寶鋼冷軋板粘結(jié)成因分析及消除對策探討

1、寶鋼冷軋板粘結(jié)成因分析及消除對策探討黃皆捷吳彬摘要：分析了寶鋼冷軋薄板粘結(jié)的形成原因，與生產(chǎn)中各工序產(chǎn)生的應(yīng)力和帶鋼本身的物理性能有關(guān)，即與軋機卷取應(yīng)力、軋后冷卻應(yīng)力、板形應(yīng)力、板凸度應(yīng)力、退火過程內(nèi)在熱應(yīng)力、平整開卷應(yīng)力、帶鋼表面粗糙度和帶鋼的強度有關(guān)通過對相關(guān)因素的討論，找出了實際生產(chǎn)中解決粘結(jié)問題的方法，實施后取得了顯著成效關(guān)鍵詞：冷軋帶鋼；粘結(jié)；應(yīng)力Analysis of the causes of sticking of cold rolled strip and research on elimination measuresHUANG Jie-jie,WU Bin(Cold Ro

2、lling Dept., Baoshan Iron & Steel(Group) Co., Shanghai 200941,China)Abstract:The sticking of cold rolled strip is related with the physical properties of strip itself and stress, which is induced by coiling, cooling, harmful shape, convexity, annealing, uncoiling and the coarse degree of strip s

3、urface and strip strength. The measures of eliminating sticking are found after analyzing these factors, and the application result is effective.Keywords:cold rolled strip; sticking; tress冷軋薄板的粘結(jié)是寶鋼冷軋產(chǎn)品的主要質(zhì)量缺陷之一，嚴重影響了寶鋼冷軋產(chǎn)品的收得率和O5板的質(zhì)量為此，對其形成機理及防止對策進行了探討1帶鋼粘結(jié)的應(yīng)力-溫度曲線帶鋼粘結(jié)產(chǎn)生的機理是:卷緊的鋼卷在罩式爐退火過程中，在高溫條件下由于

4、應(yīng)力作用，邊界原子相互滲透因而使帶鋼層與層之間產(chǎn)生粘連和焊合現(xiàn)象在實驗室中，應(yīng)用疊片試驗，通過高溫加壓，可測出不同溫度對帶鋼發(fā)生粘結(jié)的臨界應(yīng)力，從而繪出帶鋼粘結(jié)的應(yīng)力-溫度曲線不同鋼種，其曲線略有不同一般強度高的鋼種，在相同溫度時粘結(jié)應(yīng)力略高在粘結(jié)應(yīng)力-溫度曲線中，溫度越低，曲線變化越平緩；溫度越高，應(yīng)力值下降越快用該曲線可預(yù)測粘結(jié)的發(fā)生在退火過程中，應(yīng)使帶鋼層與層之間的徑向應(yīng)力值落在曲線的下方安全區(qū)域帶鋼粘結(jié)的形成與各工序產(chǎn)生的應(yīng)力及帶鋼本身的物理性能有關(guān)，包括軋機卷取應(yīng)力、軋后冷卻應(yīng)力、板形應(yīng)力、板凸度應(yīng)力、退火過程內(nèi)在熱應(yīng)力、平整開卷應(yīng)力、帶鋼表面粗糙度和帶鋼的強度圖1粘結(jié)應(yīng)力-溫度曲線

5、2帶鋼卷取張應(yīng)力及影響因素2030mm冷連軋機的卷取特點：鋼卷直徑為6101049mm時，張力為卷取設(shè)定值的150%;在10501100mm段，張力線性下降；在11512470mm段，采用設(shè)定張力卷取把每層鋼卷想像成理想狀態(tài)，即薄壁筒，計算層與層之間的徑向壓應(yīng)力除去邊部一小部分帶鋼，則中部處于平面應(yīng)變狀態(tài)根據(jù)彈性力學理論，切向張應(yīng)力1=q,即徑向應(yīng)力值與卷取張應(yīng)力值相等卷取張應(yīng)力的影響因素：（1）板形的影響在生產(chǎn)過程中，帶鋼不可避免地存在局部浪形，因此沿帶鋼寬度方向的卷取張應(yīng)力不可能處處均布，假設(shè)全寬1000mm的帶鋼，距兩側(cè)邊100mm范圍內(nèi)各有縱向間距1000mm、高4mm的邊浪，則帶鋼中

6、部與邊部的應(yīng)力差為6.40MPa；如果原帶鋼單位卷取張力設(shè)定為32.00MPa,則中部張應(yīng)力為31.28MPa；邊部張應(yīng)力為24.88MPa故帶鋼板形對卷取張應(yīng)力的分布起到了不可忽視的作用當板形極差，會造成浪形處卷取張應(yīng)力為0，無浪形處的張應(yīng)力將可能遠大于單位卷取張力，即造成鋼卷局部徑向應(yīng)力1較大（2）軋后冷卻的影響帶鋼在軋制過程中，其中部和邊部的受熱和散熱狀況不同，一般而言，軋輥中部溫度高，故帶鋼中部易受熱，而在末機架出口，假設(shè)乳化液吹掃極干凈，其中部散熱相對較慢，故在板形測量儀處測得的板形，是帶鋼軋后熱態(tài)板形，這時帶鋼中部與邊部的溫差一般為25，帶鋼卸卷冷卻后，隨著板溫各個部位的趨同，卷取

