带钢在连续退火过程中的板形屈曲变形原因分析

【摘要】 现场跟踪发现 , 带钢经过连续退火炉的板形变化复杂多样 , 而且其程度不亚 于轧制过程 。为此运用带钢的板形屈曲及后屈曲理论 , 分析了退火炉内高温态下带钢的板形 屈曲临界条件 , 结合板形生成理论 , 指出退火炉内带钢板形发生变化的原因和主要相关因 素。
【关键词】 连续退火 带钢 板形 屈曲/ 后屈曲
小 , 比常温态下更容易发生板形屈曲 。
为分析研究方便 , 将连续退火工艺段分三段
分别来考虑 : 退火炉入口段 (炉前) 、退火炉内 、
退火炉出口段 (炉后) 。
311 退火炉入口段
在退火炉入口段 , 带钢的屈曲问题为一般的
板形屈曲问题 。开卷后 , 在张力作用下 , 带钢内
部原存在的纵向纤维不均匀延伸 , 导致带材上有
形态的明显变化 。
表 1 炉前后板形变化与浪形关系概率
板形变化类型 概率 塑性延伸部位 概率
浪形一致 双边浪变平
平变中浪 单边浪变平
单边浪换侧 中浪变平
中浪变边浪
719 % 1215 %
1014 % 412 %
1215 % 613 %
613 %
无局部塑性延伸 带钢中部
带钢单侧边部 带钢双侧边部
4719 % 2219 % 1617 % 1216 %
图 2 横向温差与原始板形的叠加 受拉区域是否发生塑性延伸主要取决于张应 力大小和屈服应力值 。屈服应力值属于材料特 性 , 只与温度有关 , 温度越高 , 其值越小 。对于 确定的炉辊辊形和工艺张力 , 带钢承受张应力 (纵向纤维相对较短) 的区域宽度越窄 , 承受压 应力 (纵向纤维相对较长) 的区域宽度越宽 , 则 张应力越大 , 也即此张应力大小与原始板形和横 向温差有关 。因此 , 是否发生塑性延伸取决于带
Δεpcr
=
1 Fe
[ Fε1 f + 6
(δ/ b) 2 (1 - μ2)
×
( F1F2 - μF3 + (1 - μ) F4) ]
(1)
屈曲临界应力为 :
Δσcr = EΔεpcr
(2)
式中δ— 带钢厚度
b —带钢半宽度
μ—带钢泊松比
εf ─平均张应变 ;
Fe 、F1 、F2 、F3 、F4 ─5 个由数值积分法得
如果不考虑炉辊辊形对带钢张力分布的直接 影响 , 退火炉内带钢各纵向纤维沿横向的分布不 均系由原始板形和横向温差共同决定 , 理想情况 是横向温差正好弥补了原始板形的延伸不均 , 如 图 2 。此时退火炉内带钢各纵向纤维沿横向的分 布均匀 , 表现出良好板形 , 但当带钢出了退火炉 或温差消失后原始板形缺陷会重新呈现出来 。然 而 , 一般情况是带钢各纵向纤维沿横向的分布不 均导致张力分布严重不均 , 使带钢宽向上呈受拉 和受压两个区域 , 在受拉区域如果张应力大于屈 服应力可能会产生塑性延伸 , 在受压区域如果张 应力大于屈曲临界应力值将产生屈曲变形 。
如果首先在受拉区域发生了塑性延伸 , 那么 各纵向纤维沿横向分布的不均匀程度随即降低 、 张应力横向分布也趋于均匀 , 同时降低张应力值 和压应力绝对值 , 所以受压区域不可能再发生屈 曲变形 , 受拉区域的塑性延伸也将减弱或停止 。 如果首先在受压区域发生了屈曲变形 , 那么由于 翘曲过程中的 “应力松弛”现象 , 各纵向纤维沿 横向 分 布 的 不 均 匀 程 度 被 翘 曲 浪 形 部 分 “消 化”[4] , 张应力横向分布也趋于均匀 , 同时降低 张应力值和压应力绝对值 , 所以受拉区域不可能 再发生塑性延伸 , 受压区域的后屈曲变形将停止 于一定大小的浪形 。因此 , 带钢不会在受拉区域 和受压区域同时分别发生塑性延伸和屈曲变形 。
第27卷 第 4 期 2005年7月
上 海 金 属 SHANGHAI METALS
Vol127 , No14 27
July , 2 0 0 5
带钢在连续退火过程中的板形屈曲变形原因分析
张清东 刘 周晓敏
(北京科技大学机械工程学院 , 北京 100083)
