连续退火过程中带钢热瓢曲产生的机理

第19卷第1期 塑性 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学报 V01．19No．1 2012年2月 JOURNALOFPLASTICITYENGINEERINGFeb．2012 doi：10．3969／j．issn．1007—2012．2012．01．020 连续退火过程中带钢热瓢曲产生的机理* (燕山大学机械工程学院，亚稳材料制备技术与 白振华 科学国家重点实验室，秦皇岛066004) (宝钢股份有限公司不锈钢事业部，上海 (首钢总公司设备部，北京 石晓东 马续创 200431) 100043) 张％％ 胡宝福 傅耀湘 周 利 摘要：针对带钢连续退火过程中的热瓢曲问题，结合连续退火机组的设备特征及生产工艺特点，克服以往研究中 忽略炉辊转动对与炉辊接触部分带钢受力影响的弊端；提出带钢上第一、第二横向压应力区的概念，运用非线性有 限元软件MSC．Marc以加热段为例，对连退过程中带钢的受力和变形情况进行动态模拟，详细分析热瓢曲发生与 发展的过程及其产生机理，为现场热瓢曲的治理，提供了有益的参考。 关键词：连续退火；瓢曲；有限元模拟；横向压应力；屈曲 中图分类号：TGl56．26文献标识码：A 文章编号：1007—2012(2012)01—0097—06 Researchonthemechanismofstripbucklingin continuousannealingprocess BAIZhen-huaSHIXiao-dongZHANGYan-yanMAXu-chuangHUBao-fu (CollegeofMechanicalEngineering，StateKeyLaboratoryofMetastableMaterialsScience andTechnology，YanshanUniversity，Qinhuangdao066004China) FUYao-xiang (StainlessSteelBranchofBaosteelCo．，Ltd，Shanghai200431China) ZHoULi (ShougangEquipmentDepartment，100043BeijingChina) Abstract：Inallusiontotheproblemofstripwrinklingincontinuousannealingprocess，takingintoaccounttheequipmentand technologycharacteristicsofCAPL(continuousannealingproductionline)．theconceptofthefirstandsecondtransversecom- pressivezonewasadvanced．Theeffectoftherotationoffurnacerollerontheforceatthecontactingpartofstripwhichwasneg— lectedbeforewasconsidered．TheforceanddeformationofstripinheatingzoneofCAPLwassimulatedusingnonlinearfiniteele— mentsoftwareMARC．Theformationanddevelopmentofbucklinganditsemergencemechanismwereanalyzedindetail．which canprovideusefulreferenceformanagementatspot． Keywords：continuousannealing；buckling；finiteelementsimulation；horizontalcompressivestress；buckling *河北省自然科学基金资助项目(E2011203019)；河北 省教育厅第二批百名优秀创新人才支持计划资助项目 (CPRC018)。 