硬薄寬鍍鋅帶鋼的拉伸彎曲矯直工藝

1、全硬薄寬鍍鋅帶鋼的拉伸彎曲矯直工藝第42卷第6期2007年6月鋼鐵IronandStee1Vo1.42,No.6June2007全硬薄寬鍍鋅帶鋼的拉伸彎曲矯直工藝張清東,常鐵柱,黃河,姜正連,吳彬(1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京100083;2.寶鋼股份公司冷軋廠,上海200941)摘要:建筑用全硬彩涂薄寬鋼板是一種具有高附加值和高技術(shù)含量的高等級(jí)冷軋板帶產(chǎn)品,但其在熱鍍鋅工序中的板形控制是一個(gè)生產(chǎn)技術(shù)難題.通過對(duì)全硬鋼的力學(xué)性能的測(cè)定和拉矯變形行為的有限元仿真,發(fā)現(xiàn)屈服應(yīng)力大,屈強(qiáng)比高以及斷裂時(shí)塑性延伸小等特性是造成鍍鋅后全硬帶鋼拉矯困難和板形難以控制的根本原因.基于仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,

2、提出了針對(duì)全硬鋼生產(chǎn)的包括拉矯參數(shù)設(shè)定的全套工藝對(duì)策,取得了良好的效果,可以穩(wěn)定生產(chǎn)多種寬度和厚度規(guī)格的全硬彩涂鋼板.關(guān)鍵詞:全硬鋼;拉伸彎曲矯直機(jī);帶鋼;有限元;熱鍍鋅中圖分類號(hào):TG334.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0449749X(2007)06004704TensionLevelingforWideandThinGalvanizedFullHardSteelStripZHANGQingdong,CHANGTiezhu,HUANGHe,JIANGZhenglian.,WUBin.(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceand

3、TechnologyBeijing,Beijing100083,China;2.ColdRollingDepartment,BaoshanIronandSteelCo.,Ltd.,Shanghai200941,China)Abstract:Asaproductwithhighaddedvalue,thefullhard(FH)stripismainlyusedforbuildinganditsshapecontrolisadifficultprobleminhotdipgalvanizing.Bymechanicaltestofthesteelstripandsimulationofstrip

4、deformationintensionlevelingusingfiniteelementmethod,characteristicfeaturesofthestripwereobtained,suchas;highyieldstress,highyieldratioandlowplasticelongationasthebasicreasonofdifficultyintensionlevelingandshapecontro1.Basedonsimulationresultsanddebuggingofprocessparametersonsite,fullsetoftechnicalm

5、easuresincludingoptimumtensionlevelingparametersforFHproductwereputforward,andgoodeffectofstripshapecontrolwasobtained.Varietiesofcolorcoatedhardfullstriparesteadyproduced.Keywords:fullhardsteel;tensionleveler;steelstrip;FEM;hot-dipgalvanizing結(jié)合國(guó)內(nèi)外熱鍍鋅技術(shù)自行設(shè)計(jì)建造的具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的熱鍍鋅生產(chǎn)線,在全硬鋼的生產(chǎn)中遇到了拉矯困難和板形不良等生產(chǎn)及

6、質(zhì)量問題,嚴(yán)重制約了此種產(chǎn)品的正常生產(chǎn).然而,全硬鋼是目前具有較大市場(chǎng)需求和較高附加值的高檔次的冷軋產(chǎn)品,因此,針對(duì)存在的問題深入研究全硬鋼的拉矯變形過程,運(yùn)用MARc有限元仿真手段,比較研究多種不同材料,總結(jié)出全硬鋼拉矯過程中的特點(diǎn)及難點(diǎn),從而建立適合全硬鋼材料特性的拉矯工藝.1全硬鋼力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)定拉伸實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)板材基本力學(xué)性能的主要實(shí)驗(yàn)方法,這里采用100kN的CMT門式微機(jī)控制電子萬(wàn)能(拉力)試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)退火后的普通冷軋板,DI材(多用于制罐)和全硬鋼板進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn).由此得到3種材料對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù),如表1和圖1所示.從拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,全硬鋼具有如下3方面的材料力學(xué)特性:屈服應(yīng)力

