D0I:10.13374/i.issnl00It03.2007.04011 第29卷第4期 北京科技大学学报 Vol.29 No.4 2007年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2007 退火冷轧钢卷开卷时表面横折印问题 韩广秀张杰曹建国侯福祥吴长春杨光辉 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要冷轧带钢钢卷在平整机上开卷时，带钢表面有时会出现横折印缺陷，为了减小带钢表面的横折印缺陷，通过建立平 整机开卷过程有限元模型，研究了冷轧带钢钢卷在开卷过程中应力的大小分布及影响因素，分析了开卷张力、板厚、粘结程度 和钢卷半径等与产生横折印的关系，提出了减小带钢在打开过程中的反弯和罩式炉中的粘结程度来克服带钢表面横折印缺 陷的途径，并发现增大开卷张力有利于减轻或避免横折印的产生，消除了关于开卷张力与横折印关系的错误认识. 关键词冷轧带钢：表面缺陷：折印：粘结：开卷机 分类号TF306 经过罩式炉退火的冷轧钢卷在平整机上开卷 印缺陷的塑性变形)， 时，带钢表面有时会出现横折印缺陷]，缺陷表 现为宽度方向的横向条纹或指甲状弧形条纹，不仅 肉眼可见，严重时会有手感，厚度大于0.5mm的带 钢易出现这种缺陷6] 一般认为，带钢这种缺陷和钢卷层与层间的粘 结有关，而粘结是在罩式炉内因退火温度过高、升降 温度过快、热胀冷缩不均匀等因素造成的，已发 图1开卷过程示意图 生粘结的带钢在平整机上开卷时，在开卷力作用下， Fig.1 Sketch map of uncoiling process 带钢所受到的应力可能会超过屈服极限发生塑性变 形，在带钢表面产生滑移线形成表面横折印8]，因 开卷过程中带钢这种复杂的变形及应力状态难 此，研究带钢在开卷过程中应力分布及影响因素，对 以直接测量，因此需要采用数值仿真的方法进行研 于解决表面横折印缺陷具有重要意义 究O.本文采用有限元软件ANSYS进行计算.假 设带钢宽度方向的开卷张力和粘结力均匀分布，故 1开卷过程及其仿真模型 可简化为平面应力问题山]. 如图1所示，钢卷在开卷张力T的作用下打 在钢卷的打开区域附近选取一段带钢进行分 开，假设带钢是完全柔性且没有发生粘结，带钢应在 析，该段带钢分为两段，粘结区L1和打开区L2,如 与钢卷相切的α处打开.由于粘结的存在，带钢与 图2所示·在粘结段带钢的下表面施加位移约束， 钢卷的实际打开点在b处，因带钢有一定的刚性， 约束力的极限值为最大粘结力，该力由实际的粘结 故在接近打开处有一段反弯区，将张力T的方向 程度确定，这里用粘结应力表示，L1和L2的长 与钢卷表面过b点切线的夹角定义为展开角0.该 度越大，计算的结果越精确。但实际计算结果表明， 角与粘结强度和张力大小有关：粘结越强，0越大； 当这些长度与带钢厚度的比值大到一定数值时 张力越大，6越小. 显然，在开卷过程中，带钢受到拉、弯联合作用， 处于比较复杂的受力状态，应力大小与开卷张力 (a)施加张力前 T、板厚H、粘结程度、钢卷半径R等有关.当表 MX MN 面应力超过屈服极限时，就可能出现造成表面横折 (b)施加张力前 收稿日期：2006-01-07修回日期：2006-08-28 图2开卷过程计算模型 作者简介：韩广秀(1980-)，女，硕士研究生：张杰(1960-)，男， 教授，博士生导师 Fig.2 Simulating model of uncoiling process
退火冷轧钢卷开卷时表面横折印问题 韩广秀 张 杰 曹建国 侯福祥 吴长春 杨光辉 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘 要 冷轧带钢钢卷在平整机上开卷时带钢表面有时会出现横折印缺陷．为了减小带钢表面的横折印缺陷通过建立平 整机开卷过程有限元模型研究了冷轧带钢钢卷在开卷过程中应力的大小分布及影响因素分析了开卷张力、板厚、粘结程度 和钢卷半径等与产生横折印的关系提出了减小带钢在打开过程中的反弯和罩式炉中的粘结程度来克服带钢表面横折印缺 陷的途径并发现增大开卷张力有利于减轻或避免横折印的产生消除了关于开卷张力与横折印关系的错误认识． 关键词 冷轧带钢；表面缺陷；折印；粘结；开卷机 分类号 TF306 收稿日期：20060107 修回日期：20060828 作者简介：韩广秀（1980—）女硕士研究生；张 杰（1960—）男 教授博士生导师 经过罩式炉退火的冷轧钢卷在平整机上开卷 时带钢表面有时会出现横折印缺陷［1—5］．缺陷表 现为宽度方向的横向条纹或指甲状弧形条纹不仅 肉眼可见严重时会有手感．厚度大于0∙5mm 的带 钢易出现这种缺陷［6］． 一般认为带钢这种缺陷和钢卷层与层间的粘 结有关而粘结是在罩式炉内因退火温度过高、升降 温度过快、热胀冷缩不均匀等因素造成的［7］．