薄規(guī)格花紋板拉矯后C翹行為的研究

趙 任，徐正彪，劉啟森，薛洪濤，盛凱英，姚興濤，徐 劍，游加偉，王 超，秦 哲

(日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照 276800)

花紋鋼板由于其表面有突棱，有防滑作用。薄規(guī)格熱軋花紋板廣泛應(yīng)用于商用車車廂地板，要求具備較高的平整度。隨著車身輕量化進(jìn)程的不斷深入，薄規(guī)格花紋板的市場(chǎng)需求量逐年增加，而隨著厚度的減薄，熱軋花紋板的平直度控制難度逐漸加大，因此花紋板平整拉矯工藝得到迅速的發(fā)展。日照鋼鐵在花紋板拉矯工藝開發(fā)初期，因無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)借鑒，拉矯后的花紋板在開平加工過程中出現(xiàn)了批量C翹質(zhì)量缺陷，給客戶使用造成較大影響。

針對(duì)C翹質(zhì)量缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些相關(guān)的研究。昝現(xiàn)亮等[1]認(rèn)為，平整機(jī)下支撐輥傳動(dòng)造成上下表面應(yīng)力差，導(dǎo)致C翹缺陷，且發(fā)現(xiàn)開卷機(jī)及卷取機(jī)張力為影響C翹的關(guān)鍵因子，但未能解釋其原理。丁文紅[2]認(rèn)為在小軋制力下，帶鋼中部的滑移系無法開動(dòng)，帶鋼表面在軋制摩擦力的作用下發(fā)生表層塑性變形，導(dǎo)致上下表面應(yīng)力差，從而導(dǎo)致C翹質(zhì)量缺陷。李衛(wèi)平[3]發(fā)現(xiàn)了不同彎輥及軋制力條件下張應(yīng)力沿板寬方向上有明顯變化。王立萍[4]發(fā)現(xiàn)輥形變化后張應(yīng)力沿板寬方向分布變化明顯。文獻(xiàn)[5]對(duì)試樣在小載荷作用下的塑性變形行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在較小外載荷情況下，材料由表層到中部的殘余應(yīng)力逐漸減小，進(jìn)一步驗(yàn)證了在較小載荷作用下材料的塑性變形特征。花紋鋼板因要求具備較好的防滑功能，投用工作輥進(jìn)行軋制會(huì)使棱豆變得扁平而影響其防滑效果。本文通過優(yōu)化拉矯工藝解決薄規(guī)格花紋板開平C翹的問題。

1 試驗(yàn)方案

平整大張力拉伸有助于板型的改善，為改善C翹缺陷，對(duì)矯直輥進(jìn)行更換及標(biāo)定，平整1.8mm×1250mm花紋板，開卷張力設(shè)定90kN(最大值)，卷取張力分別設(shè)定150kN、160kN、170kN、180kN(同一鋼卷的四個(gè)不同位置)，矯直機(jī)輥縫-22mm(最低位置)；經(jīng)開平后C翹高度25～38mm，超過客戶使用標(biāo)準(zhǔn)(C翹≤5mm)，因此以開卷張力及卷取張力為重點(diǎn)開展工藝技術(shù)研究，以改善花紋板的C翹現(xiàn)象。

選取相同批次、相同規(guī)格的熱軋?jiān)箱摼砉?1卷，規(guī)格均為1.8mm×1250mm，采用不同的開卷張力、卷取張力進(jìn)行平整試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表1所示。

表1 開卷機(jī)及卷取機(jī)張力設(shè)定

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)卷進(jìn)行翹曲測(cè)量，開平尺寸1.8mm×1250mm×2438mm，每卷在開平50張板后挑選1張置于平整的地面，測(cè)量開平板的翹曲程度，測(cè)量結(jié)果見表2所示。鋼卷10和鋼卷1板形情況見圖1、圖2所示。