7、大,屈強(qiáng)比高,達(dá)0.93;斷裂伸長(zhǎng)率小,破壞時(shí)塑性伸長(zhǎng)率只有5.相反,DI材則屈服應(yīng)力小,屈強(qiáng)比低,斷裂伸長(zhǎng)率大,具有明顯的”軟質(zhì)易延伸”特性.因此,全硬鋼的這種力學(xué)性能必然導(dǎo)致其拉伸彎曲矯直過程中出現(xiàn)可設(shè)定的伸長(zhǎng)率范圍小,插人量以及工藝張力等工藝參數(shù)難于把握等諸多問題,工藝參數(shù)設(shè)定不合理時(shí)甚至出現(xiàn)斷帶現(xiàn)象.這樣,深人對(duì)全硬鋼拉矯過程中特殊的變形特點(diǎn)和有針對(duì)性的工藝參數(shù)優(yōu)化的研究,最終達(dá)到改善板形_1的目的就顯得尤為重要.2拉矯過程的有限元仿真考慮到全硬鋼特殊的材料性能,借助有限元仿真手段_2,可以獲得不同材質(zhì)帶鋼關(guān)于插人深度,張應(yīng)力,伸長(zhǎng)率3者之間耦合關(guān)系l_4在拉矯過程中作者簡(jiǎn)介:張清東(

8、1965),男,博士,研究員;Email:zhang_qdme,;修訂日期:20060930?48?鋼鐵第42卷塞(a)普料;(b)DI材;(c)全硬鋼圖l應(yīng)力一應(yīng)變曲線Fig.1Stress-straincurve表1材料力學(xué)性能參數(shù)Table1Mechanicalpropertiesfor3kindsofstedstrips圖2有限元拉矯模型Fig.2ModelFEMtensionleveling的區(qū)別,從而找到適合全硬鋼的拉矯工藝對(duì)策.2.1建模該熱鍍鋅機(jī)組的拉矯機(jī)主要由矯直單元部分(即”兩彎兩矯”)和張力輥組及其傳動(dòng)部分組成.考慮到本文研究的重點(diǎn)在于仿真帶鋼的拉彎塑性變形,因此,張力輥

9、及其傳動(dòng)部分以位移和張力載荷給定邊界約束,帶鋼模型全長(zhǎng)5500mm,如圖2所示.單元選用75號(hào)厚板單元,厚度方向分5層以便于對(duì)拉矯過程中上下表層以及中間層的伸長(zhǎng)率分布進(jìn)行分析.載荷增量控制選用固定時(shí)間步長(zhǎng)增量法.2.2計(jì)算工況根據(jù)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)實(shí)際設(shè)定情況,有限元模型比較了各彎曲,矯直輥組不同插入量組合下3種材質(zhì)對(duì)應(yīng)的工況,如表2所示.表2不同因素組合下的工況表Table2Tableofdifferentoperationmodes項(xiàng)目數(shù)據(jù)帶厚/ram材質(zhì)插入量/ram入口張應(yīng)力/MPa0.3普料,DI材,全硬鋼0.515.080,90,100,110,12O2.3仿真結(jié)果與分析C308拉矯機(jī)中

10、2個(gè)彎曲輥組(1號(hào)和2號(hào))和2個(gè)矯直輥組(C號(hào)和L號(hào))對(duì)應(yīng)的插入量都可以單獨(dú)設(shè)定,在仿真中固定其中3個(gè)插入量設(shè)定值,改變另一輥組插入深度,可以分別研究不同材質(zhì)對(duì)應(yīng)的4個(gè)輥組插入量對(duì)拉矯過程的影響;而固定各輥組插入量,改變拉矯人口工藝張力大小同樣可以獲得不同材質(zhì)下拉矯工藝張力與帶鋼伸長(zhǎng)率的關(guān)系.2.3.1插入量與總伸長(zhǎng)率的關(guān)系從圖3(a)可以看出,3種材質(zhì)帶鋼的拉矯變形規(guī)律明顯不同.首先,在同樣插入量,張應(yīng)力條件下,3種材料伸長(zhǎng)率的大小是不同的,其中全硬鋼最小,DI材最大.隨著彎曲輥組插入量不斷增大,帶鋼拉矯過程中所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)率也隨之增大(2號(hào)輥組插入量對(duì)伸長(zhǎng)率的影響規(guī)律和1號(hào)輥組近似).但3種