已发 生粘结的带钢在平整机上开卷时在开卷力作用下 带钢所受到的应力可能会超过屈服极限发生塑性变 形在带钢表面产生滑移线形成表面横折印［8］．因 此研究带钢在开卷过程中应力分布及影响因素对 于解决表面横折印缺陷具有重要意义． 1 开卷过程及其仿真模型 如图1所示钢卷在开卷张力 T 的作用下打 开假设带钢是完全柔性且没有发生粘结带钢应在 与钢卷相切的 a 处打开．由于粘结的存在带钢与 钢卷的实际打开点在 b 处．因带钢有一定的刚性 故在接近打开处有一段反弯区．将张力 T 的方向 与钢卷表面过 b 点切线的夹角定义为展开角θ．该 角与粘结强度和张力大小有关：粘结越强θ越大； 张力越大θ越小． 显然在开卷过程中带钢受到拉、弯联合作用 处于比较复杂的受力状态应力大小与开卷张力 T、板厚 H、粘结程度 σF、钢卷半径 R 等有关．当表 面应力超过屈服极限时就可能出现造成表面横折 印缺陷的塑性变形［9］． 图1 开卷过程示意图 Fig．1 Sketch map of uncoiling process 开卷过程中带钢这种复杂的变形及应力状态难 以直接测量因此需要采用数值仿真的方法进行研 究［10］．本文采用有限元软件 ANSYS 进行计算．假 设带钢宽度方向的开卷张力和粘结力均匀分布故 可简化为平面应力问题［11］． 图2 开卷过程计算模型 Fig．2 Simulating model of uncoiling process 在钢卷的打开区域附近选取一段带钢进行分 析该段带钢分为两段粘结区 L1 和打开区 L2如 图2所示．在粘结段带钢的下表面施加位移约束 约束力的极限值为最大粘结力该力由实际的粘结 程度确定这里用粘结应力 σF 表示．L1 和 L2 的长 度越大计算的结果越精确．但实际计算结果表明 当这些长度与带钢厚度的比值大到一定数值时 第29卷 第4期 2007年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．4 Apr．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．04．011
.422 北京科技大学学报 第29卷 (L1/H≥40，L2/H≥580)，计算结果已无明显 力、板厚、粘结程度、卷径的关系 差别12] 2.1开卷张力对等效应力的影响 在打开段一端施加开卷张力T,其作用方向0 由于钢卷的打开是在开卷张力T的作用下实 与粘结程度和张力T大小有关.在粘结程度一 现的，所以通常认为开卷张力T越大，带钢的等效 定的情况下，展开角与张力T的大小有关，张力 应力越大，也就越容易发生塑性变形，但仿真结果与 T与的对应关系要通过试算来确定；即先给定一 此相反 个0值，取不同的T值进行试算，当约束处的最大 图5为等效应力随开卷张应力变化的曲线，带 应力等于粘结应力时T为对应0的张力，0随张力 钢的最大等效应力随钢卷开卷张应力的增加不增反 T变化的曲线见图3（图中E为钢板的弹性模量）， 降，出现这种现象的原因是，在开卷时带钢受拉、弯 /2 联合作用，张力T降低虽会减小拉应力但也会使展 E=210 GPa 10 =12mm 开角0增大，而0的增大表明带钢的反弯程度增加， G,=102.2MPa R-0.8m 弯曲应力增大，在一定条件下（如本例情况），弯曲 应力对最大等效应力的贡献大于拉力（张力T)的 6 贡献 323.1 2.0 25 3.0 张应力.o,MPa 322.8 E-210 GPa H-2.5 mm 322.5 G=17.13MPa R-0.8m 图3展开角日与张应力。的关系 322.2 321.9 Fig.3 Relation between uncoiling angle and tensile stress 321.6 3213 15 1201.251.301.35 1.40 2最大等效应力分析 张应力.G,MPa 对于冷轧带钢按Mises屈服条件进行塑性变形 图5开卷张应力。，与等效应力。的关系 分析，在平面应力条件下，其等效应力按下式计 Fig.5 Relationship between uncoiling tensile stress and equivalent 算]， stress =N听-12十呢 2.2板厚对等效应力的影响 式中，o和2为二向应力状态下主平面上的主 图6为最大等效应力随板厚变化的情况，可见 应力， 最大等效应力随板厚的增加而增大，说明带钢越厚 当带钢的等效应力达到屈服强度σ，时，带钢进 越易产生横折印，因计算时采用了相同的张应力 入塑性状态，计算结果表明，最大等效应力出现在 ,所以因厚度增加带来的弯曲应力增加是造成这 带钢表面，且考虑到下表面约束带来的误差，故本文 个结果的根本原因 只分析上表面的应力情况， 340 图4为在开卷过程中带钢上表面等效应力的分 E-210 GPa 310 :=1.17 MPa 布情况，可见最大等效应力发生在x=0点，即图1 