ew i d t ho ft h es t r i p ， e t c t h e r ei sa no p t i m u mt r a n s i t i o nl e n g t hf o r t h et a p e r e dr o l l t h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h ec o n s i s t e n c ew i t ht h en u m e r i c a l r e s u l t s ， a l t h o u g ht h ef o r m e rv a l u ei sl o w e rt h a nt h el a t t e r s s oi nt h i sp a p e r , t h ef a c t o r sf o rt h e e r r o r ss u c ha st h ef r i c t i o n ，t h ed r a w b a c ko ft h e s t r i ps h a p e ，t h em i s g u i d i n g ，t h e r e s i d u a ls t r e s sw e r ed i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y t h e - e f f e c t so ft h es t r i ps h a p e ，t h et a p e r e dr o l lc r o w n ，t h ef l a tp a r tl e n g t h ，t h e f r i c t i o n ，e t c o ns e l f - c e n t e r i n gm o t i o n o fs t r i pw a sa l s oi n v e s t i g a t e do nt h e e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r i pg r a d u a l l ym o v e dt ot h ec e n t e r o ft h er o l lw i t ht h er o t a t i o no ft h er o l l ，a n dt h a tt h es e l f - c e n t e r i n gm o t i o np e r f o r m a n c e i sb e t t e rf o rl a r g e rt a p e r e dr o l lc r o w n ，s h o r t e rf l a tp a r tl e n g t ha n dl a r g e rt e n s i l es t r e s s o ft h es t r i p h o w e v e rt h ee f f e c to ft h ef r i c a t i o ni sn o ta sp r o n o u n c e da st h eo t h e r f a c t o r s f o rt h es i n u sr o l l ，t h es e l f - c e n t e r i n gm o t i o np e r f o r m a n c ei sn o ta sb e t t e ra st h e t a p e r e dr o l la n dd o u b l et a p e r e dr o l l a tt h eb e g i n n i n go ft h er o t a t i o n ，w i t ht h es t r i p r u n n i n g ，t h es i n u sr o l lh a si t sa d v a n t a g e s b a s e do nt h ee x p e r i m