热轧板横折缺陷的成因分析.doc
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1、热轧板横折缺陷的成因分析王丹左军黄徐晶康明骆中云陈继林摘要:针对热轧低碳钢卷开卷过程中出现的横折缺陷,运用弹塑性力学、金属学等知识分析了钢卷在开卷矫直过程中的弯曲变形、应力分布、屈服平台和形变时效等问题,认为横折缺陷不是由板形引起的,而是由低碳钢普遍存在的屈服平台引起的,从而为解决横折缺陷提供了依据。关键词:横折;板形;屈服平台;弯曲变形;形变时效;应力分布中图分类号:TG333.71文献标识码:A文章编号:10047638(2000)01002907ANALYSIS OF CAUSES FOR CROSS BREAKS DEFECTFORMATION DURING HOT STRIP UNC
2、OILLING AND LEVELLINGWANG DanZUO JunHUANG Xujin(Panzhihua Iron Steel Research Institute,Sichuan,Panzhihua 617000,China)KANG MingLUO Zhongyunhen JiLin(Hot Strip Mill Of PZH Steel,Sichuan,Panzhihua 617062,China)Abstract:Based on cross breaks defect formation during uncoilling of hot strip of low carbo
3、n steel,the bending deformation,stress distribution,yield point elongation and strain aging of the hot strip during uncoilling and levelling were analyzed by use of the knowledge,such as elastic-plastic mechanics and metal science etc.It is believed that the bad flatness of the hot strip is not resp
4、onsible for the cross breaks formation.The defect results from yield point elongation of the low carbon steel,thus providing a basis for solution of the cross breaks defect.Key Words:cross breaks;profile;yield point elongation;bending deformation;strain aging;stress distribution热轧低碳钢卷开卷后出现横折缺陷是一种常见现
5、象,无论是国内产品还是进口产品都不同程度地出现横折缺陷,给用户带来许多不便和损失。为了解决这一问题,许多企业都作过研究和尝试,但效果始终不理想,主要是对横折缺陷产生的机理认识不一致。本文针对研究过程中形成的不同意见,运用弹塑性力学、金属学等知识,分析钢卷在开卷矫直过程中的弯曲变形和应力分布,阐述横折缺陷产生的内因和外因,认为横折缺陷不是由板形引起的,而是由低碳钢普遍存在的屈服平台引起的,从而为解决横折缺陷,提高产品质量提供理论依据。1横折缺陷与板形缺陷的宏观特征通过市场调查和统计分析,发现横折缺陷与板形缺陷在宏观形貌上主要有以下特征(表1)。表1横折缺陷与板形缺陷宏观形貌对比板形缺陷横折缺陷1
6、板形缺陷呈椭圆形或抛物线形的瓢曲和起浪横折缺陷呈直线状或条状,而且垂直于轧制方向2板形的瓢曲和起浪不会贯穿板面,只发生在局部,如边部或中部多数横折贯穿板面3板形的瓢曲和起浪是连续的,没有明显的边界板面有明显的折痕和边界,严重者呈“搓衣板”状4板形缺陷存在于钢卷中钢卷中无横折缺陷,开卷时出现的5板形缺陷是由变形不均匀引起的,与钢种无关主要发生在低碳钢卷,如Q195,Q215,Q235,stw22等以上对比不难看出:板形缺陷与横折缺陷的宏观特征是不同的,而且有明显的差别。仅贯通板面、垂直轧向这一条,就可以从理论上确认横折缺陷不是板形缺陷。同时横折缺陷有明显的条状折痕,说明该处存在局部变形过大,因此