G,=17.13MPa R=0.8m 280 中的b点，因此，本文只分析该处的等效应力与张 E=210 GPa 250L 280 H=2.5 mm G,=1.17MPa 220 1.7 2.0 232.6 210 o17.13 MPa R-0.8m 板厚，Hmm 140 图6板厚H和等效应力σ的关系 Fig.6 Relationship between strip thickness and equivalent stress -0.15-0.10-0.0500.050100.15 距增钢中心位置的距离，Lm 2.3卷径对等效应力的影响 图7为带钢最大等效应力随卷径变化的情况 图4带钢上表面等效应力沿长度方向变化情况 可见，最大等效应力随卷径的增大而减小，即卷径越 Fig-4 Change of strip surface equivalent stress along length 小越易产生横折印.这是因为卷径越大，带钢打开
（L1／H ≥40L2／H ≥580）计算结果已无明显 差别［12］． 在打开段一端施加开卷张力 T其作用方向 θ 与粘结程度σF 和张力 T 大小有关．在粘结程度一 定的情况下展开角 θ与张力 T 的大小有关张力 T 与θ的对应关系要通过试算来确定；即先给定一 个θ值取不同的 T 值进行试算当约束处的最大 应力等于粘结应力时 T 为对应θ的张力．θ随张力 T 变化的曲线见图3（图中 E 为钢板的弹性模量）． 图3 展开角 θ与张应力σT 的关系 Fig．3 Relation between uncoiling angle and tensile stress 2 最大等效应力分析 对于冷轧带钢按 Mises 屈服条件进行塑性变形 分析．在平面应力条件下其等效应力按下式计 算［13］： σ＝ σ2 1—σ1σ2＋σ2 2． 式中σ1 和 σ2 为二向应力状态下主平面上的主 应力． 当带钢的等效应力达到屈服强度 σs 时带钢进 入塑性状态．计算结果表明最大等效应力出现在 带钢表面且考虑到下表面约束带来的误差故本文 只分析上表面的应力情况． 图4 带钢上表面等效应力沿长度方向变化情况 Fig．4 Change of strip surface equivalent stress along length 图4为在开卷过程中带钢上表面等效应力的分 布情况可见最大等效应力发生在 x＝0点即图1 中的 b 点．因此本文只分析该处的等效应力与张 力、板厚、粘结程度、卷径的关系． 2∙1 开卷张力对等效应力的影响 由于钢卷的打开是在开卷张力 T 的作用下实 现的所以通常认为开卷张力 T 越大带钢的等效 应力越大也就越容易发生塑性变形但仿真结果与 此相反． 图5为等效应力随开卷张应力变化的曲线．带 钢的最大等效应力随钢卷开卷张应力的增加不增反 降．出现这种现象的原因是在开卷时带钢受拉、弯 联合作用张力 T 降低虽会减小拉应力但也会使展 开角θ增大而θ的增大表明带钢的反弯程度增加 弯曲应力增大．在一定条件下（如本例情况）弯曲 应力对最大等效应力的贡献大于拉力（张力 T ）的 贡献． 图5 开卷张应力 σT 与等效应力 σ的关系 Fig．5 Relationship between uncoiling tensile stress and equivalent stress 2∙2 板厚对等效应力的影响 图6为最大等效应力随板厚变化的情况．可见 最大等效应力随板厚的增加而增大说明带钢越厚 越易产生横折印．因计算时采用了相同的张应力 σT所以因厚度增加带来的弯曲应力增加是造成这 个结果的根本原因． 图6 板厚 H 和等效应力σ的关系 Fig．6 Relationship between strip thickness and equivalent stress 2∙3 卷径对等效应力的影响 图7为带钢最大等效应力随卷径变化的情况． 可见最大等效应力随卷径的增大而减小即卷径越 小越易产生横折印．这是因为卷径越大带钢打开 ·422· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第4期 韩广秀等：退火冷轧钢卷开卷时表面横折印问题 。 423 时反弯越小，带钢的弯曲应力也就越小， 4 结论 350 E-210 GPa 330 H-2.5 mm (1)提出了一个研究粘结钢卷开卷时的带钢应 o=1.17 MPa 310 o,=17.13MPa 力仿真模型，可以准确研究带钢横折印的形成原因 290 和影响因素， X 270 (2)研究了开卷张力、带钢厚度、粘结程度和卷 25.55 径等与横折印产生的关系，并给出了具体结果 0.75 0.951.15 1.35 155 卷径，Rm (3)发现增大开卷张力有利于减轻或避免横折 印的产生，消除关于开卷张力与横折印关系的错误 图7卷径R和等效应力。