冷轧带钢平整时横折印缺陷的产生机理及消除措施

第43卷　第1期　2008年1月
钢铁
Iron and Steel
　Vol.43,No.1
J anuary 2008
冷轧带钢平整时横折印缺陷的产生机理及消除措施
马庆龙1,　杨利坡1,　彭　艳1,　刘宏民1,　吴　斌2
(1.燕山大学轧制设备及成套技术教育部工程研究中心,河北秦皇岛066004;
2.凌源钢铁股份有限责任公司中宽冷带厂,辽宁凌源122500)
摘　要:冷轧退火后的带钢在平整过程中产生横折印缺陷,严重影响平整后带钢的表面质量及其力学性能。

通过分析带钢经过张力辊(S 辊)时的受力过程,研究横折印缺陷的产生机理和影响因素,认为退火后的屈服平台和平整机入口前的带钢表面拉应力过大是带钢表面产生横折印缺陷的根本原因。

制定合理的伸长率和张力制度,严格来料质量要求,可以避免横折印缺陷的产生,提高平整带钢的表面质量。

关键词:冷轧带钢;平整;横折印缺陷;张力;伸长率
中图分类号:T G335.12 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2008)0120045205
Form ation Mechanism and E limination of Cross
B reaks of Cold Rolled Strip During T emper R olling
MA Qing 2long 1,　YAN G Li 2po 1,　PEN G Yan 1,　L IU Hong 2min 1,　WU Bin 2
(cation Ministry Engineering Research Center of Rolling Equipment and Complete Technology ,Yanshan University ,Qinhuangdao 066004,Hebei ,China ;　2.Cold Strip Factory ,Lingyuan Iron
and Steel Group Co.,Ltd.,Lingyuan 122500,Liaoning ,China )
Abstract :Cross breaks are formed on the surface of cold rolled and tempered strip during temper rolling ,which in 2fluence the surface quality and mechanical characteristics of the temper rolled strip.By analyzing the loading of strip at S rolls and formation mechanism and influencing factors of cross breaks ,it was concluded that the main cause of cross breaks is the yield point elongation and the high tensile stress at the entrance of temper rolling mill.It is neces 2sary to establish rational elongation and tension ,control the quality of coming strip strictly ,to avoid cross breaks ,improve the surface quality of strip.
K ey w ords :cold strip ;temper rolling ;cross breaks ;tension ;elongation
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675186);河北省重大自然科学基金资助项目(E2006001038)作者简介:马庆龙(19772),男,博士生; E 2m ail :jyqlma @ ; 修订日期:2007205214
燕山大学为凌源钢铁股份有限责任公司中宽冷
带厂研制了900mm 平整机组。

在调试过程中发现,带钢在通过入口S 辊后有时会出现表面横折印缺陷,也有在开卷过程中形成,缺陷严重时平整后不能完全消除,平整厚料时尤为严重,这在很大程度上影响了带钢的产品质量。

针对板材的横折印缺陷,国内外相关报道主要集中在热轧带钢[1～4],文献[5]对冷轧带钢平整过程中产生横折印缺陷的情况进行了研究,并从设备角度入手进行了改进。

本文对冷轧带钢在平整过程中出现的横折印缺陷进行了比较深入的研究,指出造成横折印缺陷的根本原因是退火后带钢存在屈服平台和带钢通过S 辊时表面拉应力过大。

通过合理确定平整工艺参数,并对来料质量提出要求,有效地避免了横折印缺陷的产生,大幅度地提高了平整带钢的成材率及表面质量。

1　横折印缺陷的产生机理
冷轧退火带钢在平整过程中,其表面横折印的纹理方向基本上与带钢运行方向成90°,出现的宽度范围大小不一,有时横折印贯穿整个板宽,有时出现在一定范围内,如图1所示。

平整时带钢横折印不但肉眼可见,甚至用手触摸都可以感觉到这种带钢缺陷。

1.1　带钢经过S 辊时的受力分析
针对带钢在通过S 辊后出现横折印的情况,对带钢通过S 辊的过程进行受力分析。

带钢在通过S 辊的过程中受到拉伸和弯曲两种变形的综合作用,其中拉伸是带钢受沿轧制方向的张力作用产生的变形,弯曲是带钢通过S 辊过程中由直变弯的变形,如图2所示,T R 、T C 分别为S 辊入口和出口处张力。