e n to ft h es e l f - c e n t e r i n gm o t i o n ，i tw a sf o u n dt h a tt h e c o n t a c tl e n g t hb e t w e e nt h er o l la n dt h es t r i ph a dt h ed o m i n a n te f f e c to nt h e w s e l f - c e n t e r i n gm o t i o no f t h es t r i p d u et ot h ed e f i c i e n c yo f t h et e s tm e t h o d ，t h ec o n h a c t l e n g t hb e t w e e nt h er o l la n dt h es t r i pw a si n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l y t h er e s u j t ss h o w t h a tt h ec o n t a c tl i n ei sac u r v en o ta s t r a i g h tl i n e ，a n dt h em i n i m u mv a l u ei so nt h et o p o ft h er o l l f r o mt h et e n s i l es t r e s si nt h ep r o d u c t i o n ，w ek n o wt h a tt h er o l la n dt h e s t r i pd on o tc o n t a c t e dc o m p l e t e l y t h ec o n t a c tl e n g t hb e t w e e nt h er o l la n dt h es t r i p i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i a m e t e ro ft h er 0 1 1 d e c r e a s eo ft h et a p e r e dr o l l c r o w n ，d e c r e a s eo ft h es t r i pt h i c k n e s s ，d e c r e a s eo ft h es t r i py i e l ds t r e s s d e c r e a s eo f t h es t r i py o u n g m o d u l u s ，a n di n c r e a s eo f t h et e n s i l es t r e s s 脚o r d s ：c o n t i n u o u sa n n e a l i n g ；s t r i p r u n n i n g ；m i s g u i d i n g ；w r i n k l i n g ；f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ( f e m ) v i ：海：蠢山钢铁( 集团) 公司1 ：海，爻通大学博士厉研究工作报告 1 1 连续退火简介 第一章绪论 将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得接近平 衡状态组织结构的热处理工艺称为退火。经过冷轧变形后的金属，由于冷轧变形 内部存在大量位错和轧制残余应力，不适合冲压等成形加工，为改善钢板内部组 织，将带钢加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀 的晶粒，以消除残余应力的退火工艺叫做结晶退火。冷轧低碳钢板的连续退火就 属于再结晶退火范畴【1 1 。 在传统的冷轧带钢生产中，常用的退火手段是罩式退火。