白振华E-mail：bai—zhenhua@yahoo．corn,cn 作者简介：白振华，男，1975年生，教授，研究方向为 机械设计及自动化、轧钢设备及工艺、板形控制及自动化 收稿日期：2011-11-20；修订日期：2011—11—30 引 言 近年，随着家用电器、汽车、电子、航天等行 业的巨大需求，使板带生产工业获得了迅猛发展。 而连续退火机组由于采用了快速加热、高温退火、 快速冷却、过时效处理等技术，能够将清洗、退火、 平整、精整等工序合而为一，在较低的成本下生产 出平直度好、性能均匀、 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面清洁度高的产品，从 万方数据 塑性工程学报 第19卷 而获得了迅速的发展。与此同时，热瓢曲作为影响 连退机组稳定生产的主要技术难题，已成为连退工 业进一步发展的“瓶颈”。发生热瓢曲缺陷会在带钢 表面产生褶皱，甚至造成断带。在对故障处理时， 有时需要打开炉盖拉出带钢，重新开炉时，炉内气 氛要进行置换，因此故障处理时间较长，严重影响 机组的生产效率。 对于热瓢曲产生的机理，自上世纪80年代就有 文献[1-8]进行了较多的探索，并取得较大的进展， 为现场热瓢曲的防治提供了有益的参考。近年来， 随着连退工艺的发展、现场技术人员操作经验的积 累，以及对连退生产过程的深入研究，对以往的热 瓢曲理论o。93提出了较大的质疑，发现在炉辊表面温 度、炉辊热凸度等控制良好的前提下仍有瓢曲发生； 另外，以往研究中所强调的带钢失稳屈曲仅局限在 弹性范围内，且未体现出炉辊粗糙度的关键影响。 本文提出了带钢上第一、第二横向压应力区概念， 模拟出了炉辊转动状态下的热瓢曲发生与发展过程， 并给出热瓢曲产生的力学和变形机理，为现场热瓢 曲的治理提供了理论依据。 1．带铜厚度扫0．2： 2．带锅竟度B=1050 图1模型尺寸示意图／mm Fig．1Schematicofdimensionsinnn 一=孑剥 图2模型阿格划分 Fig．2Meshingapproachofmodel 1连退过程炉内带钢受力及变形有限 元模型的建立 2连退过程中带钢受力与变形分析 为定量分析连退生产过程中炉内带钢受力及变 形情况，以某1850连退机组为例，利用MSC．Marc 软件建立相关模型。在模型中采用实际设备参数， 炉辊采用锥形辊，辊身全长1850mm。其中，平直 段长度400mm、半径220mm、锥度段最小半径 219mm。并以厚度为0．2mm、宽度为1050mm的典 型规格产品为例进行模拟计算，如图1所示。同时， 考虑刭应力的均匀问题，对模拟计算中炉辊人1：3侧 的带钢长度取6000mm、出口侧取3000mm。并且， 根据屈曲和瓢曲过程中薄板的应变与位移是非线性 关系的特点，在MSC．Marc中选用了考虑高次项的 薄壳单元，厚度方向设为5层，详细单元划分如图 2所示。考虑到带钢沿中心线的对称性，取带钢宽 度的t／2进行分析。 在模拟过程中，将带钢定义为弹性体、炉辊定 义为刚体。同时，在带钢纵向对称中心线节点上施 加横向对称约束；在两截断边上，分别施加绕宽度、 厚度方向转动的约束。 在以往的相关研究中呻]，通常设定炉辊为未转 动状态，并在带钢两端施加恒定载荷，以此来分析 带钢的受力和变形情况。采用该方法的弊端，是忽 略了炉辊转动对与炉辊接触部分带钢受力的影响， 因而不能真正模拟出带钢瓢曲所产生的塑性褶皱， 所得结果与实际情况相差较远。为了更准确的分析 连退过程中带钢的受力与变形情况，本文充分结合 连退生产的工艺特点，在首次提出第一，第二横向 压应力区的概念基础上，将整个模拟过程分成炉辊 未转动与转动两个步骤进行，研究两区域内压应力 的产生基础，及其对带钢变形的影响，为研究热瓢 曲产生机理奠定基础。 2．1炉辊未转动时带钢的受力及变形 在模拟过程中，对于炉辊不转动的情况，在图 1所示的B边上施加25MPa的恒定载荷，A边上约 束其长度方向位移。 2．1．