的关系 认识 Fig-7 Relationship between coil radius and equivalent stress 2.4粘结程度对等效应力的影响 参考文献 等效应力随粘结应力的变化情况如图8所示. [1)齐淑娥.带钢粘结浅析.四川冶金，2002,4：21 由图可得，等效应力随粘结应力的增大而增大，因 [2]陈光，张丽辉，戴学成，等.宝钢HPH全氢罩式退火炉钢卷 此减小钢卷的粘结是克服横折印缺陷的主要途径 加热时间的研究.冶金能源，2005,24(5)：24 400 [3]刘洪伟.全氢罩式退火炉及其操作.轧钢，1998,4(2)：54 E-210 GPa [4]韩小良.强对流全氢罩式退火炉.工业加热，1996,129(1)： =2.5mm 27 300 o=1.17 MPa R-0.8m [5]杨学高，冷轧带钢HPH罩式炉退火技术动态（译文）·国外金 250 属热处理，1996,17(6).8 200 [6]Maatta A,Vuoristo P,Mantyla T.Friction and adhesion of 150 11 stainless steel strip against tool steels in unlubricated sliding with 14 17 20 粘结应力，G,MPa high contact load.Tribol Int,2001.34(11):779 [7]周正元，吴迪.冷轧平整横折印产生原因和消除方法.轧钢， 图8粘结应力和等效应力G的关系 2002,19(2):19 Fig-8 Relationship between adhesion stress and equivalent stress [8]黄皆捷，吴彬.宝钢冷轧板粘结成因分析及消除对策探讨.轧 钢，1999,6(3)：13 3克服横折印缺陷的途径 [9]罗裕厚.冷轧钢卷产生粘结的机理及控制措施。钢铁钒钛， 2002,23(2):29 解决横折印缺陷问题除了设法减小带钢的粘结 [10]王晓宇，耿勇.冷轧带钢退火粘结缺陷的研究.鞍钢技术， 程度这一显而易见的方法外，减小带钢在打开过程 2001(6):40 中的反弯则是另一条有效的途径，因为从以上的分 [11]刘芙蓉，甘朝晖，孙宝泰，中心卷曲张力模型的探讨与仿真 析中可以看出，开卷张力、板厚、卷径对横折印的影 系统仿真学报，2000,12(3)：233 响主要是弯曲应力，因此，在接近带钢打开点增加 [12]牟浩，浅析冷轧带钢在罩式炉退火中产生的粘结.工业炉， 2003,25(2):40 防粘辊可以减小带钢的反弯程度，从而控制横折印 [13]朱庆明.平整机防粘结机构的探讨，冶金设备，2002,136 的产生 (6):16 Surface wrinkles of cold rolling strips on the uncoiler HAN Guangxiu,ZHA NG Jie,CAO Jianguo,HOU Fuxiang,WU Changchun,YANG Guanghui Mechanical Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI In order to solve the problem of cold rolling strip surface wrinkles on the uncoiler,the stress dis- tribution of a cold rolling strip on the uncoiler and its influencing factors were investigated by finite element method.The linkings of the uncoiler tension,strip thickness,adhesion degree and coil radius on the wrinkles were analyzed.Some measures to avoid the wrinkles were put forw ard by minishing the reverse bending degree of the strip on the uncoiler and the adhesion degree in the bell annealer.It is pointed that increasing the uncoiler tension can minish or avoid the wrinkles. KEY WORDS cold rolling strip:surface defects;wrinkles;adhesion;uncoiler