带钢通过S 辊时因缠绕在S 辊上而产生弯曲变形,
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卷
图1　横折印的表现形式
Fig.1　C ross breaks
弯曲时带钢外表面产生拉应力,内表面产生压应力,
在带钢内外表面处应力达到最大,如图3所示。

图2　带钢经过S 辊时受力示意图
Fig.2　Sketch of loading of strip on S
rolls
图3　带钢弯曲应力分布图
Fig.3　Sketch of bending stress distribution in strip
在纯弯曲情况下中性层处于带钢厚度的中心。

带钢经过S 辊时,认为仅发生了弹性变形,因此带钢表面产生的弯曲应力σw 为:
σw =
Eh
2R
(1)式中,E 为带钢弹性模量;h 为带钢厚度;R 为S 辊半径。

带钢经过S 辊时,除了产生弯曲变形外,还会因为张力作用而产生拉伸变形,则拉伸应力或张应力σT 可表示为:
σT =
T
B h
(2)
式中,T 为张力;B 为板宽。

假设带钢与S 辊辊面连续接触,在包绕入口张
力辊的带钢上任意取一包角为d
θ的微段进行分析,如图4所示。

这一微段带钢对S 辊辊面的正压力为d N ,则摩擦力为f d N ,其中f 为S 辊辊面与带钢之
间的静摩擦因数。

忽略带钢运行时所受的离心力,根据图4所示,可得这一微段带钢的力平衡关系:
f d N +T cos (d θ/2)-(T +d T )cos (d θ/2)=0d N +T sin (d θ/2)-(T +d T )sin (d θ/2)=0
(3)
式中,T 为微段带钢的张力。

由以上方程可得:
d T/f =T d
θ(4) 将上式对整个包绕弧段积分后可得:
T 1/T 0=e
f
θ(5)
式中,T 0、T 1分别为带钢的初始张力与离开入口S
辊后的张力;
θ为带钢在S 辊辊面上的实际包角。

图4　微段带钢的受力分析
Fig.4　Loading analysis of micro 2segment strip
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第1期马庆龙等:冷轧带钢平整时横折印缺陷的产生机理及消除措施
由式(5)可知,带钢在通过入口S 辊的过程中张力是随着包角的增大而增加的,张力在S 辊出口处达到最大,同时带钢在此处产生弯曲变形,带钢在拉伸和弯曲的共同作用下产生变形,此处为带钢的危险截面。

带钢在S 辊出口处的应力状态如图(5)所示。

弯曲应力和张应力叠加,将致使中性层下移,带钢上表面拉应力σ达到最大,此时σ=σw +σT。

图5　弯曲应力与张应力叠加原理图
Fig.5　Schem atic of bending and tensile stress addition
1.2　横折印缺陷的产生机理
根据式(5)和图5可知,在入口S 辊出口处,带钢表面拉应力达到最大。

