全硬薄宽镀锌带钢的拉伸弯曲矫直工艺

第42卷　第6期　2007年6月
钢铁
Iron and Steel
　Vol.42,No.6
J une 2007
全硬薄宽镀锌带钢的拉伸弯曲矫直工艺
张清东1,　常铁柱1,　黄　河1,　姜正连2,　吴　彬2
(1.北京科技大学机械工程学院,北京100083;　2.宝钢股份公司冷轧厂,上海200941)
摘　要:建筑用全硬彩涂薄宽钢板是一种具有高附加值和高技术含量的高等级冷轧板带产品,但其在热镀锌工序中的板形控制是一个生产技术难题。

通过对全硬钢的力学性能的测定和拉矫变形行为的有限元仿真,发现屈服应力大、屈强比高以及断裂时塑性延伸小等特性是造成镀锌后全硬带钢拉矫困难和板形难以控制的根本原因。

基于仿真分析和现场调试,提出了针对全硬钢生产的包括拉矫参数设定的全套工艺对策,取得了良好的效果,可以稳定生产多种宽度和厚度规格的全硬彩涂钢板。

关键词:全硬钢;拉伸弯曲矫直机;带钢;有限元;热镀锌
中图分类号:T G334.9 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2007)0620047204
T ension Leveling for Wide and Thin
G alvanized Full H ard Steel Strip
ZHAN G Qing 2do ng 1,　C HAN G Tie 2zhu 1,　HUAN G He 1,　J IAN G Zheng 2lian 2,　WU Bin 2
(1.School of Mechanical Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China ;
2.Cold Rolling Department ,Baoshan Iron and Steel Co.,Ltd.,Shanghai 200941,China )
Abstract :As a product with high added value ,the full hard (F H )strip is mainly used for building and its shape con 2trol is a difficult problem in hot 2dip galvanizing.By mechanical test of the steel strip and simulation of strip deforma 2tion in tension leveling using finite element method ,characteristic features of the strip were obtained ,such as ;high yield stress ,high yield ratio and low plastic elongation as the basic reason of difficulty in tension leveling and shape control.Based on simulation results and debugging of process parameters on site ,f ull set of technical measures in 2cluding optimum tension leveling parameters for F H product were put forward ,and good effect of strip shape control was obtained.Varieties of color coated hard f ull strip are steady produced.K ey w ords :full hard steel ;tension leveler ;steel strip ;FEM ;hot 2dip galvanizing
作者简介:张清东(19652),男,博士,研究员; E 2m ail :zhang_qd @ ; 修订日期:2006209230
结合国内外热镀锌技术自行设计建造的具有国
内先进水平的热镀锌生产线,在全硬钢的生产中遇到了拉矫困难和板形不良等生产及质量问题,严重制约了此种产品的正常生产。

然而,全硬钢是目前具有较大市场需求和较高附加值的高档次的冷轧产品,因此,针对存在的问题深入研究全硬钢的拉矫变形过程,运用MA RC 有限元仿真手段,比较研究多种不同材料,总结出全硬钢拉矫过程中的特点及难点,从而建立适合全硬钢材料特性的拉矫工艺。

1　全硬钢力学性能的实验测定
拉伸实验是评价板材基本力学性能的主要实验方法,这里采用100kN 的CM T 门式微机控制电子万能(拉力)试验机分别对退火后的普通冷轧板、DI 材(多用于制罐)和全硬钢板进行拉伸实验。

由此得到3种材料对应的力学性能参数,如表1和图1所
示。

从拉伸实验结果来看,全硬钢具有如下3方面的材料力学特性:屈服应力大,屈强比高,达0.93;断裂伸长率小,破坏时塑性伸长率只有5%。

相反,DI 材则屈服应力小、屈强比低、断裂伸长率大,具有明显的“软质易延伸”特性。

因此,全硬钢的这种力学性能必然导致其拉伸弯曲矫直过程中出现可设定的伸长率范围小、插入量以及工艺张力等工艺参数难于把握等诸多问题,工艺参数设定不合理时甚至出现断带现象。

这样,深入对全硬钢拉矫过程中特殊的变形特点和有针对性的工艺参数优化的研究,最终达到改善板形[1]的目的就显得尤为重要。

2　拉矫过程的有限元仿真
考虑到全硬钢特殊的材料性能,借助有限元仿真手段[2,3],可以获得不同材质带钢关于插入深度、张应力、伸长率3者之间耦合关系[4]在拉矫过程中
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(a )普料;　(b )DI 材;　(c )全硬钢
图1　应力2应变曲线
Fig.1　Stress 2strain curve
表1　材料力学性能参数
T able 1　Mechanical properties for 3kinds of sted strips
材料退火温度/℃
屈服极限/MPa
强度极限/MPa
弹性模量/GPa
泊松比
破坏时塑性应变/%
普料
7103253852000.2820.85
DI 材
7102012951980.3522.18全硬钢
550
550
590
208
0.20
5.00
图2　有限元拉矫模型
Fig.2　Model FEM tension leveling
的区别,从而找到适合全硬钢的拉矫工艺对策。