时反弯越小带钢的弯曲应力也就越小． 图7 卷径 R 和等效应力σ的关系 Fig．7 Relationship between coil radius and equivalent stress 2∙4 粘结程度对等效应力的影响 等效应力随粘结应力的变化情况如图8所示． 由图可得等效应力随粘结应力σF 的增大而增大因 此减小钢卷的粘结是克服横折印缺陷的主要途径． 图8 粘结应力 σF 和等效应力 σ的关系 Fig．8 Relationship between adhesion stress and equivalent stress 3 克服横折印缺陷的途径 解决横折印缺陷问题除了设法减小带钢的粘结 程度这一显而易见的方法外减小带钢在打开过程 中的反弯则是另一条有效的途径．因为从以上的分 析中可以看出开卷张力、板厚、卷径对横折印的影 响主要是弯曲应力．因此在接近带钢打开点增加 防粘辊可以减小带钢的反弯程度从而控制横折印 的产生． 4 结论 （1） 提出了一个研究粘结钢卷开卷时的带钢应 力仿真模型可以准确研究带钢横折印的形成原因 和影响因素． （2） 研究了开卷张力、带钢厚度、粘结程度和卷 径等与横折印产生的关系并给出了具体结果． （3） 发现增大开卷张力有利于减轻或避免横折 印的产生消除关于开卷张力与横折印关系的错误 认识． 参 考 文 献 ［1］ 齐淑娥．带钢粘结浅析．四川冶金20024：21 ［2］ 陈光张丽辉戴学成等．宝钢 HPH 全氢罩式退火炉钢卷 加热时间的研究．冶金能源200524（5）：24 ［3］ 刘洪伟．全氢罩式退火炉及其操作．轧钢19984（2）：54 ［4］ 韩小良．强对流全氢罩式退火炉．工业加热1996129（1）： 27 ［5］ 杨学高．冷轧带钢 HPH 罩式炉退火技术动态（译文）．国外金 属热处理199617（6）：8 ［6］ MäättäAVuoristo PMäntylä T．Friction and adhesion of stainless steel strip against tool steels in unlubricated sliding with high contact load．Tribol Int200134（11）：779 ［7］ 周正元吴迪．冷轧平整横折印产生原因和消除方法．轧钢 200219（2）：19 ［8］ 黄皆捷吴彬．宝钢冷轧板粘结成因分析及消除对策探讨．轧 钢19996（3）：13 ［9］ 罗裕厚．冷轧钢卷产生粘结的机理及控制措施．钢铁钒钛 200223（2）：29 ［10］ 王晓宇耿勇．冷轧带钢退火粘结缺陷的研究．鞍钢技术 2001（6）：40 ［11］ 刘芙蓉甘朝晖孙宝泰．中心卷曲张力模型的探讨与仿真． 系统仿真学报200012（3）：233 ［12］ 牟浩．浅析冷轧带钢在罩式炉退火中产生的粘结．工业炉 200325（2）：40 ［13］ 朱庆明．平整机防粘结机构的探讨．冶金设备2002136 （6）：16 Surface wrinkles of cold rolling strips on the uncoiler HA N GuangxiuZHA NG JieCAO JianguoHOU FuxiangW U ChangchunY A NG Guanghui Mechanical Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT In order to solve the problem of cold rolling strip surface wrinkles on the uncoilerthe stress distribution of a cold rolling strip on the uncoiler and its influencing factors were investigated by finite element method．The linkings of the uncoiler tensionstrip thicknessadhesion degree and coil radius on the wrinkles were analyzed．Some measures to avoid the wrinkles were put forward by minishing the reverse bending degree of the strip on the uncoiler and the adhesion degree in the bell annealer．It is pointed that increasing the uncoiler tension can minish or avoid the wrinkles． KEY WORDS cold rolling strip；surface defects；wrinkles；adhesion；uncoiler 第4期 韩广秀等： 退火冷轧钢卷开卷时表面横折印问题 ·423·