冷軋橫折紋缺陷分析

饒洪宇,任吉堂

(1.唐山鋼鐵股份有限公司冷軋薄板廠,河北唐山063000;2.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北唐山063009)

冷軋帶鋼經(jīng)再結(jié)晶退火和平整后,有時會在帶鋼表面產(chǎn)生橫折印缺陷。不但肉眼看明顯,而且?guī)в幸欢ǖ氖指?。根?jù)國內(nèi)外冷軋廠的經(jīng)驗,橫折印缺陷一般在平整厚度＞0.5mm規(guī)格時容易產(chǎn)生。帶鋼表面一旦出現(xiàn)了橫折印,帶鋼的表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量均會受到影響,其機械性能受影響,帶鋼在沖壓時易發(fā)生破裂。目前國內(nèi)外冷軋廠均將帶鋼表面橫折印缺陷列入了常規(guī)缺陷范圍內(nèi),鞍鋼、武鋼、寶鋼冷軋廠每月均不同程度地存在橫折印缺陷造成的降級品。

1 橫折印缺陷的產(chǎn)生機理

帶鋼表面的橫折印缺陷一般發(fā)生在帶鋼的兩邊較多,有時也產(chǎn)生在中間部位,其形狀為與帶鋼軋制線方向成90°的橫向條紋或指甲狀弧形條紋,其間距在20～100 mm之間,長度為20～200 mm之間。這種形狀的橫折印,一般情況下肉眼看很明顯,但不一定有手感。比較嚴重的橫折缺陷,在帶鋼表面顯出與軋制線方向成45°的斜線,其長度一般為50～200 mm。如圖1所示:

圖1 橫折印的表現(xiàn)形式

1.1 帶鋼經(jīng)過S輥時的受力分析

針對帶鋼在通過S輥后出現(xiàn)橫折印的情況,對帶鋼通過S輥的過程進行受力分析。帶鋼在通過S輥的過程中受到拉伸和彎曲兩種變形的綜合作用,其中拉伸是帶鋼受沿軋制方向的張力作用產(chǎn)生的變形,彎曲是帶鋼通過S輥過程中由直變彎的變形,如圖2所示,TR、TC分別為S輥入口和出口處張力。帶鋼通過S輥時因纏繞在S輥上而產(chǎn)生彎曲變形,彎曲時帶鋼外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,內(nèi)表面產(chǎn)生壓應(yīng)力,在帶鋼內(nèi)外表面處應(yīng)力達到最大,如圖3所示。

在純彎曲情況下中性層處于帶鋼厚度的中心。帶鋼經(jīng)過S輥時,認為僅發(fā)生了彈性變形,因此帶鋼表面產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σW為:

式中,E為帶鋼彈性模量;h為帶鋼厚度;R為S輥半徑。帶鋼經(jīng)過S輥時,除了產(chǎn)生彎曲變形外,還會因為張力作用而產(chǎn)生拉伸變形,則拉伸應(yīng)力或張應(yīng)力σT可表示為:

式中,T為張力;B為板寬。

假設(shè)帶鋼與S輥輥面連續(xù)接觸,在包繞入口張力輥的帶鋼上任意取一包角為dθ的微段進行分析,如圖4所示。這一微段帶鋼對S輥輥面的正壓力為d N,則摩擦力為f d N,其中f為S輥輥面與帶鋼之間的靜摩擦因數(shù)。忽略帶鋼運行時所受的離心力,根據(jù)圖4所示,可得這一微段帶鋼的力平衡關(guān)系:

圖4 微段帶鋼的受力分析

式中,T為微段帶鋼的張力。

由以上方程可得:

將上式對整個包繞弧段積分后可得:

式中,T0、T1分別為帶鋼的初始張力與離開入口S輥后的張力;θ為帶鋼在S輥輥面上的實際包角。

由式(5)可知,帶鋼在通過入口S輥的過程中張力是隨著包角的增大而增加的,張力在S輥出口處達到最大,同時帶鋼在此處產(chǎn)生彎曲變形,帶鋼在拉伸和彎曲的共同作用下產(chǎn)生變形,此處為帶鋼的危險截面。帶鋼在S輥出口處的應(yīng)力狀態(tài)如圖(5)所示。彎曲應(yīng)力和張應(yīng)力疊加,將致使中性層下移,帶鋼上表面拉應(yīng)力σ達到最大,此時σ=σW+σT