11、材質(zhì)中,全硬鋼所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)率變化幅度最小,幾乎沒有明顯變化,而DI材所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)率變化最顯著.第6期張清東等:全硬薄寬鍍鋅帶鋼的拉伸彎曲矯直工藝0O0礙0000l號(hào)輥組插入量/n1圖31號(hào)輥組插入量與伸長(zhǎng)率和等效抗拉岡lJ度的關(guān)系Fig.3RelationshipbetweenNo.1rollerintermeshandelongation.equivalentextensionalrigidityg墼醫(yī)萎口工圖4工藝張應(yīng)力與伸長(zhǎng)率和等效抗拉剛度的關(guān)系Fig.4Relationshipbetweentensilestressandelongation,equivalentextensiomtl

12、rigidity2.3.2插入量與等效抗拉剛度的關(guān)系本文定義彎曲輥組實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)率與其工作張應(yīng)力水平的比值為帶鋼經(jīng)過此彎曲輥細(xì)時(shí)的等效抗拉剛度.帶鋼在拉彎矯直過程中,正是由于其等效抗拉剛度在經(jīng)過各個(gè)彎曲輥過程中不斷被降低,從而實(shí)現(xiàn)低張力狀態(tài)下矯直板形的情形.因此,帶鋼等效抗拉剛度的大小和下降斜率可以在一定程度上反映對(duì)應(yīng)拉矯參數(shù)下各種材質(zhì)帶鋼的難易拉伸狀態(tài).如圖3(b)所示,在相同的拉矯工藝參數(shù)條件下,3種材料中全硬鋼抗拉剛度最大,DI材最小;隨著輥組插入深度的增大,帶鋼的抗拉剛度都有減小的趨勢(shì),當(dāng)插入量大于8rflrfl時(shí),全硬鋼減小趨勢(shì)開始變得激烈(2號(hào)輥組插入量對(duì)等效抗拉剛度的影響規(guī)律和1號(hào)輥

13、組近似).從板形矯直的角度看,全硬鋼拉矯插入量設(shè)定值應(yīng)大于8rflrfl,但考慮到其屈強(qiáng)比高的特點(diǎn),插入量也不宜過大,避免出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象.從有限元仿真的結(jié)果來(lái)看,當(dāng)帶鋼插入量大于15rflrfl后,帶鋼上下表層單元出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象就說明了全硬鋼的這一材料特性.2.3.3工藝張力與總伸長(zhǎng)率的關(guān)系如圖4(a)所示,3種材質(zhì)帶鋼在拉矯過程中隨著張應(yīng)力的增加所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)率也隨之增大,而且DI材伸長(zhǎng)率對(duì)張應(yīng)力變化的敏感性最大,全硬鋼則變化最小.2.3.4工藝張力與抗拉剛度的關(guān)系從圖4(b)3種材質(zhì)帶鋼的拉矯人口工藝張應(yīng)力與等效抗拉剛度的關(guān)系可以看出,在不同工藝張力下,全硬鋼抗拉剛度遠(yuǎn)大于其它材質(zhì)帶鋼,這也說明

14、了為什么全硬鋼低張力和小的插入量情況下得不到塑性延伸.2.3.5帶鋼材質(zhì)對(duì)拉矯過程的影響通過上述有限元仿真分析可以看出:帶鋼材質(zhì)對(duì)拉矯過程的影響很大:材料屈服極限越高的帶鋼其等效抗拉剛度也越大,這樣帶鋼產(chǎn)生塑性延伸需要更大的插入量和拉矯張力;屈強(qiáng)比高和破壞時(shí)塑性伸長(zhǎng)率小,這樣在很大程度上減小了插入量和拉矯張力調(diào)控范圍,影響了拉矯機(jī)板形矯直能力的發(fā)揮.拉伸彎曲矯直過程是帶鋼在拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的共同作用下,帶鋼中心層應(yīng)力超過屈服極限,進(jìn)入塑性變形狀態(tài),使帶材產(chǎn)生塑性延伸5.在全硬鋼允許的塑性延伸范圍內(nèi),通過有限元仿真帶鋼厚度方向的塑性延伸情況(圖5)來(lái)看,這種材料特性對(duì)拉矯機(jī)插入量和工藝張力大小的