1第一横向压应力区的初步形成 当炉辊不发生转动时，如图3所示，在带材和 炉辊的接触处，与炉辊锥度段对应的带钢在受到拉 万方数据 第1期 白振华等：连续退火过程中带钢热瓢曲产生的机理 99 应力作用时发生小角度转动，有向锥面贴合的趋势， 这就使转动部分带钢对其转动方向上的带钢产生压 应力一t。为方便分析，将其定义为第一横向压应 力。受炉辊约束和带钢对称性约束，该压应力会在 带钢与炉辊接触区附近形成一个横向压应力值较大 的局部区域，形成第一横向压应力区。图4为对图 1中B边上施加25MPa的恒定载荷后，带钢上横向 压应力分布云图。 图3第一横向压应力区形成示意图 Fig．3Schemeoftheformationofthefirst horizontalcompressivezDne Inc：47 rimc：1020e+OOI 1 图4第一横向压应力区应力云图 Fig．4Cloudchartofstressdistributioninthe firsthorizontalcompressivezone 由图4可以看到第一横向压应力区的存在。研 究发现，在带钢截断边上施加的张力与此区域内最 大横向压应力有如下函数关系： d1=24．39·(1一eo·”5’(12．8IF)) (1) 式中F——图l中B边上所施加的恒定载荷 对于当前模型，当该恒定载荷超过一定数值时， 此处最大横向压应力将基本不再发生变化。当炉辊 转动时，该区域应力数值将发生较大变化。 2．1-2靠近炉辊处带钢上的第二横向压应力区 由于炉辊两端存在锥度，因此带钢在宽度方向上 与炉辊的接触状态并不相同，这样就造成靠近炉辊处 的带钢在宽度方向上所受拉应力的不均匀分布。在 图1的1—1截面上，与炉辊平直段(0mm～200mm)相 对应的带钢所受拉应力较大，且较为均匀．而与锥度 段(200mm～525mm)对应的带钢所受的拉应力则逐 渐减小，受力较大的带钢伸长量加大．故上述拉应力 分布特点会诱使带钢内产生因伸长量不同而出现的 斜向拉力，该拉力的分力将产生横向压应力。为方便 分析，将其定义为第二横向压应力，其所在区域即为 第二横向压应力区，如图5所示。该横向压应力会引 起炉辊附近带钢宽度方向上的失稳弹性屈曲。 ———一 。’一l r。—～ L＼ ——一栅‰ 第 一压 匿 豳 玎m瓣_：f：f弹仃m 向 区 图5第二横向压应力区形成不意图 Fig．5Schemeoftheformationofthesecond horizontalcompressivezone 由圣维南原理可知，在远离炉辊一段距离后(距 炉辊中心约2m～3m)，带钢宽度方向上的拉应力分 布逐步趋于均匀，因此第二压应力区也会消失。 由图6可以看到，在B边上恒定载荷加载过程 中，板面上出现的第二横向压应力区。实际上，较 小的压应力即可引起板面屈曲，随着外载荷不断增 大，屈曲幅度也将加大。 图6第二横向压应力区应力云图 Fig．6Cloudchartofstressdistributioninthe secondhorizontalcompressivegone 模拟过程中出现的屈曲范围较大，且始终处于 弹性状态，并且未发生塑性变形。这一弹性屈曲是 引起瓢曲发生的一个重要条件。 2．2炉辊转动对带钢受力和变形的影响 实际生产中，炉辊处于不断转动状态，因此在模 拟瓢曲发生过程中必须考虑这一因素的影响。在炉 ++++十++++++：}：掩k。；拈弛k舵挑赴l；；眦w¨舯∞％m￡!∞箱嘶；}}! 曲他砬艘毗札虬儿帅帕艟昕{{篇篇湍粼燃篇 _蓦n E目目lIlll-l-__ 万方数据 100 塑性工程学报 第19卷 辊未转动情况下，以上所述两处横向压应力区和发生 的弹性变形，并不能造成瓢曲事故中带钢上的塑性褶 皱。为进一步研究炉辊转动时带钢的受力和变形变 化，定义其基本边界条件为，在图1的B边上施加 25MPa的恒定载荷；在炉辊控制节点上施加约束，使 其可绕轴线转动；A边上分步施加1500mm的位移。 2．2．