中厚板“龜背”缺陷的成因分析*

程永固 王景 王全成 李利民

(安陽鋼鐵股份有限公司)

中厚板“龜背”缺陷的成因分析*

程永固 王景 王全成 李利民

(安陽鋼鐵股份有限公司)

針對中厚板“龜背”板型缺陷，分析了冷床冷卻和剪切過程產(chǎn)生的原因，指出了不均勻冷卻造成的內(nèi)應(yīng)力疊加、剪切應(yīng)力大和材料的彈性模量較小是形成“龜背”缺陷的主要因素，并對改進(jìn)措施進(jìn)行了技術(shù)探討。

中厚板 龜背缺陷 不均勻冷卻 內(nèi)應(yīng)力

0 引言

中厚板作為工業(yè)上一種重要的原材料，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、機(jī)械制造等領(lǐng)域。它對產(chǎn)品質(zhì)量要求比較高，國家標(biāo)準(zhǔn)都有明確的要求，鋼板的板型是中厚板質(zhì)量指標(biāo)的一個重要方面。近年來，隨著軋鋼生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，一般常見的板型缺陷，如邊浪、鐮刀彎等板型產(chǎn)生的原因和控制方法已經(jīng)日臻完善。但是如“龜背”等一些輕微的板型缺陷，雖然符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，能夠滿足普通使用要求，對特殊加工方法使用則有一定的困難，其產(chǎn)生的原因和控制方法還有待于進(jìn)一步的研究。下面筆者就軋制生產(chǎn)工藝對中厚板“龜背”板型缺陷的影響做一探討。

1 中厚板“龜背”質(zhì)量缺陷的描述

“龜背”現(xiàn)象是中厚板板型的一種常見缺陷，主要是指鋼板在寬度方向上的平直度較差，橫截面形成中間拱起的板型缺陷。其存在有三種表現(xiàn)形式:頭部范圍、通長范圍，尾部范圍，如圖1所示。

圖1 龜背缺陷示意圖

發(fā)生“龜背”缺陷的板材，雖然中間拱起的幅度較輕微，能夠滿足產(chǎn)品不平度標(biāo)準(zhǔn)要求，對一般的用途影響不大，但對如卷筒后對焊等某些特殊用途，將帶來很大的加工困難，因此分析和解決龜背的板型缺陷很有必要。

2 “龜背”產(chǎn)生的原因分析

中厚板生產(chǎn)工藝流程為:加熱→除鱗→軋制→矯直→冷卻→翻板→剪切→標(biāo)識→收集入庫。

軋制、矯直是中厚板板型控制的關(guān)鍵工序，工藝控制不當(dāng)會生產(chǎn)各種板型缺陷。筆者對“龜背”缺陷的進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤觀察，大量數(shù)據(jù)表明，鋼板“龜背”現(xiàn)象主要發(fā)生在矯后冷卻工序和斜切剪剪切工序。經(jīng)過矯直的鋼板，冷床冷卻前板型平直，但有些鋼板冷卻后就會發(fā)生“龜背”缺陷，剪切前后板型不再有變化;有些鋼板在剪切前板型平直，但剪切后會出現(xiàn)“龜背”缺陷。因此判斷冷卻和剪切都會造成“龜背”缺陷，其機(jī)理也明顯不同，以下對這兩個工序形成“龜背”缺陷的原因作了進(jìn)一步分析。

2.1 冷卻產(chǎn)生“龜背”缺陷的原因分析

鋼板軋制以后，雖然矯直能夠使得軋制和冷卻過程產(chǎn)生的應(yīng)力能夠得到部分消除，但由于矯直過程中鋼板的反復(fù)彎曲，會產(chǎn)生新的應(yīng)力，加上部分殘余應(yīng)力，使得鋼板矯直后內(nèi)部仍分布有一定的應(yīng)力。有研究表明，鋼板熱矯初始溫度沿板寬分布對殘余應(yīng)力有較大影響，初始溫度分布越均勻殘余應(yīng)力值越小［1］，反之，殘余應(yīng)力值較大。鋼板在冷床的冷卻過程中，表面溫降以表面的輻射和對流為主，內(nèi)部溫降以熱量向表面的熱傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)，因此各部位的冷卻方式和條件有很大的差異。在寬度的橫截面上，邊部具有二維傳熱的特征，溫降較快;而中心近似于一維，溫降較慢，這樣在橫截面上同時存在著寬度和厚度方向上的溫度差，因此產(chǎn)生了冷卻應(yīng)力。冷卻應(yīng)力與原始的溫度分布有關(guān)，鋼板的規(guī)格越厚，其溫度分布的均勻性越差，冷卻應(yīng)力也越大。冷卻應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加，超過一個臨界值時，鋼板就會出現(xiàn)變形，產(chǎn)生“龜背”缺陷。因此，“龜背”缺陷是冷卻應(yīng)力和矯直殘余應(yīng)力的疊加造成的。