圖5 彎曲應(yīng)力與張應(yīng)力疊加原理圖

1.2 橫折印缺陷的產(chǎn)生機理

根據(jù)式(5)和圖5可知,在入口S輥出口處,帶鋼表面拉應(yīng)力達到最大。當(dāng)平整機入口前張力過大,使帶鋼表面應(yīng)力σ達到材料的屈服強度σs,即有式(6)成立時,帶鋼表面屈服,發(fā)生塑性變形。

晶體的塑性變形是晶體內(nèi)相鄰部分滑移的綜合表現(xiàn)。退火帶鋼存在明顯的屈服平臺,并存在明顯的上、下屈服點。出現(xiàn)上、下屈服點的原因主要是柯氏氣團阻止了位錯的運動。變形時必須將應(yīng)力增大到某一定值后,才能使位錯擺脫氣團,開始滑移運動,此時在拉伸曲線上出現(xiàn)明顯的上屈服點。當(dāng)位錯一旦擺脫氣團的束縛,應(yīng)力不增加也能繼續(xù)運動,因而在曲線上存在下屈服點。

在這種情況下,滑移啟動的抗力較大(上屈服點),而滑移進行的抗力則較小(下屈服點)。因此,一旦滑移開動起來,它就可以在較低應(yīng)力下進行。這時,變形一旦在某一局部區(qū)域開始發(fā)生,這里就表現(xiàn)出軟化的效果,變形就因而在這里集中并可以進行到一定程度。也就是說,由于屈服平臺的存在,帶鋼的塑性變形會集中在某一區(qū)域進行,從而形成條帶狀的形變區(qū),這就是橫折印的產(chǎn)生機理。退火后帶鋼存在屈服平臺,在入口S輥上若外表面拉應(yīng)力超過屈服強度,則會產(chǎn)生橫折印。若平整時的伸長率較小,不能完全消除屈服平臺,則平整后的帶鋼在出口S輥上也可能再產(chǎn)生橫折印。平整時的伸長率較小,對消除入口前形成的橫折印也是不利的,使橫折印在一定程度上保留下來。

1.3 橫折印缺陷產(chǎn)生的原因

1)板形不良。帶鋼在冷軋時,由于板形沒有控制好,在軋制時產(chǎn)生浪高＞10 mm的邊浪和中間浪的帶鋼,經(jīng)罩式爐退火后容易引起帶鋼層間粘結(jié),在平整時帶鋼表面會產(chǎn)生橫折印缺陷。

2)退火溫度未控制好帶鋼在罩式爐進行退火時由于退火溫度過高,會產(chǎn)生層與層之間的粘結(jié);帶鋼退火時升降溫速度過快,引起鋼卷的熱脹冷縮速度過快;對流板平面磨損,也會造成表面層與層之間的粘結(jié),平整時在帶鋼表面產(chǎn)生橫折印缺陷。因此對每一個鋼種和裝爐量,退火曲線的制定一定要合理。另外,要及時更換磨損的對流板。

3)平整前鋼卷溫度高根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果和我公司的實際試驗,在平整前鋼卷溫度＞45℃時,帶鋼表面將會產(chǎn)生大量橫折印缺陷。主要原因在＞45℃時金屬分子比較活躍,帶鋼受到拉力時很容易從彈性變形區(qū)跳躍到塑性變形區(qū),在帶鋼表面產(chǎn)生呂德絲線(滑移線),造成帶鋼表面產(chǎn)生橫折印。

4)氣溫高濕度過高

實踐經(jīng)驗告訴我們,當(dāng)氣溫＞35℃,空氣濕度又較大時,特別是在梅雨高溫季節(jié),帶鋼在平整時很容易在表面產(chǎn)生橫折印缺陷。這是由于鋼卷在二次冷卻爐臺上散熱慢,造成冷卻速度較慢,雖然其表面溫度已＜45℃,但在鋼卷里面溫度＞45℃。