1第一横向压应力区的压应力值变化及组成 由第二压应力区形成的弹性屈曲在延伸至第一 压应力区后仍存在一定程度的微小屈曲。炉辊转动 时，带钢逐渐往辊上运动，具有微小屈曲部分的带 钢在与炉辊表面接触后会逐渐展平，但炉辊和带钢 之间的摩擦力会阻碍带钢的横向移动。由于展平的 过程同样发生在带钢与炉辊刚接触的区域，所以摩 擦力的阻碍作用会使第一横向压应力区的压应力值 增大。因此，由带钢横向展平而产生的摩擦反力， 是第一横向压应力区内压应力的另一主要来源。图 7所示为带钢逐渐往辊上运动过程中，第一横向压 应力区内最大压应力值的变化，增大后的压应力值 约是初值的2倍。 I 杂 翻 嘲 ·叵 颦 斗< 孵 ⋯⋯I⋯⋯j⋯⋯．i。一一、』⋯、』～一一l～一一i⋯一，；1i’；¨|l力≮小∥ ⋯⋯{¨～护一卡⋯一r—r⋯f⋯、r⋯ Zl 一一⋯、}⋯’7、．r⋯～“{⋯⋯～一⋯T一⋯T⋯⋯r～一一 l，； ￡／ ；／ ≯ ⋯⋯寸⋯一卜一F⋯⋯“磐⋯了⋯r一” 一’l一～L⋯L— ／； ≯o、⋯{⋯。k⋯、 O50l∞1502∞250300350400450500 带钢位移，衄 图7第一横向压应力区内最大压应力值的变化 Fig．7Changeofthemaximumstressinthe firsthorizontalcompressivezone 考虑到带钢与炉辊之间的温差造成的带钢宽度 方向的热应力，第一横向压应力区内的应力值为： 盯f—d1+0"2+0"3 (2) 式中 巩——炉辊锥度段对应带钢向锥面贴合所产 生的应力 现——带钢横向展平过程中与炉辊的摩擦反 力所造成的横向压应力 cr3——带钢与炉辊之间的温差造成的带钢宽 度方向的热应力 2．2．2带钢上弹性和塑性屈曲的变化与积累 在正常情况下，具有微小屈曲的带钢在与炉辊 接触后会完全展平。但当B边所加张力过大或炉辊 表面摩擦力过大等情况发生时，该微小屈曲将会逐 渐积累。图8是B边(见图1)所加张力为25MPa 时，随着炉辊转动和带钢移动，在1-I截面(即带 钢与炉辊初始接触处)上带钢的厚度方向位移变化。 g 0．25 簿 袋0．00 瞧= 椒 釜-o．25 —0．50 2．O ．√4 ＼ ＼ ＼ 、．r N． 。≮ O50100150200250300珈400450500550 距带钢对称中心距离／mm a i 7； l{ 。zi，‘ ^、i 050100150200250300350400450500550 距带钢对称中心距离／mm b ．{ 一～J5一 √， -●●．．‘ O501001502002503∞350400450500550 距带钢对称中心距离／mm C O50100150200250300350400450500550 距带钢对称中心距离／mm d 图8带钢不同位移量时1—1截面上厚度方向位移 a)Omm位移；b)300mm位移；c)900mm位移；d)1200mm位移 Fig．8Displacementinthethicknessdirectionof1-1 crosssectionbythedifferentdisplacementofstrip 5 O 5 O 5 l 1 O O O a目、稳牮厦椒谜卧 ， 5 O 5 O 5 O 5 O 5 3 3 2 2 l l O O O d目、楼牮暹椒憾耻 弱 驰 弱 ∞ 弱 加 筋 ∞ 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 5 5 4 4 3 3 2 2 l l O O O I、镄堪幔钕魁卧 万方数据 第1期 白振华等：连续退火过程中带钢热瓢曲产生的机理 101 距带钢中心omm～200mm范围内，是炉辊平 直段对应的带钢。通过图8可以看出，在初始阶段， 距带钢中心约60mm～70mm处，有一个微小屈曲， 其屈曲的幅度随着带钢位移而不断积累增大 (1500mm：0ram时增大约40倍)。实际上这个屈曲 在带钢移动95mm时即开始产生塑性变形，在此之 前是一个弹性屈曲的积累过程；而后是塑性屈曲的 积累，也是初期瓢曲的发生和发展过程。