罩式退火是成卷堆 垛分批退火，在临界温度以下( 6 0 0 6 5 0 ) 长时间加热与均热，使带钢充分再 结晶和晶粒长大，然后缓慢冷却，使固溶元素碳和氮从铁素体中充分析出，以获 得有利的结构和碳化物颗粒、形状，通过罩式退火，产品可获得优良的延展性能 和深冲性能以及较好的抗时效性能【l j o 由于罩式退火受本身工艺特点的限制，退火工艺欠缺灵活性，尤其不适于用 来进行硬质钢板的生产。随着退火工艺的发展，出现了连续退火工艺。由于连续 退火采用了快速加热、均热、快速冷却、再加热、过时效处理等技术，使得带钢 退火工艺曲线的变化非常灵活，也可以根据不同钢种对热处理工艺的不同要求设 计不同的退火曲线，使连续退火产品的品种多样化成为可能【1 】。 带钢连续退火生产线于1 9 7 2 年问世，它是一个将带钢清洗、退火、平整、 表面自动检测、涂油、重卷或剪切等多个工艺处理过程依序一次完成的生产机组， 能够使带钢获得无粘结、沙粒压入缺陷且表面质量良好的热处理，是带钢退火工 艺发展的方向，如图1 1 所示【2 l 。连续退火工艺与常规工艺相比同等生产能力情 况下，其投资约是常规工艺的3 4 ( 因为其主要设备和辅助设备是合成一体的) ， 占地面积是常规工艺的3 0 4 0 ；由于五道工序形成一条作业线，可大大减少操 作人员，人员约是普通工艺的l 4 ；连续退火生产效率高，可将l o 天的冷轧薄钢 板和带钢生产工艺缩短至l 天，交货迅速。另外，连续退火还有生产备料少，生 产控制简单，能量消耗少，产量高，收得率高等优势1 1 】。但在目前连续退火生产 中存在最突出的矛盾是，由于炉内带钢经常出现瓢曲现象导致带钢纵向起皱甚至 断带，使其难以实现稳定可靠的高速通板生产，严重影响机组的产量、质量和效 上海宝山钢铁( 集团) 公司卜海交通大学博士后研究工作报告 率【l i 。 生产实践中为了节能，预热室使用加热室和均热室燃烧废气的热量，将带钢 预热到1 0 0 2 0 0 c 左右；在加热段，用辐射管烧嘴燃烧煤气或用直火加热工艺把 钢带加热到退火温度；均热段用辐射管烧嘴或通过电加热把带钢保持在退火温度 一定的时间：缓慢冷却段，带钢从均热温度缓慢冷却到快速冷却开始的温度；快 速冷却段，带钢从快速冷却开始时的温度快速冷却到过时效处理温度；带钢在过 时效段进行过时效处理；在最终冷却段，带钢冷却至1 5 0 以下的出炉温度；出 炉水淬冷却段，带钢冷却至平整所需的温度( 主) ， 二，f f二一f f、 ， ) ，r y f f 卜- 呻 移 ，f) f ， j 渺 二，f ) ) ) fj 参 ) 厂件 仓 喜t 。份 图1 - 6 佐佐木徼有限元计算模型u 2 1 f i g i - 6f e m m o d e lo fs a s a k i t 2 l一 实验和模拟发现，尽管辊凸度有纠正跑偏的作用，但它给了带钢不均匀的张 力，在带钢上产生面压缩应力从而导致瓢曲。用锥度辊时，瓢曲最初发生在辊间 部位，用扇形辊时，瓢曲最初发生在材料宽度的中央部位。用平辊时，材料跑偏 拉断后才在斜方向上产生瓢曲现象。并且提出同时防止热瓢曲和跑偏的对策，在 炉辊附近设置辅助压辊，对改善带钢的平坦度有明显的效果。 日本学者的场哲等认为，带钢产生瓢曲的原因是带钢宽度方向的压缩应力造 成的，当这些压缩应力的合力超过一定值时，带钢表面就产生了塑性变形。这些 应力包括：辊子间带钢长度方向张力的不均匀分布导致宽度方向的压缩应力；辊 子凸度半径a 膊致板宽方向张力不均匀，辊子间带钢宽度方向产生压缩应力： 板宽方向的温度偏差7 产生的压缩应力( 温度应力) ；凸度辊旋转产生的宽度方 -一oa譬宣堕口基拿 j ：海：之山钢铁( 集) 公司j ：渤交通大学博_ 上后研究上作报告 向的压缩力( “向心力”) 为了研究辊 度和张力对带钢瓢曲的影响，的场哲等也 在冷态下用铝箔进行了辊凸度与瓢曲极限张力关系的研究，其实验装置如图卜7 示，为实际大生产尺寸的1 1 0 。评价用辊为凸辊，其余辊为平辊。实验表明：带 钢越薄、越宽，就容易发生瓢曲。