邹玉(贤宝钢 股黄份夏公司兰冷 轧彭厂) 俊
RESEARCH ON STRIP PROFIL E BUCKL ING DEFORMATION D URING CONTINUOUS ANNEAL ING PROCESS
Zhang Qingdong Liu Yunyun Zhou Xiaomin Zou Yuxian Huang Xialan Peng J un
力值 , 横向温差将制造新的纵向纤维不均匀延伸
并和原始板形缺陷相叠加使带钢的张力沿宽度方
向分布不均匀 。不均匀的张力分布既是在受拉区
域导致塑性延伸的动力 , 也是在受压区域发生屈
曲变形的条件 。因此 , 温度 、横向温差 、原始板
形和张力是炉内带钢屈曲变形的相关因素 。
(1) 带钢温度
带钢温度对炉内板形屈曲的影响主要在于对
28
上 海 金 属
第 27 卷
3 连续退火炉内带钢的板形屈曲机理
带钢产生板形屈曲的根本动因是带钢各条纵
向纤维长度不相等 (沿宽向的不均匀轧制或延伸
导致) , 且达到屈曲临界条件 。在退火炉内带钢
发生各条纵向纤维不均匀延伸应是高温带钢的横
向温差与原始板形缺陷和工艺张力共同作用的结
果 。带钢运行在退火炉内时温度较高 、张力较
在现场跟踪了某连续退火机组生产的大量钢 卷 , 通过分类统计定量说明这种板形变化的普 遍 、剧烈和大致规律[1] 。
带钢从连续退火炉前到炉后的板形变化的分 类统计见表 1 , 从中可以看出各种规格的带钢在 连续退火机组炉前炉后板形的对应性较差 , 能对 应的只占总体的 4719 % , 确存在板形的大小和
complicatedly and markedly while passing through the continuous annealing furnace , nearly to the extent of the rolling process. The buckling criteria of the strip profile deformation at high temperature in the continuous annealing furnace was analyzed by the theories of strip buckling and post2buckling ; the reason and correlative influencing factors of the strip shape variation in continuous annealing furnace were presented on the basis of the shape creation principle.
根据数据统计和分析 , 带钢板形在退火炉发 生了永久变化 , 也即带钢在退火炉中可能发生了 塑性变形 , 尤其是局部宽度的塑性拉伸变形 , 见 表 1 ; 此机组退火炉中存在着能使带钢板形发生 变化的因素和力学过程 , 而且其变形较常温态板 形屈曲更为复杂 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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第4期
张清东等 : 带钢在连续退火过程中的板形屈曲变形研究
29
图 1 临界应力与温度的关系
钢规格 、材质 、温度 、原始板形 、横向温差 、炉 辊辊形和工艺张力等因素 。
受压区域是否发生屈曲变形主要取决于压应 力大小和屈曲临界应力值 。对于确定的炉辊辊形 和工艺张力 , 带钢承受压应力 (纵向纤维相对较 长) 的区域宽度越窄 , 承受张应力 (纵向纤维相 对较短) 的区域宽度越宽 , 则压应力绝对值越 大 , 也即此压应力大小与原始板形和横向温差有 关 。屈曲临界应力值与带钢的规格 、材质 、温 度 、工艺张力以及可能的屈曲模态都有关 。因 此 , 是否发生屈曲变形取决于带钢规格 、材质 、 温度 、原始板形 、横向温差 、炉辊辊形和工艺张 力等因素 。