2.1　建模该热镀锌机组的拉矫机主要由矫直单元部分(即“两弯两矫”
)和张力辊组及其传动部分组成。

考虑到本文研究的重点在于仿真带钢的拉弯塑性变形,因此,张力辊及其传动部分以位移和张力载荷给定边界约束,带钢模型全长5500mm ,如图2所示。

单元选用75号厚板单元,厚度方向分5层以便于对拉矫过程中上下表层以及中间层的伸长率分布进行分析。

载荷增量控制选用固定时间步长增量法。

2.2　计算工况根据机组现场参数实际设定情况,有限元模型比较了各弯曲、矫直辊组不同插入量组合下3种材质对应的工况,如表2所示。

表2　不同因素组合下的工况表
T able 2　T able of different operation modes 项目数据
带厚/mm 0.3
材质普料,DI 材,全硬钢
插入量/mm 0.5～15.0入口张应力/MPa
80,90,100,110,120
2.3　仿真结果与分析
C308拉矫机中2个弯曲辊组(1号和2号)和2
个矫直辊组(C 号和L 号)对应的插入量都可以单独设定,在仿真中固定其中3个插入量设定值,改变另一辊组插入深度,可以分别研究不同材质对应的4个辊组插入量对拉矫过程的影响;而固定各辊组插入量,改变拉矫入口工艺张力大小同样可以获得不同材质下拉矫工艺张力与带钢伸长率的关系。

2.3.1　插入量与总伸长率的关系
从图3(a )可以看出,3种材质带钢的拉矫变形规律明显不同。

首先,在同样插入量、张应力条件下,3种材料伸长率的大小是不同的,其中全硬钢最小,DI 材最大。

随着弯曲辊组插入量不断增大,带钢拉矫过程中所产生的伸长率也随之增大(2号辊组插入量对伸长率的影响规律和1号辊组近似)。

但3种材质中,全硬钢所产生的伸长率变化幅度最小,几乎没有明显变化,而DI 材所产生的伸长率变化最显著。

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第6期张清东等:
全硬薄宽镀锌带钢的拉伸弯曲矫直工艺
图3　1号辊组插入量与伸长率和等效抗拉刚度的关系
Fig.3　R elationship betw een No.1roller intermesh and elongation ,equivalent extensional
rigidity
图4　工艺张应力与伸长率和等效抗拉刚度的关系
Fig.4　R elationship betw een tensile stress and elongation ,equivalent extensional rigidity
2.3.2　插入量与等效抗拉刚度的关系
本文定义弯曲辊组实现伸长率与其工作张应力水平的比值为带钢经过此弯曲辊组时的等效抗拉刚度。

带钢在拉弯矫直过程中,正是由于其等效抗拉刚度在经过各个弯曲辊过程中不断被降低,从而实现低张力状态下矫直板形的情形。

因此,带钢等效抗拉刚度的大小和下降斜率可以在一定程度上反映对应拉矫参数下各种材质带钢的难易拉伸状态。

如图3(b )所示,在相同的拉矫工艺参数条件下,3种材料中全硬钢抗拉刚度最大,DI 材最小;随着辊组插入深度的增大,带钢的抗拉刚度都有减小的趋势,当插入量大于8mm 时,全硬钢减小趋势开始变得激烈(2号辊组插入量对等效抗拉刚度的影响规律和1号辊组近似)。

从板形矫直的角度看,全硬钢拉矫插入量设定值应大于8mm ,但考虑到其屈强比高的特点,插入量也不宜过大,避免出现拉断现象。

从有限元仿真的结果来看,当带钢插入量大于15mm 后,带钢上下表层单元出现断裂现象就说明了全硬钢的这一材料特性。

2.3.3　工艺张力与总伸长率的关系
如图4(a )所示,3种材质带钢在拉矫过程中随着张应力的增加所产生的伸长率也随之增大,而且DI 材伸长率对张应力变化的敏感性最大,全硬钢则
变化最小。

2.3.4　工艺张力与抗拉刚度的关系
从图4(b )3种材质带钢的拉矫入口工艺张应力与等效抗拉刚度的关系可以看出,在不同工艺张力下,全硬钢抗拉刚度远大于其它材质带钢,这也说明了为什么全硬钢低张力和小的插入量情况下得不到塑性延伸。

2.3.5　带钢材质对拉矫过程的影响
通过上述有限元仿真分析可以看出:带钢材质对拉矫过程的影响很大:①材料屈服极限越高的带钢其等效抗拉刚度也越大,这样带钢产生塑性延伸需要更大的插入量和拉矫张力;②屈强比高和破坏时塑性伸长率小,这样在很大程度上减小了插入量和拉矫张力调控范围,影响了拉矫机板形矫直能力的发挥。