瓢曲发生的极限张力与锥度角y 有呈反比的趋 势，但在y - - - - 4 r a d 的情况下，极限张力趋于一饱和值。在实验和理论解析的基础 上，得出了瓢曲发生的极限张力的近似式： 乃等吲高) a 削 其中石：瓢曲发生的极限张力；彪系数；刀：辊子半径；口：两辊间板长； 玩：材料的屈服强度；晟材料的弹性模量；庇板厚；y ：辊子的锥度角；口d 带钢与辊子间的摩擦系数；6 ：带钢宽度；f ：辊子平台区长度。其公式的有效性 已在千叶制铁所的c a l 上得到验证【1 3 】【1 4 】。 图1 - 7 的场哲瓢曲实验装置” f i g 1 - 7s k e t c hm a po f t h et e s ta p p a r a t u so f m a t o b a 1 3 】 纫田良之等认为，瓢曲发生的机理是辊凸度引起带钢宽度方向张力不均匀， 推测瓢曲发生的过程如下：( a ) 带钢宽度方向产生纵弯：( b ) 沿宽度方向以松弛状 态与辊子开始接触；( c ) 松弛部分的带钢与辊子接触部分减少，摩擦力降低，进一 步加剧了带钢的瓢曲。为了验证推测的准确性，他们分别用铝箔和软钢做了常温 和高温实验，实验装置如图1 8 0 5 】。 实验结果表明，凸度辊的凸度增加和张力提高都能产生瓢曲。由于凸度引起 的瓢曲，其程度随凸度的量、形状而变化。凸度小，瓢曲程度也小。由于张力提 高而形成的瓢曲，在同一条件下，瓢曲发生的个数和发生位置不特定，这种瓢曲 大多从炉辊平直部开始形成。平辊和凹辊不发生瓢曲，但梯形辊上会发生瓢曲； 卜海宝山钢铁( 集团) 公司j ：海交通大学博上后研究上作报告 带钢越宽，极限张力越低：同时以软钢箔为实验材进行的热态实验也表明带钢越 薄，极限张力越低【1 5 l 。 开卷机 图l 一8 纫田良之瓢曲实验装置1 钉 f i g 1 - 8s k e t c hm a po f t h et e s ta p p a r a t u s 1 5 】 此外，西方一些学者也进行了一系列研究。l u o 等进行了连退炉内热屈曲的 数值研究 1 6 1 ；f i s h e r 等人研究了由于轧制过程引起的带钢自身振动和平整中出现 的褶皱而导致的屈曲【i7 1 ：m a r c h a n d 贝, l j 研究了轧制后褶皱的出现【1 8 1 。但是这些研 究只限于线性屈曲和初始弹性后屈曲。g u e y d a n 建立了非线性有限元模型来模拟 连退线上屈曲的产生和演化。他观察到引起屈曲的主要原因是辊子的凸度。但他 的模型并没有模拟带钢的运动【1 9 1 。 n j a c q u e s ，a e l i a s 等运用a b a q u s 软件首次对瓢曲的动态过程进行了模 拟。将模拟过程分成两个分析步：第一分析步只在带钢一端施加全局张力；第二 分析步在保持第一步的张力的基础上，在带钢的另一端施加位移，并同时给辊子 施加旋转载荷。其中，第二分析步施加的位移u 与辊子旋转角度口的关系为： 泸础( 1 5 ) 其中：肋辊子的半径 2 0 】。 将带钢的瓢曲分为三个阶段：未屈曲阶段，屈曲阶段和瓢曲阶段。未屈曲和 屈曲阶段发生在第一分析步中，以屈曲临界载荷为分界点，称为未瓢曲段。瓢曲 段发生在第二分析步，与未瓢曲段以瓢曲临界载荷为分界点。 海：蠢山钢铁( 集) 公司一上海交通大学博上后研究上作报告 并首次提出导致瓢曲的塑性累积原理，即带钢运行过程中如果塑性应变达 到一定的程度后，屈曲就会在带钢厚度方向上产生塑性应变梯度，当带钢与炉辊 接触后，厚度方向的应变梯度就会产生残余应力，残余应力会加大辊间带钢屈曲 程度。屈曲程度的增加使得塑性应变变大，最终导致残余应力增大，如此循环， 就出现了带钢的瓢曲，瓢曲程度随着位移的增加而不断加剧。 总体来讲，日本学者之前的一系列研究都认为瓢曲的产生是带钢横向张应力 分布不均以及带钢自纠偏过程中产生的“向心力”引起的。带钢张力的不均匀分 布一方面是辊子的凸度造成的，另一方面受带钢长度方向所施加的张力的影响 此外，带钢的宽度和厚度对瓢曲临界张应力的影响也得到研究。 