另外，在 距带钢中心200mm处也出现了一个逐渐累积的微 小屈曲，但达到一定程度时就不再变化，且没有发 生塑性变形。但当张力足够大时，在该位置上也会 发生类似的弹性和塑性屈曲的累积。 实际上，带钢的微小屈曲无法完全展平，不仅 造成第一压应力区内压应力值在一定范围内持续增 大．而且造成靠近炉辊处带钢宽度方向上的拉应力 分布更加不均匀，并在屈曲发生处出现剧烈变化。 因此，增大后的横向压应力和拉应力，是引起带钢 塑性变形的力学基础。 随着炉辊转动和带钢位移，带钢的屈曲程度和 塑性变形程度逐渐加深，如图9所示。并且已经发 生较大屈曲变形的带钢会对其后的带钢产生收紧的 趋势，使得瓢曲更易不断发展，最终形成褶皱外观 明显、对带钢品质具有严重影响、对连续退火生产 具有重大危害的瓢曲缺陷。图10为瓢曲发生后带钢 的塑性主应变云图。 目 蠢 毯 K 葺 _叵 椒 越 班 ： l ! ： ， 一十厚度方向最大位移 -鼍戋|一等效塑性应变 ：i—i⋯茏艺≯； i：彰譬i≯_ ，影!}!1 0 200400600800100012001400 带钢位移／mm 图9 1-l截面上厚度方向最大位移和塑性主应变的变化 Fig．9Changeofthemaximumdisplacementinthickness directionof1-1crosssectionandtheprincipalplasticstrain 3热瓢曲产生机理分析 综上所述，连退生产过程中热瓢曲产生的过程 和机理为： 1)带钢经过加热，其弹性模量和屈服强度都受 高温影响而降低啪。使得带钢易于发生塑性变形， lnc·343 TIme：2501k411Ⅷ 图10塑性主应变云图 Fig．10Cloudchartoftheprincipalplasticstrain 这是热瓢曲发生的前提。 2)由于炉辊锥度而在带钢上造成的第一、第二 横向压应力区，对带钢的受力和变形产生了很大影 响，其中，第二横向压应力区内的压应力使炉辊附 近带钢发生失稳弹性屈曲，这是其后第一横向压应 力区内应力值增大以及瓢曲发生截面上弹塑性屈曲 积累的根源。在第一横向压应力区内增大的压应力 与对应处的拉应力共同作用下，屈曲处的带钢发生 了塑性变形，即开始产生瓢曲。 3)随着带钢位移不断增大，塑性屈曲程度也不 断积累加深．最终发展为对带钢品质产生严重影响、 对连续退火生产具有重大危害的塑性褶皱。瓢曲发 生后，已发生较大塑性屈曲变形的带钢会对其后接 近炉辊处的带钢产生收紧趋势，促使瓢曲不断发展。 实际上，由于带钢运行速度较大，以上所描述 的变化均发生在极短时间内，宏观上表现为带钢上 大幅度的弹性屈曲在绕上炉辊时急速转变为不可恢 复的塑性褶皱，即所谓宏观热瓢曲。 4相关技术的现场应用 作为现场实际科技攻关项目的一部分，本文所 述相关热瓢曲机理方面的研究成果已经成功应用于 某1850和2030连退机组。其中，某1850连退机组 根据本文研究结果，使得现场因热瓢曲而断带的次 数从立项前的平均2次／月，下降到0．1次／月；某 2030连退机组采用本文所述模型对原生产工艺 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 进行了优化与完善，使得故障时间从原来的月平均 41．56h，逐步下降到14．82h／月，下降了64．3％。月 平均断带次数从原来的1．56次／月，下降0．22次／ 月，下降了85．9％．为企业带来了较大的经济效益。 流悲装裟裟～ 杈趔举剥较珈 万方数据 102 塑性工程学报 第19卷 5结论 1)在连续退火过程中，带钢上存在两个机理不 同、影响结果各异的横向压应力区。其中第二横向 压应力区的压应力将引起板面大幅度的弹性屈曲， 而带钢与炉辊初始接触处的第一横向压应力区内增 大后的压应力，可以和对应处的拉应力共同作用， 引起带钢热瓢曲。 2)热瓢曲发生前，在瓢曲发生位置处存在弹性 屈曲的积累过程，该屈曲又进一步影响其周围的拉 应力和横向压应力的大小和分布，从而诱发瓢曲； 瓢曲后，该位置处存在塑性屈曲的积累。 