7、張應(yīng)力的分布將有所改變，2表示線性溫降對卷取張應(yīng)力的影響：2=ET(2)式中，E為彈性模量，此值為200×103MPa;為帶鋼的熱脹系數(shù)，低碳鋼為14×10-6;T表示帶鋼與邊部點（距邊部25mm）在通過板形儀時的溫差則2=5.614MPa由此可見，帶鋼軋后溫度的分布對卷取張應(yīng)力分布的影響不可忽視，如果軋機設(shè)備出現(xiàn)異常，中間板溫明顯過高時，其卸卷冷卻后，中部卷取張應(yīng)力將成倍于軋機設(shè)定的單位卷取張力3鋼卷在罩式爐退火過程中的應(yīng)力分析（1）基本熱應(yīng)力分析在罩式爐退火過程中，鋼卷在爐內(nèi)立放，層與層之間包緊致密，沒有相對位置變化，故可先作為整體考慮由熱彈性理論可知，徑向應(yīng)力r=h+

8、t（3）式中，h為熱應(yīng)力；t為彈性應(yīng)力圖2鋼卷示意圖對于鋼卷退火，一般在800以下，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不受溫度影響，其模型可簡化為熱彈性準靜力問題由于帶鋼除邊部小部分外，中部處于平面應(yīng)變狀態(tài)，故模型為平面應(yīng)變狀態(tài)下的熱彈性準靜力問題，則考慮鋼卷外側(cè)的邊界條件：r=0,有(4)式中，T1為鋼卷內(nèi)孔側(cè)壁溫度；T2為鋼卷外側(cè)溫度；T3為鋼卷單側(cè)中心點溫度（在加熱過程中，其溫度為鋼卷中最低，而冷卻時則為最高，一般稱冷點）；r1為鋼卷內(nèi)半徑；r2為鋼卷外半徑；r3為冷點半徑由于寶鋼罩式爐退火時，鋼卷內(nèi)徑為610mm,外徑最大值為2470mm,則可簡化為：n=0.056E7.5(T1-T2)-2.6(T3-T2

9、)（5）根據(jù)寶鋼生產(chǎn)中試驗用爐臺熱電偶測定值，計算冷點在加熱段和冷卻段熱應(yīng)力值，結(jié)果得出：無論在加熱段還是冷卻段，熱應(yīng)力在冷點均為正值，但隨內(nèi)外溫差的增大，冷卻段的熱應(yīng)力將變得很大，為卷取張應(yīng)力的810倍（2）影響熱應(yīng)力的因素從式（4）中發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)力值主要取決于T1、T2、T3的溫度差在加熱段，由于罩式爐本身氣流的特點，T1、T2溫差不會很大，所以主要依靠縮小T3、T2溫差來實現(xiàn)減小熱應(yīng)力在冷卻段，三者溫差均很關(guān)鍵，溫差越小，越有利于減小熱應(yīng)力通過對加熱段和冷卻段的計算分析得出，由于加熱段T1、T2和T3、T2的溫差相互正負補償作用明顯，故其熱應(yīng)力值遠小于冷卻段，因而可知：寶鋼罩式爐冷卻開始階

10、段的熱應(yīng)力是造成鋼卷發(fā)生粘結(jié)的主要原因減少T3、T2溫差，使溫度在鋼卷中盡可能均勻分布，其主要影響因素有：（1）鋼卷退火過程中罩式爐保護罩內(nèi)的熱傳導性鋼卷在罩式爐退火過程中，由于層與層之間的熱阻很大，故主要導熱方式是通過上下端面進行的，上下端面導熱量越大，帶鋼內(nèi)溫度分布越均勻，否則將導致T3與T2的巨大溫差為增加上、下端面的導熱量，最好的辦法是增加流經(jīng)上、下端面的保護氣體流速，從而加強端面導熱增加氣流流速的方式：增大罩式爐底循環(huán)風機功率及轉(zhuǎn)速；適當減薄對流板的厚度，使氣體流速和氣流熱效應(yīng)有效高度呈最佳組合（2）鋼卷加熱和冷卻的速率鋼卷退火冷卻段速率適當放慢，尤其是冷卻開始段，當鋼卷溫度很高時，

11、要保證爐內(nèi)保護氣體充分循環(huán)，使鋼卷內(nèi)部溫度分布均勻現(xiàn)在寶鋼罩式爐作業(yè)區(qū)有3種類型的退火爐，分別為LOI3%氮氫爐、LOI全氫爐、EBNER全氫爐，其退火曲線及數(shù)學模型由外商提供寶鋼認真對比研究了3種工藝退火曲線，從鋼卷退火過程中升、降溫均勻性出發(fā)，取長補短，進行了改進，最終確定了較符合寶鋼生產(chǎn)實際的、較合理的退火曲線4帶鋼板凸度分析帶鋼板凸度的分布和大小極大地改變了鋼卷的徑向應(yīng)力分布如果帶鋼呈理想狀態(tài)，厚薄絕對均勻，則徑向力如（1）式所示，即為卷取張應(yīng)力事實上，由于存在帶鋼凸度，中部徑向應(yīng)力遠大于理想狀態(tài)由于板形凸度分布的多樣性和測量問題，目前尚不能對其徑向應(yīng)力有較合理的計算分析由生產(chǎn)數(shù)據(jù)來分