7、横折缺陷有不均匀变形的问题是客观存在的。2板形与横折缺陷的应力分析板形的瓢曲和起浪是由钢板内的残余应力引起的,板形控制的手段很多,如弯辊、串辊、配辊、负荷分配,可以说有n种方式,但无论采用什么控制方式、如何组合,最终反映在残余应力上只有两种形式:拉应力和压应力,只不过分布形态不同而已13。因此,对弯辊、配辊等板形控制手段的分析最终都将归结为对残余应力的分析,这些残余拉应力和压应力的分布形态与板形的瓢曲、起浪有一一对应的关系,也正因为这种对应关系才使得板形控制成为可能,即通过检测张力来控制板形。因此分析横折缺陷产生的原因,首先应找出产生横折所需的应力分布,以及这种应力分布是如何形成的。板面的瓢曲
8、和起浪是由残余压应力造成的,而残余拉应力只会把板面绷直或拉裂,不会瓢曲4,5。常见板形缺陷两边浪和中间浪所对应的残余应力分布见图1。从理论上说还有无限种分布形态,但由于目前在热轧卷上尚未发现横折缺陷,说明热轧卷内的残余应力分布尚无产生横折缺陷的那一种,而是在钢卷开平过程中的某些工序使钢板内的应力发生了变化,形成了产生横折缺陷的那一种应力分布,导致了横折缺陷。图1残余应力与板形的对应关系经分析,图2的应力分布比较符合横折的缺陷特征:贯穿板面、条状、垂直轧向,图2的物理意义为:沿板宽方向有均匀的压应力。这种应力分布在钢板的弯曲过程中可以产生,而且是一面受压一面受拉,钢卷的开卷和矫直工序正好是这种变
9、形。图2均匀压应力分布因此可以认为横折缺陷不是钢卷内固有的,而是由开卷和矫直过程中的外部弯曲力矩加上去的。3带钢弯曲变形与屈服效应带钢的弯曲变形有三种情况(图3):弹塑性弯曲、纯弹性弯曲和纯塑性弯曲。带钢的开卷和矫直属于弹塑性弯曲变形,即利用弯曲力矩将钢卷固有的圆弧和波浪矫直。图3纯弯曲变形的应力分布矫直工序如图4所示,带钢经过矫直机时,经历连续的弹塑性弯曲变形,在每一个矫直辊上带钢都受弯曲力矩的作用,对于其中的某一个单元而言,带钢在厚度方向上一半受拉一半受压,使带钢发生了弹塑性弯曲变形,此种变形的横向应力分布与图2是一样的,变形的宏观特征与横折缺陷也十分接近:贯穿板面、垂直轧向、条状。图4矫
10、直工序及缺陷产生示意图弯曲力矩的大小受矫直辊辊缝的控制,当辊缝较大时弯曲力矩较小,带钢只发生弹性变形;随着辊缝的减小,弯曲力矩加大,带钢的曲率半径减小,上下表面的应力达到屈服点,开始发生塑性变形,由于变形区较薄,还不足以使整体发生塑性变形,依然处于弹性变形状态;曲率半径的进一步减小,变形区逐步向内部纤维渗透,塑性变形区逐步增大,弹性变形区逐步减小,导致整体逐步由弹性变形过渡到塑性变形,由于材料存在固有的屈服平台,便发生屈服变形效应在同样的弯曲应力的作用下,上表面延伸突增,下表面突然压缩,使均匀的弯曲变成不均匀的变形,在变形量较大处产生折印,这些折印在后续的反复矫直过程中又被碾平,如此周而复始便
11、在板面上留下了横折缺陷,见图4。根据材料力学中有关梁的弹性弯曲的分析方法,可以推得薄板由弹性弯曲进入塑性弯曲的条件是6:REt/3s式中R弯曲曲率半径,mm;E钢板的弹性模量,210000MPa;s钢板的屈服点,MPa;t钢板厚度,mm。由上式可看出,钢板的塑性弯曲不仅与厚度有关,而且与钢板的屈服强度有关。对于3.0mm的Q195,Q235,stw22低碳板而言,临界曲率半径分别为:Q195s255375MPaR823560mm;Q235s320430MPaR656488mm;stw22s200340MPaR1050617mm。对于卷径较小、强度较低的钢卷开卷过程中满足上述条件,会发生弹塑性弯
12、曲变形,容易产生横折;而对于卷径较大、强度较高的卷则不满足上述条件,开卷时以弹性变形为主,不易产生横折(图5)。但随着卷径的减小,尤其在开卷的末期,横折缺陷可能会出现或加重。在实际开卷过程中发现横折时有时无和开卷末期横折严重的现象证实了这一点。图5开卷示意图开卷过程的曲率半径不可控,但矫直机的弯曲半径是可控的,矫直机的矫直辊径虽小,但弯曲曲率半径取决于上下矫直辊的重合量(图6)。由上述分析可知,弹塑性弯曲变形有很大一个范围,即由图3(b)过渡到图3(c)的整个过程都属于弹塑性变形区,根据材料力学的推导,只有当塑性变形区大于1/3时,其塑性变形才有可能大于弹性恢复。因此可以认为,只有超过这一阶段
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