关于跑偏的研究佐佐木微首先用几何方法推导出了纠偏公式。如图1 - 9 所示， 炉辊凸度的存在使得带钢绕辊子旋转的方向和辊子自身的旋转方向有一个夹角 j b ，带钢会沿着虚线所示方向向辊子中央移动，从而达到自纠偏的作用。当j b = o 时，带钢是不会向辊子中央移动的。用婊示辊子旋转一圈带钢向辊子中央的 移动量。从几何学方面，鲫以近似用下式表示f 1 2 】。 a x = a 2 万月吒= a 2 7 r 刀去e p 矗( 1 - 6 ) h e a r t hr o l l 图卜9 自纠偏模型1 2 1 f i g 1 9s e l fo f f s e tm o d e l 1 2 】 为了确认纠偏公式( 1 - 6 ) 的妥当性，在图1 5 所示的辊子a 和b 之间卷挂上厚 度= l m m ，宽度b = 2 0 0 m m 的带状橡胶，转动辊子，测量材料宽度方向上的移动量， a 辊子可以用各种辊形的辊子代替，b 辊子用平面辊，并最终得到一致的结果。 ：海宝山钢铁( 集闭) 公司i 海交通大学博上后研究工作报告 1 3 影响带钢稳定通板的因素 1 3 1 张力的影响 炉内各段正确的张力是保证带钢高速稳定运行及获得良好的板形的重要条 件，张力过小易引起带钢跑偏，张力过大易引起瓢曲，所以要对各炉室的张力不 断进行优化。机组的张力可以对带钢产生自动的纠偏作用，使其回归中心线。张 力越高，带钢纠正带钢跑偏所需的时间就越短。在低张力的情况下，带钢最终可 能保持和中心线之间有一个较小的稳态误差【2 1 】。 因此，带钢张力的精确控制是防止带铜跑偏和热瓢曲的重要条件，设法减少 张力系统波动，提高张力控制精度，确保各区域张力稳定和匹配，是解决炉内异 常问题的重要途径。张力控制精度越高，波动越小，就越有利于提高通板速度 在1 4 2 0 连退机组，通过在炉子入口前设置2 个张紧辊，并在张紧辊之间设置跳 动辊，使其能自动进行调节，可吸收入口侧与炉内的张力波动，确保炉子炉内张 力恒定。跳动辊的位置由其中的一个张紧辊进行自动位置控制。一般而言，在加 热段和冷却段用张紧辊隔开，利用它来吸收带钢热胀冷缩和带钢在高温及张力作 用下产生的塑性延伸，从而稳定各段的带钢张力。因此在炉内缓冷( s c f ) 段最后 一个行程前，再加热段的出口及二次冷却( 2 c ) 段的入口处，三个位置分别设 置了炉内张紧辊，使炉内张力组成四大区，由于这样的张力分布不能满足工艺的 要求，又分成a d , 区的张力段，这样炉内的三套张紧辊是不能担当此任的，因而 炉内所有的炉辊均参与张力调节，这是炉内张力调节和炉外的不同点，炉外是由 张紧辊进行张力调节的，其他辊子不参与张力调节。张力分出炉后也要设张紧辊。 同时各炉区内部设有八套测张仪，可掌握炉内张力的变化，八小区的张力通过张 力的反馈及时进行张力调节，保证炉内张力稳定【2 2 】【2 3 】。 1 3 2 辊形的影响 初步认为辊形凸度越大，临界载荷越小：根据辊面的不同形状，炉辊可分为： 平辊、凸度辊、锥形辊、双阶梯锥度辊如下l - 1o 所示1 5 】o 这些辊形的炉辊加工难度由易到难，而热态下纠偏能力却是由弱变强。双阶 梯锥度辊的加工最为困难，但其高温状态下的纠偏能力却最吲5 j 。 炉辊的正凸度太大时容易引起热瓢曲，负凸度大时容易引起跑偏。因此只有 j ：海定山钢铁( 集) 公司一j ：海交通大学博上厉研究上作报告 对炉辊辊形进行优化，使其具有适当止 度时才最有利于带钢稳定运行和保证板 形。目前，炉辊的辊形通常有j 种形式：梯形辊、正弦辊和平辊。经国外的试验 可知，梯形辊的瓢曲通常发生在轴肩处，正弦辊通常发生在中心处，平辊甚至也 会发生瓢曲。 平辊 正弦辊，日9 一 图1 - 10 辊形示意图 f i g 1 - l os k e t c hm a po f r o l lp r o f i l e 1 3 3 来料的影响咖硼嘲d 町州 初步认为具有边浪带钢的临界值都大于平板临界值，中浪带钢的临界值都小 于平板临界值。 