表2 開平后板形測(cè)量

圖1 鋼卷10開平板形

圖2 鋼卷1開平板形

通過對(duì)C翹測(cè)量結(jié)果的觀察發(fā)現(xiàn)，開卷張力、卷取張力同C翹的嚴(yán)重程度無明顯的相關(guān)性。對(duì)張力差及C翹繪制折線圖，見圖3所示。

圖3 張力差及C翹折線圖

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，C翹測(cè)量結(jié)果同張力差存在明顯的相關(guān)性，張力差為90kN時(shí)，C翹值36.5mm；張力差減小至45kN時(shí)，C翹值減小至13.2mm；張力差減小至35kN時(shí)，C翹值減小至4.9mm；張力差進(jìn)一步減小至15kN時(shí)，C翹值減小至0.2mm；即C翹值隨著卷取機(jī)與開卷機(jī)的張力差減小而減小，卷取與開卷張力差△F≤35kN時(shí)，開平后C翹均能控制在0～5mm范圍內(nèi)。

3 分析與討論

3.1 拉伸矯直原理

拉矯機(jī)效果的取得主要依靠彎曲時(shí)的塑性鐓粗作用，帶鋼中心層發(fā)生塑性流動(dòng)使帶鋼的板形得以改善[6]。拉伸彎曲矯直機(jī)改善板形通過使各條縱向纖維長(zhǎng)度相等實(shí)現(xiàn)。需矯平的帶材在張力輥組施加的張力作用下，連續(xù)經(jīng)過上下交替布置的小直徑彎曲輥劇烈彎曲，帶材各條縱向纖維在拉伸和彎曲應(yīng)力的聯(lián)合作用下，沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生了不同程度的塑性延伸，各條縱向纖維的長(zhǎng)度趨向于一致，從而減小內(nèi)應(yīng)力的不均勻分布，由縱向纖維長(zhǎng)度差造成的板形缺陷得以消除[7]。

彎曲和張力的增大均有利于帶鋼的延伸。原料板帶內(nèi)各條縱向纖維延伸不均勻，當(dāng)兩側(cè)的縱向纖維延伸量大于中間縱向纖維延伸量時(shí)，板帶出現(xiàn)雙邊浪，反之則出現(xiàn)中間浪，延伸量大和延伸量小的縱向纖維間存在著拉應(yīng)力。同時(shí)軋件上不同方向、不同數(shù)值的原始曲率，經(jīng)過同一個(gè)反彎曲率的彈塑性彎曲后，其殘余曲率有趨向一致的特性，使得軋件經(jīng)多次交變的彈塑性彎曲后，原始曲率不均度逐漸減小，殘余曲率逐漸趨向一致。

在張力、反彎曲率及縱向纖維內(nèi)力的共同作用下，可以將延伸量小的纖維拉長(zhǎng)，達(dá)到改善板形缺陷的目的。

3.2 矯直機(jī)前后張力差對(duì)C翹的影響

矯直機(jī)工作原理示意圖見圖4所示。矯直機(jī)壓下量為22mm，保證板形平直度下矯直機(jī)前后最大張力差35kN、板厚1.8mm、板寬1260mm、矯直輥軸承座間距2000mm、矯直輥直徑220mm。

圖4 矯直機(jī)工作原理示意圖

3.2.1 矯直輥與花紋板接觸面積的計(jì)算

根據(jù)矯直機(jī)壓下量及板厚計(jì)算出帶鋼與矯直輥的接觸角度約為13°，1#、2#、3#、4#、5#輥的接觸面積分別用S1、S2、S3、S4、S5表示。

接觸弧長(zhǎng)

=2.49mm

(1)

矯直輥下輥面單支單側(cè)與帶鋼接觸面積

S=L×W=2.49×1260=31.37cm2

(2)

式中W為板寬，取為1260mm。

由圖4可知

S下=S3+S4+S5=4S

生產(chǎn)1.8mm×1250mm花紋板板面與輥面的接觸面積為

S下=4×S=4×31.37=125.5cm2

已知每平方米花紋板扁豆數(shù)量為1190個(gè)，每個(gè)扁豆面積為119.7mm2，每平米花紋板扁豆的面積為1190×119.7=14.24cm2，因此