3)第一、第二横向压应力区概念的提出，清晰 的描述了连续退火过程中带钢的受力与变形状态， 为炉辊辊形优化设计、炉内张力优化等热瓢曲治理 技术的开发，奠定了坚实的理论基础。 参考文献 [1]TMatoba．Effectofrollcrownonheat-Bucklingand strip-walkincontinuousannealingprocessingline． CAMP-ISIJ，1992．(5)：1459-1462 [2]YoshiyukiKaseda．Controlofflatnessdefectsandwarp inprocessingplant．CAMP_ISIJ，1992．(5)：1463—1466 [3]TSasaki，THira，HAbe，etaLControlofstripbuck— lingandsnakingincontinuousannealingfurnace．Ka— wasakiSteelTech，1984．16(1)：37—45 [4]NJacques，AElias，MPotier-Ferry，eta1．Bucklingand wrinklingduringstripconveyinginprocessinglines． JournalofMaterialsProcessingTechnology，2007．190： 33 [5]戴江波．冷轧宽带钢连续退火生产线上瓢曲变形的研 究[D]．北京：北京科技大学，2005 [6]张清东，刘赞赞，周晓敏等．带钢在连续退火过程中的 板形屈曲变形原因分析．上海金属，2005．27(4)：27— 29．33 [7]戴江波，张清东，陈先霖等．连续退火炉内带钢的热态 大挠度变形分析．机械工程学报，2003．39：71—74 [8]许永贵，陈守群，孙中建．CAPL炉内带钢热瓢衄机理 的探讨．华东冶金学院学报，1994．11(2)：1-6 [9]赵永生，许永贵，顾锦荣等．加热室炉温对带钢热瓢曲 影响的研究．华东冶金学院学报，1994．11(2)：81—88 (上接第96页) [5]YChuman，KMimura，KKaizu，eta1．Sensingblock methodformeasuringimpactforcegeneratedatacon— tactpart[J]．IntJImpactEng，1997．19：165—174 [6]HSShin，HMLee，MSKim．Impacttensilebehavior of9％nickelsteelatlowtemperature[J]．IntJImpact Eng，2000．24：571—581 [7]方健，周冶东，魏毅静．汽车用金属板材冲击拉伸响应 性能的实验研究[J]．宝钢技术，2008．(6)：48—51 [8]ISO14556：2000Steel-charpyV-notchpendulumim— pacttest-Instrumentedtestmethod [9]WBleck，PLarour，ABaumer．Highstrainratetensile testingofmoderncarbodysteels[A]．in：NieJF，Bar— nettM(Eds．)MaterialsForumVolume29，Instituteof MaterialsEngineeringAustralasiaLtd，2005：21—28 E103CharacterizationofFatigueandCrashPerformanceof NewGenerationHigh-strengthSteelsforAutomotive Applications[C]．AISI／DOETechnologyRoadmap Program，FinalReport，January2003，PreparedforU． s．DepartmentofEnergy，issuedbyAmericanIronand Stee】Institute 万方数据