2.2 剪切產(chǎn)生“龜背”缺陷的原因分析

鋼板在剪切過程中一般經(jīng)歷三個變形階段，從剪刃不斷地切入開始，剪切面依次是彈性變形、塑性變形和斷裂而最終被完全切斷。剪切過程是一個復(fù)雜的綜合性力學(xué)問題，其應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，剪切區(qū)不同點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)在變形過程中各不相同［2］，從而形成塌角、光亮帶、裂帶和毛刺等不同斷面特征的區(qū)域。鋼板在受斜切剪剪切時主要受力有純剪切力、未剪相連部分的拉深彎曲力、被剪掉部分受上刀片壓迫的彎曲力，彎曲力在整個剪切過程中的大小、方向處于漸變狀態(tài)，在剪口處形成碗形［3］，如圖2所示。

圖2 斜切鋼板剪口為碗形

當(dāng)彎曲力的作用超過材料的屈服極限，板型就會形成“龜背”形狀。根據(jù)側(cè)面變形觀察法，詳細(xì)分析剪切時形成龜背的原因:

1)彈性變形階段，上剪刃與鋼板接觸并擠壓，鋼板產(chǎn)生彈性壓縮且產(chǎn)生弧形彎曲，同時，鋼板材料擠壓上下剪刃剪切側(cè)面的趨勢，隨著剪刃的相互靠近弧形彎曲愈加嚴(yán)重，其剪口側(cè)視特征一是剪切斷面出現(xiàn)塌角、二是在鋼板在寬度方向上受壓先后不同，產(chǎn)生彎曲，如圖3所示。

圖3 下切時彈性彎曲

2)塑性變形階段，隨著上下剪刃重疊量的加大，剪切深度加大，鋼板變形達(dá)到它的屈服極限，材料受剪刃擠壓產(chǎn)生塑性變形，得到光亮的剪切斷面即剪斷區(qū)，同時彈性階段時的鋼板表層壓應(yīng)力消失，鋼板的彎曲得以彈性回復(fù)，其剪口側(cè)視特征一是剪口光亮，二是該階段鋼板表層壓應(yīng)力消失不發(fā)生新的彎曲，但鋼板彎曲沿寬度方向隨剪口位置變化而擴(kuò)展;

3)斷裂階段，塑性變形的同時還伴有材料的彎曲與拉伸，隨著剪切的深入，材料內(nèi)應(yīng)力不斷增大，在剪刃口處產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終超過材料的斷裂極限，產(chǎn)生斷裂區(qū)，完成了整個剪切過程，其剪口側(cè)視特征一是出現(xiàn)撕裂帶，二是鋼板寬度方向上受其它因素影響，如間隙、上下剪刃重疊量的不同，撕裂位置、程度不均，寬度方向上產(chǎn)生新的彎曲，三是鋼板剪切完成，寬度方向上的整體彎曲全面回復(fù)(如圖4所示)。但其回復(fù)程度主要與材料的彈性模量、以及整個過程中的應(yīng)力變化有關(guān)。如果剪切應(yīng)力超過鋼的屈服強(qiáng)度，就會使鋼產(chǎn)生部分塑性形變，剪切后形狀不能完全回復(fù)，產(chǎn)生鋼板“龜背”缺陷。綜上分析，避免剪切“龜背”缺陷的發(fā)生，應(yīng)改善剪切時的應(yīng)力分布狀態(tài)，使剪斷區(qū)擴(kuò)大和撕裂區(qū)縮小，并提高材料的彈性回復(fù)能力。

圖4 鋼板斜切后彎曲回復(fù)示意圖

3 改進(jìn)措施的探討

由以上分析，解決鋼板“龜背”缺陷，需從提高軋后冷卻均勻性和剪切時剪斷區(qū)比例、增強(qiáng)材料彈性回復(fù)能力等方面進(jìn)行改進(jìn)，具體應(yīng)采取以下措施:3.1 提高鋼板軋后的冷卻均勻性