12、析，寶鋼熱軋來料2%的凸度是一個臨界點，凸度大于2%的鋼卷粘結(jié)發(fā)生率幾乎為小于2%時的2倍5帶鋼表面粗糙度帶鋼表面粗糙度有2個表征量，一個是粗糙度大小讀數(shù)Ra,另一個是單位面積峰值數(shù)PPI相同的Ra讀數(shù)會有不同的PPI值實驗測定，粗糙度Ra數(shù)值越大，越有利于避免粘結(jié)，這是因為粗糙度值增大了鋼卷層與層間界面原子間的結(jié)合阻力實驗統(tǒng)計結(jié)果顯示，相同的Ra值時，PPI值也有較明顯的影響力，過大或過小的PPI值，均不利于避免粘結(jié)，這與邊界微觀外貌造成的界面原子間的結(jié)合能大小有關(guān)6平整開卷應(yīng)力平整開卷應(yīng)力主要是指瞬間的開卷張應(yīng)力粘結(jié)雖然是帶鋼層與層的粘連，但適當?shù)拈_卷角度非常關(guān)鍵，即使開卷張力不變，適宜的

13、開卷角度仍對避免粘結(jié)有一定作用開卷時，應(yīng)盡可能使帶鋼沿鋼卷切向打開，使張應(yīng)力中的切向分量盡可能大些，通過切向應(yīng)力使帶鋼層與層間的附著有所松動較大的法向開卷應(yīng)力會造成粘連帶鋼的開卷拉損，出現(xiàn)粘結(jié)印跡，嚴重影響帶鋼外觀在平整過程中，增大平整量也有利于修復發(fā)生粘連的帶鋼表面，但不利于產(chǎn)品的深沖性能考慮到金屬變形的硬化效應(yīng)，可提高平整速度，通過瞬間開卷大變形，提高帶鋼的抗拉強度，從而避免帶鋼表面平整時的受力損傷7板形的再分析前面討論了板形對鋼卷徑向應(yīng)力的影響，但并不完全上述討論引伸出的結(jié)論是：中浪板形有利于減輕帶鋼中部的徑向應(yīng)力，從而緩和中部粘結(jié)而寶鋼的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，中浪板形反而易引發(fā)粘結(jié)，其原因有2

14、點：（1）中浪板形在卷緊后，造成帶鋼層與層間接觸面的貼合不完整，從而使徑向壓應(yīng)力分布不均，局部徑向壓應(yīng)力增大，而較大中浪造成的較大徑向壓應(yīng)力促使了粘結(jié)的發(fā)生（2）邊浪板形一般使邊部帶鋼變薄，出現(xiàn)微小的縫隙，有利于罩式爐內(nèi)保護氣體這一導熱介質(zhì)進入并交換熱量，而中浪板形不僅阻止了導熱介質(zhì)進入，同時由于中部微小縫隙的存在，增大了帶鋼層與層間的熱阻，反而阻礙了沿內(nèi)外徑熱量的導入，造成了較大的熱應(yīng)力8對策和效果從上述研究分析中，可以得出：在寶鋼，所有形成粘結(jié)的原因中，罩式爐加熱過程中形成的熱應(yīng)力是很關(guān)鍵的因素從初步理論計算可知，目前其熱應(yīng)力相當于卷取張應(yīng)力的810倍因此，欲解決粘結(jié)問題，不能單純用減小卷

15、取張力的辦法，而減小熱應(yīng)力是當務(wù)之急與此同時，其它影響因素也不可忽視從上述分析中可知，如當板形應(yīng)力在板形極差時，其影響是卷取張應(yīng)力的幾倍當解決了熱應(yīng)力問題后，其它因素會變得突出，其很小的影響可能會造成較大后果寶鋼解決粘結(jié)問題采取了以下措施：（1）保證生產(chǎn)過程中冷軋機組末機架工作輥的粗糙度，保證軋機出口鋼板表面粗糙度；（2）冷軋機出口板形必須是微邊浪，不允許中浪板形流入罩式爐（3）規(guī)定薄料在平整時采用穿S輥的平整方式（4）提高平整速度；（5）在罩式爐生產(chǎn)時，采用新的退火工藝操作規(guī)范；（6）在保證后道機組生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，盡可能減小軋機出口卷取張力作者簡介：黃皆捷（1968）男（漢族），上海人，高級工程師，從事冷軋綜合技術(shù)主管工作作者單位：寶山鋼鐵(集團)公司冷軋部，上海200941參考文獻1杜慶華、余壽文，姚振漢著彈性