当平整机入口前张力过大,使带钢表面应力σ达到材料的屈服强度σs ,即有式(6)成立时,带钢表面屈服,发生塑性变形。

σw +σT =σs
(6) 晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。

退火带钢存在明显的屈服平台,并存在明显的上、下屈服点。

出现上、下屈服点的原因主要是柯氏气团阻止了位错的运动。

变形时必须将应力增大到某一定值后,才能使位错摆脱气团,开始滑移运动,此时在拉伸曲线上出现明显的上屈服点。

当位错一旦摆脱气团的束缚,应力不增加也能继续运动,因而在曲线上存在下屈服点。

在这种情况下,滑移启动的抗力较大(上屈服点),而滑移进行的抗力则较小(下屈服点)。

因此,一旦滑移开动起来,它就可以在较低应力下进行。

这时,变形一旦在某一局部区域开始发生,这里就表现出软化的效果,变形就因而在这里集中并可以进行到一定程度。

也就是说,由于屈服平台的存在,带钢的塑性变形会集中在某一区域进行,从而形成条带状的形变区,这就是横折印的产生机理。

退火后带钢存在屈服平台,在入口S 辊上若外表面拉应力超过屈服强度,则会产生横折印。

若平整时的伸长率较小,不能完全消除屈服平台,则平整后的带钢在出口S 辊上也可能再产生横折印。

平整
时的伸长率较小,对消除入口前形成的横折印也是
不利的,使横折印在一定程度上保留下来。

2　横折印缺陷的主要影响因素
2.1　板形
以上分析是建立在板形良好的基础之上的。

如果带钢板形不好,则会因为带钢内部残余应力的不均匀分布导致横折印缺陷加剧。

下面以典型的双边浪为例进行说明,如图6所示。

由于有残余应力σr 的存在,导致带钢内部张应力σT 沿横向分布不均匀,中间张应力大,两边张应力小,在这种情况下中间较边部更容易出现横折印缺陷。

同理,单边浪或中浪等都会导致带钢在一定范围内出现横折印缺陷。

因此,为了降低或者消除横折印缺陷,保持来料
板形良好也是一个重要条件。

图6　双边浪缺陷带钢内部应力横向分布
Fig.6　T ransverse distribution of residue stress
in double edge w ave strip
2.2　来料粘连
若退火工艺温度制度不合理,易造成钢卷粘连。

现场观察发现,存在极其严重横折印缺陷的带钢,往往来料都存在较严重的粘连问题。

在带钢开卷过程中,由于带钢之间的相互粘连,使带钢产生折弯,在带钢表面形成严重的横折印缺陷,成为废品。

此种情况下横折印只出现在粘连部位,大部分集中在边部,粘连严重时还会有带钢撕裂的情况发生,因故障被迫停机,影响生产率。

因此,首先需要改善退火工艺制度,保证来料没有粘结现象,能够正常开卷。

这样不但改善了带钢表面质量,也能够使平整机在高速状态下平稳运行,从而大大提高生产率。

2.3　来料温度
当带钢来料温度过高时,带钢内部的金属分子比较活跃,带钢受到拉力时很容易从弹性变形区跳跃到塑性变形区,在带钢表面产生滑移线,产生横折缺陷。

实践表明,在平整前钢卷温度>45℃时,带
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钢表面易产生少量的轻微横折印缺陷。