15、限制只能使帶鋼厚度方向上靠近上下表面的部分產(chǎn)生塑性延伸,而帶鋼厚度方向上的中部區(qū)域只能產(chǎn)生彈性變形,使得?50?鋼鐵第42卷厚度方向上單元層數(shù)圖5彎曲輥插入量對(duì)厚度方向伸長(zhǎng)率的影響Fig.5Effectofbendingrollerintermeshonelongationinthicknessdirection帶鋼不能產(chǎn)生真正意義上的塑性延伸.3全硬鋼板形矯直工藝對(duì)策基于上述全硬鋼本身特殊的材料力學(xué)性能和拉矯機(jī)工作原理,在其允許的塑性延伸范圍內(nèi)應(yīng)合理地設(shè)定拉矯工藝張力和插入量,設(shè)定的工藝張力和插入量過大容易導(dǎo)致帶鋼上下表層”斷裂”,而設(shè)定值偏小又無(wú)法獲得板形改善效果.(1)據(jù)有限元仿真和現(xiàn)場(chǎng)

16、調(diào)試,彎曲輥插入量在810mm,工藝張力7090kN,板形矯正效果較好.(2)合理的拉矯工藝參數(shù)設(shè)定還必須結(jié)合相應(yīng)優(yōu)良的平整機(jī)板形控制性能(如采用VCR技術(shù)).采取新的工藝后,從機(jī)組出口和下游彩涂機(jī)組反饋的板形質(zhì)量信息,因板形質(zhì)量導(dǎo)致的漏涂現(xiàn)象得到有效控制,達(dá)到了研究的預(yù)期目標(biāo),使得該廠全硬彩涂鋼板的規(guī)格向更薄更寬拓展.4結(jié)語(yǔ)通過與普通冷軋料,DI材對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)定比較,獲得了對(duì)全硬鋼產(chǎn)品”高強(qiáng)難延伸”特性的認(rèn)識(shí).進(jìn)一步通過有限元仿真手段,獲得了不同材質(zhì)下插入深度,張應(yīng)力,伸長(zhǎng)率三者之間耦合關(guān)系.通過比較分析全硬鋼拉矯變形規(guī)律,提出了適合全硬鋼材料特性的拉矯工藝對(duì)策,取得了良好的板形控制

17、效果,使此機(jī)組拓展生產(chǎn)的更薄更寬規(guī)格全硬彩涂板產(chǎn)品同樣板形質(zhì)量良好.參考文獻(xiàn):1SheppardT.OntheStrip-toRollConformityintheTensionlevelingProcessJ.SheetMetalIndustry,1979,12;11491154.23劉天浩,張清東,朱簡(jiǎn)如.寬帶鋼拉伸彎曲矯直變形過程的有限元仿真A.2005中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集c.北京:冶金工業(yè)出版社,2005.550552.3MorrisJW,HardySJ,LeesAW,eta1.FormationofResidualStressesOwingtoTensionLevelingofCold

18、RolledStrip口.Ironmakingandsteelmaking,2001,28(1):4452.4HoonHuh,HyoungWookLee,SangRaePark,eta1.TheParametricProcessDesignofTensionLevelingwithAnElastoplasticFiniteElementMethodJ.JournalofMaterialProcessingTechnology,2001,113:714-719.5肖林.金屬帶材連續(xù)拉伸彎曲矯直變形機(jī)理研究D.北京:北京科技大學(xué),1999.七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七寶鋼與邯鋼合資的邯鋼新區(qū)項(xiàng)目全面啟動(dòng)邯鋼新區(qū)核心工程2250熱連軋工程于2007年5月31日上午開工奠基,標(biāo)志著由寶鋼和邯鋼合資的邯鋼新區(qū)項(xiàng)目全面啟動(dòng).該工程的開