5)設(shè)備原因。當(dāng)平整機入口出口處張緊輥(S輥)由于高低水平位置變化,不平行時,容易使帶鋼表面產(chǎn)生橫折印缺陷。

2 防止橫折印缺陷的措施

2.1 控制板型

以上分析是建立在板形良好的基礎(chǔ)之上的。如果帶鋼板形不好,則會因為帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力的不均勻分布導(dǎo)致橫折印缺陷加劇。下面以典型的雙邊浪為例進行說明,如圖6所示。由于有殘余應(yīng)力σr的存在,導(dǎo)致帶鋼內(nèi)部張應(yīng)力σT沿橫向分布不均勻,中間張應(yīng)力大,兩邊張應(yīng)力小,在這種情況下中間較邊部更容易出現(xiàn)橫折印缺陷。同理,單邊浪或中浪等都會導(dǎo)致帶鋼在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)橫折印缺陷。

因此,為了降低或者消除橫折印缺陷,保持來料板形良好也是一個重要條件。

圖6 雙邊浪缺陷帶鋼內(nèi)部應(yīng)力橫向分布

2.2 防止來料粘連

若退火工藝溫度制度不合理,易造成鋼卷粘連?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),存在極其嚴重橫折印缺陷的帶鋼,往往來料都存在較嚴重的粘連問題。在帶鋼開卷過程中,由于帶鋼之間的相互粘連,使帶鋼產(chǎn)生折彎,在帶鋼表面形成嚴重的橫折印缺陷,成為廢品。此種情況下橫折印只出現(xiàn)在粘連部位,大部分集中在邊部,粘連嚴重時還會有帶鋼撕裂的情況發(fā)生,因故障被迫停機,影響生產(chǎn)率。

因此,首先需要改善退火工藝制度,保證來料沒有粘結(jié)現(xiàn)象,能夠正常開卷。這樣不但改善了帶鋼表面質(zhì)量,也能夠使平整機在高速狀態(tài)下平穩(wěn)運行,從而大大提高生產(chǎn)率。

2.3 控制來料溫度

當(dāng)帶鋼來料溫度過高時,帶鋼內(nèi)部的金屬分子比較活躍,帶鋼受到拉力時很容易從彈性變形區(qū)跳躍到塑性變形區(qū),在帶鋼表面產(chǎn)生滑移線,產(chǎn)生橫折缺陷。實踐表明,在平整前鋼卷溫度＞45℃時,帶鋼表面易產(chǎn)生少量的輕微橫折印缺陷。

因此,應(yīng)嚴格控制平整來料鋼卷的溫度,控制在45℃以下為最好。當(dāng)來料鋼卷溫度較高時,可通過風(fēng)冷或空冷將鋼卷溫度降下來,再進行開卷,以避免溫度較高引起橫折印缺陷。

2.4 根據(jù)材料性能制定合適的軋制規(guī)程

材料性能對橫折印缺陷的影響主要是通過影響帶鋼屈服強度σs的變化來實現(xiàn)的。首先,從式(6)可看出,屈服強度的大小直接決定了帶鋼是否產(chǎn)生橫折印的極限條件。對于屈服強度較低的材料(如Q235、08A 1等低碳鋼),由于塑性變形區(qū)范圍較大,殘余應(yīng)力變化導(dǎo)致的不均勻塑性變形更容易表現(xiàn)出來,從而更易產(chǎn)生橫折印缺陷。其次,退火后鋼卷在冷卻過程中,沿鋼板寬向冷卻是不均勻的。如果冷卻不均過于嚴重,引起帶鋼板寬方向上的材料屈服強度有較大差異,可對橫折印的形態(tài)和分布產(chǎn)生影響。

因此,生產(chǎn)過程中,對于屈服強度較低的帶鋼進行平整時,在不影響板形的前提下,可以略降低總張力值,避免由于屈服強度較低引起的橫折印缺陷。另外,還要要求平整來料材質(zhì)均勻,避免帶鋼各部位的屈服強度不一致。

2.5 調(diào)整輥系水平度

當(dāng)平整機入口出口處張緊輥(S輥)由于高低水平位置變化,不平行時,容易使帶鋼表面產(chǎn)生橫折印缺陷。

3 結(jié)束語

從以上的分析中可以看出,冷軋帶鋼產(chǎn)生橫折紋缺陷的機理明確,但具體原因較多,在實際生產(chǎn)中需要區(qū)分類別,對于不同的原因需要采取不同的對策,甚至有時是由于多個條件共同作用的結(jié)果,只有不斷地歸納、總結(jié)這些缺陷的特征、產(chǎn)生原因和消除辦法,才能有助于冷軋成品質(zhì)量改善、生產(chǎn)效率的提高。