因此,应严格控制平整来料钢卷的温度,控制在45℃以下为最好。

当来料钢卷温度较高时,可通过风冷或空冷将钢卷温度降下来,再进行开卷,以避免温度较高引起横折印缺陷。

2.4　材料性能
材料性能对横折印缺陷的影响主要是通过影响带钢屈服强度σs的变化来实现的。

首先,从式(6)可看出,屈服强度的大小直接决定了带钢是否产生横折印的极限条件。

对于屈服强度较低的材料(如Q235、08A1等低碳钢),由于塑性变形区范围较大,残余应力变化导致的不均匀塑性变形更容易表现出来,从而更易产生横折印缺陷。

其次,
退火后钢卷在冷却过程中,沿钢板宽向冷却是不均匀的。

如果冷却不均过于严重,引起带钢板宽方向上的材料屈服强度有较大差异,可对横折印的形态和分布产生影响。

因此,生产过程中,对于屈服强度较低的带钢进行平整时,在不影响板形的前提下,可以略降低总张力值,避免由于屈服强度较低引起的横折印缺陷。

另外,还要要求平整来料材质均匀,避免带钢各部位的屈服强度不一致。

3　横折印缺陷的解决措施
在凌钢900mm平整机组上进行相应的工业试验。

现以较软材质195LD的带钢为例,其中S辊半径为305mm,屈服强度为290M Pa,弹性模量为200GPa。

3.1　调整张力
在不影响板形和伸长率的前提下,适当减小平整机入口处张力值,减小带钢表面的拉应力,可以避免或减轻横折印缺陷。

因宽度对横折印缺陷的影响不明显,因此可忽略,仅考虑厚度的影响。

根据式(6)可得带钢产生横折印时的极限张应力与厚度的对应关系,如图7所示。

由图7可见,当带钢厚度为0.8mm左右时,极限张应力约为30M Pa。

当带钢厚度小于0.7mm 时,极限张应力在60M Pa以上。

当带钢厚度达到0.88mm时,带钢在张应力为0的情况下即出现横折印缺陷,但实际情况并非如此,因为在零张力的情况下带钢不会在S辊上弯曲,也就形不成横折印缺陷。

以上计算为平整机入口侧的张力设定提供了参考,以此为基础,并考虑轧制过程的稳定性,保证正常生产,制定平整张应力设定值如表1。

图7　极限张应力与厚度关系
Fig.7　R elation of limited tensile stress and thickness
表1　平整张应力设定值
T able1　Set value of tensile stress during temper rolling 厚度/
mm
开卷张应
力/MPa
入口张应
力/MPa
出口张应
力/MPa
卷取张应
力/MPa 1.0～1.220284030
0.8～1.022304232
0.6～0.825324435
0.4～0.627364837
0.2～0.430405040
3.2　调整伸长率
根据以上分析可知,产生横折印缺陷主要是由于退火料存在屈服平台和平整时没有完全消除该屈服平台。

因此可以通过适当增大伸长率,使带钢可动位错密度增加,从而消除屈服平台,抑制滑移线的形成。

另外,增大伸长率可以消除轻微的横折印缺陷,改善带钢表面光洁度。

由于伸长率是平整机最重要的控制指标,因此对伸长率进行了一定的调整和控制,做了如下的工业试验。

(1)不同伸长率对横折印缺陷改善情况的工业试验
为了更加形象地描述横折印缺陷的严重程度,定义横折缺陷级别如下:0级,肉眼不可见,无手感; 1级,肉眼可见,无手感;2级,肉眼可见,有手感。

针对在现有张力情况下厚带仍然产生横折印的情况,对不同伸长率对带钢表面产生横折印的消除效果进行了工业试验。

轧制速度为100m/min,干平整。

观察厚度为0.8、0.9、1.0、1.1和1.2mm5种规格的带钢各50卷,来料温度控制在45℃以下,保证板形良好,无粘结。

通过改变轧制压力来调整伸长率,观察横折印缺陷的消除情况。

试验结果见表2。

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第1期马庆龙等:冷轧带钢平整时横折印缺陷的产生机理及消除措施
表2　不同伸长率对横折缺陷改善情况的试验结果
T able2　R esults of test to eliminate cross breaks
under different elongation
带钢厚度/mm
伸长率/%
0.40.50.60.70.80.9 1.0 1.1
0.810000000
0.911100000
1.011111000
1.111111100
1.221111110
由表2可知,当伸长率达到1.0%左右时可基本消除带钢表面的横折缺陷。

(2)伸长率的设定
伸长率设定正确与否关系到成品带钢的表面质量和各项性能。

理想的伸长率应使带钢的屈服点达到最低值,并无明显的屈服点。

伸长率还取决于带钢所要求的表面粗糙度。

确定伸长率要考虑的因素很多,一般只有定性分析而无定量计算,结合生产实际制定伸长率参考值如表3所示。

经过平整工艺参数的调整,带钢的横折印缺陷由原来的15%以上降低到1%以下,提高了产品成材率。

表3　平整伸长率参数表(参考)
T able3　E longation during temper rolling(for referrence)
厚度/mm0.20.30.40.50.60.70.80.9 1.0 1.1 1.2伸长率/%0.50.50.50.60.70.750.80.9 1.0 1.05 1.1
4　结论
(1)平整过程中横折缺陷产生的原因是由于退火带钢存在明显的屈服平台,当带钢拉应力超过了带钢的屈服强度时,塑性变形会集中在某一区域进行,从而形成横折印。

(2)来料的板形缺陷、粘连缺陷、温度和材料性能对横折缺陷的产生有很大影响,严格来料质量要求可在一定程度上避免横折印的产生。

(3)增加伸长率和降低张应力可消除或减轻横折印缺陷,通过制定合理的伸长率和张力制度,可避免横折印缺陷的产生。

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