中厚板軋制后冷卻不均勻主要原因來自于以下方面:鋼板在軋制后水冷過程中，由于厚度方向上溫度不均勻，不均勻程度與冷卻水的流量、上下比例、鋼板的厚度密切相關(guān);鋼板邊部存在二維傳熱，冷卻速度較快，均勻的水冷模式會加大與中間部位的溫度差;冷卻后局部存在的滯留水會使溫度的均勻性更差。通過合理的上下水量調(diào)整、水冷邊部遮蔽技術(shù)、冷后邊部吹掃都有利于提高鋼板軋后冷卻的均勻性，降低矯直殘余應(yīng)力。

3.2 提高冷床的冷卻均勻性

矯后鋼板冷卻越均勻，則熱應(yīng)力越小。根據(jù)溫降曲線，溫度越高，則溫降越快。在矯直后采取強(qiáng)制冷卻，可使鋼板中間高溫區(qū)快速到達(dá)溫降拐點(diǎn)，縮小鋼板中間與邊部的溫度差。在冷床布置風(fēng)冷裝置，可以間接提高了冷床冷卻均勻性，降低了鋼板熱應(yīng)力的作用，對龜背的遏制起到了明顯的效果。

3.3 提高剪斷區(qū)面積比例

中厚板生產(chǎn)線的橫剪剪刃更換周期比較長，在后期剪刃鈍化嚴(yán)重，就會導(dǎo)致剪斷區(qū)比例偏低。應(yīng)確定合理的剪刃更換制度，使剪刃在更換期內(nèi)保持鋒利;同時，提高剪刃安裝質(zhì)量，確保剪刃轂平滑，并根據(jù)鋼種強(qiáng)度范圍和厚度，制定合理的剪切間隙制度，可有效減少撕裂區(qū)、增大剪斷區(qū)比例，降低剪切應(yīng)力，從而防止了鋼板出現(xiàn)“龜背”缺陷。

3.4 增強(qiáng)材料彈性回復(fù)能力

彈性模量是決定材料回彈性能的一個重要性能參數(shù)，有研究表明材料存在彈性模量隨塑性變形而變化的現(xiàn)象，應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性變化，而不是線性變化，材料的溫度與彈性恢復(fù)能力有關(guān)［4］。中厚板生產(chǎn)線由于受冷床面積小的局限，鋼板規(guī)格厚度差異大，部分剪切溫度較高。剪切溫度高，將導(dǎo)致鋼的屈服強(qiáng)度降低，彈性回復(fù)能力減弱，產(chǎn)生“龜背”缺陷的幾率大幅度提高。對不同強(qiáng)度等級、厚度規(guī)格的鋼板，應(yīng)控制不同的最高剪切溫度，防止剪切時產(chǎn)生“龜背”缺陷。

4 結(jié)語

中厚板“龜背”板型缺陷，其形成的原因和機(jī)理比較復(fù)雜，雖然只在熱矯直以后的精整工序表現(xiàn)出來，但與軋制后的冷卻、熱矯殘余應(yīng)力甚至終軋板型都有密切的關(guān)系。在機(jī)理上上應(yīng)充分考慮這些因素之間的交互作用，制定針對性的措施，才能防止產(chǎn)生“龜背”缺陷。

［1］李勝祗，李珺，劉宇，等.熱矯初始溫度分布對TMCP鋼板殘余應(yīng)力的影響.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，26(4):345－349.

［2］溫彤，陳霞.金屬板材剪切變形全過程的模擬.模具技術(shù)，2006(4):3－6.

［3］眭志華，彭立新，霍憲剛，等.縱剪剪刃受力分析及實(shí)踐.寬厚板，2008，14(5):35 －37.

［4］余海燕，鮑立，高云凱，等.相變誘發(fā)塑性鋼板的非彈性回復(fù).機(jī)械工程學(xué)報，2010，46(18):46 －50.

ANALYSIS ON BUCKLE FLAW OF MEDIUM PLATE

Cheng Yonggu Wang Jing Wang Quancheng Li Limin
(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

Through analyzing the buckle flaw of medium plate in the process of cooling bed and shearing，it is found that accumulation of internal stress from asymmetric cooling，big shear stress and small elasticity modulus of material are the main reasons and the improving measures are investigated.

medium plate buckle flaw asymmetric cooling internal stress

:2011—10—20