拉伸弯曲矫直过程是带钢在拉应力与弯曲应力的共同作用下,带钢中心层应力超过屈服极限,进入塑性变形状态,使带材产生塑性延伸[5]。

在全硬钢允许的塑性延伸范围内,通过有限元仿真带钢厚度
方向的塑性延伸情况(图5)来看,这种材料特性对拉矫机插入量和工艺张力大小的限制只能使带钢厚度方向上靠近上下表面的部分产生塑性延伸,而带钢厚度方向上的中部区域只能产生弹性变形,使得
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图5　弯曲辊插入量对厚度方向伸长率的影响Fig.5　E ffect of bending roller intermesh on elongation in thickness direction
带钢不能产生真正意义上的塑性延伸。

3　全硬钢板形矫直工艺对策
基于上述全硬钢本身特殊的材料力学性能和拉矫机工作原理,在其允许的塑性延伸范围内应合理地设定拉矫工艺张力和插入量,设定的工艺张力和插入量过大容易导致带钢上下表层“断裂”,而设定值偏小又无法获得板形改善效果。

(1)据有限元仿真和现场调试,弯曲辊插入量在8～10mm,工艺张力70～90kN,板形矫正效果较好。

(2)合理的拉矫工艺参数设定还必须结合相应优良的平整机板形控制性能(如采用VCR技术)。

采取新的工艺后,从机组出口和下游彩涂机组反馈的板形质量信息,因板形质量导致的漏涂现象得到有效控制,达到了研究的预期目标,使得该厂全硬彩涂钢板的规格向更薄更宽拓展。

4　结语
通过与普通冷轧料、DI材对应的力学性能实验测定比较,获得了对全硬钢产品“高强难延伸”特性的认识。

进一步通过有限元仿真手段,获得了不同材质下插入深度、张应力、伸长率三者之间耦合关系。

通过比较分析全硬钢拉矫变形规律,提出了适合全硬钢材料特性的拉矫工艺对策,取得了良好的板形控制效果,使此机组拓展生产的更薄更宽规格全硬彩涂板产品同样板形质量良好。

参考文献:
[1]　Sheppard T.On t he St rip2to2Roll Conformity in t he Tension2
leveling Process[J].Sheet Metal Industry,1979,12:11492 1154.
[2]　刘天浩,张清东,朱简如.宽带钢拉伸弯曲矫直变形过程的有
限元仿真[A].2005中国钢铁年会论文集[C].北京:冶金工业出版社,2005.5502552.
[3]　Morris J W,Hardy S J,Lees A W,et al.Formation of Resi2
dual Stresses Owing to Tension Leveling of Cold Rolled Strip [J].Ironmaking and steelmaking,2001,28(1):44252.
[4]　Hoon Huh,Hyoung Wook Lee,Sang Rae Park,et al.The
Paramet ric Process Design of Tension Leveling wit h An Elas2 to2plastic Finite Element Met hod[J].Journal of Material Pro2 cessing Technology,2001,113:7142719.
[5]　肖　林.金属带材连续拉伸弯曲矫直变形机理研究[D].北京:
北京科技大学,1999.
宝钢与邯钢合资的邯钢新区项目全面启动
邯钢新区核心工程———2250热连轧工程于2007年5月31日上午开工奠基,标志着由宝钢和邯钢合资的邯钢新区项目全面启动。

该工程的开工建设将对优化河北钢铁产业结构,加快发展我国国内紧缺的高端板带材和高效钢材产生积极而深远的影响。

河北省委书记、省人大常委会主任白克明,河北省常务副省长付志方,宝钢集团公司副总经理赵昆,邯钢集团公司董事长刘如军、总经理李连平等出席开工典礼。

邯钢新区是《邯钢结构优化产业升级总体规划》项目的简称,2005年12月31日由国家发改委正式批复,2006年4月18日开工奠基。

2007年5月10日,宝钢和邯钢共同出资成立邯宝公司,携手建设发展邯钢新区。

邯钢2250热连轧工程是邯钢新区一期工程的核心项目,总投资39亿元,占邯钢新区项目总投资的20%。

该工程设计年产量450万t,产品规格为厚1.2～25.4mm、宽800～2150mm。

除生产汽车用钢、船体用结构钢、高耐候性结构钢等主导产品外,还可生产热轧双相钢、多相钢、相变诱导塑性钢、高强度管线钢等高附加值产品,充分体现“三高一薄”,即高强度、高精度、高表面质量和薄规格的特点。

与国内同类型机组相比,邯钢2250热连轧机组在粗轧和精轧区域均采用了先进的调整系统和高效的工艺模型,可实现柔性轧制;加热炉采用国际先进的带有模糊逻辑控制的全数字化燃烧技术和宽火焰可调焰烧嘴技术,加热质量高、能耗低、烧损少;层流冷却系统设计预留强制冷却功能,可在冶炼过程不添加微合金元素的情况下,提高产品强度,降低生产成本。

据悉,邯钢新区2250热连轧工程计划工期12个月,将于2008年6月建成投产。

(明理)
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