的部分受拉应力 , 有的部分受压应力 。当压缩部
分的压应力超过一定临界值时 , 该部分的带材将
会出现受压失稳 , 带材产生某种形式的屈曲变
形 , 带材出现翘曲波浪 , 也就是源自于冷轧带钢
的原始板形缺陷 。这是一个薄宽板的屈曲与后屈
曲力学问题 , 可以求得其屈曲临界条件[2 ,3] 。
冷态屈曲临界延伸率差为 :
带钢材料性能的影响 。在退火炉内不同区域的温
度不同 , 同一材质不同的退火工艺或同一退火工
艺不同的材质 , 带钢的弹性模量 、屈服应力皆不
同 ; 温度越高 , 带钢弹性模量 、屈服极限 、屈曲
临界应力等越低 , 带钢发生塑性拉伸变形的可能
性越大 。
相同材质带钢的弹性模量 E 与温度 t 的关系
可以用下式表示 :
(Mechanical Engineering School , UST Beijing)
(Baoshan Iron & Steel Co. , Ltd. )
【Abstract】 According to the examining data from a CAPL in Baosteel , the strip shape varied
其次 , 相对而言 , 较厚或较软带钢易发生塑 性延伸 ; 较薄或较硬带钢易发生屈曲变形 。 313 退火炉出口段
在连续退火炉出口 , 与退火 (下转第 33 页)
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果表明 , 对于取定的平均张应变和各种最常见的
板形缺陷形式 , 一致表现为温度升高显著降低发
生板形屈曲的临界应力 , 见图 1 。
(2) 带钢横向温差
一般 , 张力自来自百度文库控制系统可以在带钢发生弹
性或塑性延伸时维持总张力基本稳定于工艺设定
值 , 但横向温差引起的纵向纤维不均匀延伸会改
变带钢张力沿横向的分布 。
E = 208570 - 0120986t N/ mm2
(3)
温度 t 对带钢的屈服应力σs (t) 也有很大的
影响 , 相同材质带钢的屈服极限与温度的关系可
以用式 (4) 表示 :
σs (t ) = 4619 ×gEXP [ - 010044t ]
(4)
为分析屈曲临界应力值与温度的关系 , 需要
求解高温带钢的板形屈曲临界应力 。采取和常温
下相同的带钢屈曲临界应力求解思路 , 即在一定
的板内纵向应力形式下 , 先对带钢给出一个形态
与实际后屈曲的位移形态和约束条件相同的微小
初始变形 , 然后用能量原理去决定使这种形态的
变形成为无限快的条件 , 从而求出屈曲应力 。其
中考虑温度的影响 。
由于求解过程相对复杂 , 需要数值计算 。特 别选 取 εf = 315I 和 211I , B = 1025mm , h = 0129mm , μ= 0122 的典型工况代入计算 。计算结
【 Key Words】 Continuous Annealing , Strip , Shape , Buckling/ Post2Buckling
1 引言 连续退火机组集带钢的清洗 、退火 、平整 、
精整等工艺于一体 , 具有生产效率高 、成本低 、 质量高 、品种多样化等许多优点 。但生产中经常 出现带钢经过退火炉时板形从一种浪形形态变为 另一种完全不同甚至相反的浪形形态 , 变化复杂 多样且显著 , 对板形控制和生产稳定都构成严重 挑战 。 2 带钢板形变化现场跟踪
到的常数[3 ] 。
运用薄板弹性小位移理论 , 根据能量原理和
变分法可以求解各种板形应力形式下的屈曲发生
界限 , 但不能得到关于屈曲临界条件的显式表达
式 , 必须通过数值计算才能求得各种工况下的屈
曲临界应力值 。
312 退火炉内
在退火炉内 , 带钢的板形屈曲在高温下进
行 , 高温将降低带钢的屈服应力值和屈曲临界应