S總=S上+S下=160.8cm2

1#矯直輥與板面接觸面積

2#矯直輥與板面接觸面積

3#矯直輥與板面接觸面積

4#矯直輥與板面接觸面積

5#矯直輥與板面接觸面積

3.2.2 矯直輥吸收張力的計(jì)算

開卷機(jī)與卷取機(jī)張力均被矯直機(jī)吸收，矯直輥在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中輥面與板面始終保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，屬于靜摩擦。矯直輥輥面粗糙度一定，作用力同接觸面積成正比[8]。已知矯直機(jī)吸收的總張力P總=35kN ，則

1#矯直機(jī)吸收張力

P1=0.11P總=3.84kN

2#矯直機(jī)吸收張力

P2=0.11P總=3.84kN

3#矯直機(jī)吸收張力

P3=0.195P總=6.83kN

4#矯直機(jī)吸收張力

P4=0.39P總=13.66kN

5#矯直機(jī)吸收張力

P5=0.195P總=6.83kN

3.2.3 矯直過程中矯直輥撓度計(jì)算

根據(jù)矯直輥的實(shí)際受力情況，將矯直輥看成縱梁，軸承座比做梁的支點(diǎn)，在滿足胡克定律的情況下，可采用疊加法計(jì)算矯直輥的彎曲變形[9]。在矯直輥簡(jiǎn)化模型中，矯直輥主要受集中載荷的作用，位于跨中的集中載荷撓度計(jì)算公式為

(3)

式中：ω為撓度，mm；l為縱梁跨度，mm；E為材料彈性模量，GPa；I為截面慣性矩，mm4；p為集中載荷，kN。

矯直輥材質(zhì)為85CrMoV7，查表知其彈性模量E=2.06GPa[10]，矯直輥截面為實(shí)心圓，截面慣性矩計(jì)算公式為

(4)

保證板形平直度下矯直機(jī)前后最大張力差35kN時(shí)

1#矯直輥撓度ω1=-0.28mm

2#矯直輥撓度ω2=-0.28mm

3#矯直輥撓度ω3=-0.50mm

4#矯直輥撓度ω4=-1.01mm

5#矯直輥撓度ω5=-0.50mm

由撓度計(jì)算得知，4#矯直輥因與板面接觸面積最大，導(dǎo)致其在拉伸矯直過程中撓度最大，該撓度導(dǎo)致板面局部不均勻變形。當(dāng)張力差為35kN時(shí)，4#矯直輥發(fā)生了-1.01mm的撓度彎曲，該撓度同拉伸矯直后板形質(zhì)量密切相關(guān)，撓度較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致矯直過程中板帶中部的纖維拉伸距離較兩端長(zhǎng)，進(jìn)而出現(xiàn)C翹質(zhì)量缺陷，且板面翹曲程度隨著張力差的增加而增加。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于采用拉矯工藝生產(chǎn)的花紋板，在張力、反彎曲率及縱向纖維內(nèi)力的共同作用下使縱向延伸不均勻的纖維逐漸趨于均勻，達(dá)到改善板形缺陷的目的。

(2)較大的張力差能夠?qū)е鲁C直輥的彈性彎曲，引起花紋板中部的纖維拉伸距離較兩端長(zhǎng)，開平后出現(xiàn)C翹質(zhì)量缺陷。

(3)針對(duì)日照鋼鐵1650mm熱軋平整線，當(dāng)矯直機(jī)前后張力差≤35kN時(shí)，能滿足開平后C翹≤5mm的目標(biāo)。

(4)若考慮更大地發(fā)揮機(jī)組能力，進(jìn)一步降低花紋板板形不良的缺陷，需要對(duì)矯直機(jī)進(jìn)行技改，由目前的二重式改為四重式(添加支撐輥)，以提高矯直輥剛度。