以下为两种浪形函数： 旷= 霹s 砰( 等) s 舻( 警) 。中浪， 。柳 矿= 孵s 砰( 等 s i n 2 三( - + 考) 。双边8 ， 其中：z 为方板宽度方向，少为长度方向。其中取中浪和双边浪两种典型浪 形下的带钢相对延伸粼。模型取一个正方形方板( 4 0 0 x 4 0 0 r a m ) ，其它主要 参数为：波长z = 4 0 0 m m ，波形长宽比咖= l 。 根据金兹伯格高精度板带材轧制理论与实践中给出的公式，对于正弦波： 丝：f ，幽2 z l2 l ) ( 1 - 9 ) 用上式求得方板纤维条的最大相对延伸为e a = 2 0 i u ( 1 1 u 相当于相对长度差为 l 驴5 ) 【2 5 】时对应的浪高厮。 当来料较窄时，带钢相当于只和炉辊的中问区域接触，也就是说有凸度的炉 辊此时变成了平辊，这将使跑偏量进一步加大；同样，对于较厚的带钢，同样的 张力分配到横截面上的单位张力小，也会将跑偏放大。同样，带钢的弹性模量越 大，带钢越窄，带钢越厚，带钢的临界瓢曲应力就越大，瓢曲的可能性就越小。 f ：海i j 山钢铁( 集 1 1 ) 公司一j ：海交通大学博上后研究上作报告 板形的缺陷对带钢的跑偏也有着明显的影响，其中影响最大的是c 翘。c 翘 的量越大，跑偏的量也越大，并随着机组p a s s 的增多其跑偏量有累加的效应。 同时，如果机组张力越小，c 翘引起跑偏的量也越人。此外，如果带钢断面不均 匀带钢两边厚薄不一，一边厚一边薄时，带钢本身就成镰刀弯状。带有镰刀弯的 带钢上各点，都趋向与辊子中心线成直角，从而引起了带钢跑偏。这种镰刀弯带 钢的跑偏量与镰刀弯的程度、带钢张力的大小和两辊之间的间距大小有关。 1 3 4 横向温度分布的影响3 1 棚柏1 2 1 1 绷 带钢由于在连续退火炉中运行经历预热、直火加热、辐射管加热、保温、喷 射缓冷、喷射快冷、o a 段等由于加热方式及炉体的客观原因，必然出现带钢横 向温度分布不均匀。横向温度分布不均匀会带来两个问题：( 1 ) 首先会产生内部 的热应力，当热应力等效应力大于材料的塑性变形应力时，就会出现热瓢曲；( 2 ) 其次由于温度分布的不均匀性带钢纵向纤维条膨胀不均匀，会产生板型问题，主 要是中浪及边浪。 温度分布不均造成的温差将对带钢的张力分布产生很大的影响，从而影响屈 曲失稳变形的过程和形式，因此目前处理方式为：板形产生的实质是带钢横向各 点在纵向上的不均匀延伸。而对于温差对张力分布的影响，在忽略由温度产生的 热应变后，对带钢影响主要是使其产生纵向上的不均匀的弹性应变。因此可以考 虑用横向温差分布替代浪形对张力的影响。但是对于温差对于材料物性参数的影 响，并因此产生的对带钢瓢曲的影响，并没有相关的研究，主要原因是有限元商 业软件的加载问题。 目前关于带钢横向温度分布由于受操作条件以及不同工况和带钢不同的运 行阶段的影响，带钢横向温度分布不同。以加热炉为例对炉辊所处的温度场进行 了分析，炉辊主要承受五个方面的影响：1 ) 为带钢和炉辊接触进行热传导，2 ) 为炉壁对炉辊的热辐射，3 ) 为辐射管产生的热辐射，4 ) 为带钢对炉辊的热辐射， 5 ) 为周边气体和炉辊的对流，6 ) 为炉辊的轴向热传导。 在加热段由于带钢的温度比炉膛气氛的低，所以炉辊上与带钢接触部分的温 度低于与带钢不接触的部分，而在冷却段情况正好相反。因此，在加热段，炉辊 的最终凸度为其原始设计凸度和在炉内产生的热凸度的叠加，最终效果将使其凸 度减小，从而易于产生跑偏。而在冷却段最终凸度经叠加后加大，这增加了带钢 瓢曲的风险。 i ：海k 山钢铁( 集闭) 公司一i ：海交通大学博上厉研究工作报告 由于以上热源造成炉辊表面的受热不均，从而使炉辊的原始凸度发生改变， 由其在加热段带钢和炉辊的温差较人，如不采取措施将使带钢发生跑偏。因此， 在1 4 2 0 等连退机组中采用了在h f 炉的炉顶辊下方和炉底辊上方加隔热板形成 炉辊室的方式来减少热辐射和对流对炉辊凸度的影响，并通过在炉辊室内增设喷