熱軋板橫折缺陷的成因分析

1、熱軋板橫折缺陷的成因分析王丹左軍黃徐晶康明駱中云陳繼林摘要：針對(duì)熱軋低碳鋼卷開卷過程中出現(xiàn)的橫折缺陷，運(yùn)用彈塑性力學(xué)、金屬學(xué)等知識(shí)分析了鋼卷在開卷矯直過程中的彎曲變形、應(yīng)力分布、屈服平臺(tái)和形變時(shí)效等問題，認(rèn)為橫折缺陷不是由板形引起的，而是由低碳鋼普遍存在的屈服平臺(tái)引起的，從而為解決橫折缺陷提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：橫折；板形；屈服平臺(tái)；彎曲變形；形變時(shí)效；應(yīng)力分布中圖分類號(hào)：TG333.71文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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熱軋低碳鋼卷開卷后出現(xiàn)橫折缺陷是一種常見現(xiàn)

5、象，無(wú)論是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品還是進(jìn)口產(chǎn)品都不同程度地出現(xiàn)橫折缺陷，給用戶帶來(lái)許多不便和損失。為了解決這一問題，許多企業(yè)都作過研究和嘗試，但效果始終不理想，主要是對(duì)橫折缺陷產(chǎn)生的機(jī)理認(rèn)識(shí)不一致。本文針對(duì)研究過程中形成的不同意見，運(yùn)用彈塑性力學(xué)、金屬學(xué)等知識(shí)，分析鋼卷在開卷矯直過程中的彎曲變形和應(yīng)力分布，闡述橫折缺陷產(chǎn)生的內(nèi)因和外因，認(rèn)為橫折缺陷不是由板形引起的，而是由低碳鋼普遍存在的屈服平臺(tái)引起的，從而為解決橫折缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量提供理論依據(jù)。1橫折缺陷與板形缺陷的宏觀特征通過市場(chǎng)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)橫折缺陷與板形缺陷在宏觀形貌上主要有以下特征(表1)。表1橫折缺陷與板形缺陷宏觀形貌對(duì)比板形缺陷橫折缺陷1

6、板形缺陷呈橢圓形或拋物線形的瓢曲和起浪橫折缺陷呈直線狀或條狀，而且垂直于軋制方向2板形的瓢曲和起浪不會(huì)貫穿板面，只發(fā)生在局部，如邊部或中部多數(shù)橫折貫穿板面3板形的瓢曲和起浪是連續(xù)的，沒有明顯的邊界板面有明顯的折痕和邊界，嚴(yán)重者呈“搓衣板”狀4板形缺陷存在于鋼卷中鋼卷中無(wú)橫折缺陷，開卷時(shí)出現(xiàn)的5板形缺陷是由變形不均勻引起的，與鋼種無(wú)關(guān)主要發(fā)生在低碳鋼卷，如Q195，Q215，Q235，stw22等以上對(duì)比不難看出：板形缺陷與橫折缺陷的宏觀特征是不同的，而且有明顯的差別。僅貫通板面、垂直軋向這一條，就可以從理論上確認(rèn)橫折缺陷不是板形缺陷。同時(shí)橫折缺陷有明顯的條狀折痕，說(shuō)明該處存在局部變形過大，因此

7、橫折缺陷有不均勻變形的問題是客觀存在的。2板形與橫折缺陷的應(yīng)力分析板形的瓢曲和起浪是由鋼板內(nèi)的殘余應(yīng)力引起的，板形控制的手段很多，如彎輥、串輥、配輥、負(fù)荷分配，可以說(shuō)有n種方式，但無(wú)論采用什么控制方式、如何組合，最終反映在殘余應(yīng)力上只有兩種形式：拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，只不過分布形態(tài)不同而已13。因此，對(duì)彎輥、配輥等板形控制手段的分析最終都將歸結(jié)為對(duì)殘余應(yīng)力的分析，這些殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的分布形態(tài)與板形的瓢曲、起浪有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，也正因?yàn)檫@種對(duì)應(yīng)關(guān)系才使得板形控制成為可能，即通過檢測(cè)張力來(lái)控制板形。因此分析橫折缺陷產(chǎn)生的原因，首先應(yīng)找出產(chǎn)生橫折所需的應(yīng)力分布，以及這種應(yīng)力分布是如何形成的。板面的瓢曲

8、和起浪是由殘余壓應(yīng)力造成的，而殘余拉應(yīng)力只會(huì)把板面繃直或拉裂，不會(huì)瓢曲4，5。常見板形缺陷兩邊浪和中間浪所對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力分布見圖1。從理論上說(shuō)還有無(wú)限種分布形態(tài)，但由于目前在熱軋卷上尚未發(fā)現(xiàn)橫折缺陷，說(shuō)明熱軋卷內(nèi)的殘余應(yīng)力分布尚無(wú)產(chǎn)生橫折缺陷的那一種，而是在鋼卷開平過程中的某些工序使鋼板內(nèi)的應(yīng)力發(fā)生了變化，形成了產(chǎn)生橫折缺陷的那一種應(yīng)力分布，導(dǎo)致了橫折缺陷。圖1殘余應(yīng)力與板形的對(duì)應(yīng)關(guān)系經(jīng)分析，圖2的應(yīng)力分布比較符合橫折的缺陷特征：貫穿板面、條狀、垂直軋向，圖2的物理意義為：沿板寬方向有均勻的壓應(yīng)力。這種應(yīng)力分布在鋼板的彎曲過程中可以產(chǎn)生，而且是一面受壓一面受拉，鋼卷的開卷和矯直工序正好是這種變

9、形。圖2均勻壓應(yīng)力分布因此可以認(rèn)為橫折缺陷不是鋼卷內(nèi)固有的，而是由開卷和矯直過程中的外部彎曲力矩加上去的。3帶鋼彎曲變形與屈服效應(yīng)帶鋼的彎曲變形有三種情況(圖3)：彈塑性彎曲、純彈性彎曲和純塑性彎曲。帶鋼的開卷和矯直屬于彈塑性彎曲變形，即利用彎曲力矩將鋼卷固有的圓弧和波浪矯直。圖3純彎曲變形的應(yīng)力分布矯直工序如圖4所示，帶鋼經(jīng)過矯直機(jī)時(shí)，經(jīng)歷連續(xù)的彈塑性彎曲變形，在每一個(gè)矯直輥上帶鋼都受彎曲力矩的作用，對(duì)于其中的某一個(gè)單元而言，帶鋼在厚度方向上一半受拉一半受壓，使帶鋼發(fā)生了彈塑性彎曲變形，此種變形的橫向應(yīng)力分布與圖2是一樣的，變形的宏觀特征與橫折缺陷也十分接近：貫穿板面、垂直軋向、條狀。圖4矯

10、直工序及缺陷產(chǎn)生示意圖彎曲力矩的大小受矯直輥輥縫的控制，當(dāng)輥縫較大時(shí)彎曲力矩較小，帶鋼只發(fā)生彈性變形；隨著輥縫的減小，彎曲力矩加大，帶鋼的曲率半徑減小，上下表面的應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)，開始發(fā)生塑性變形，由于變形區(qū)較薄，還不足以使整體發(fā)生塑性變形，依然處于彈性變形狀態(tài)；曲率半徑的進(jìn)一步減小，變形區(qū)逐步向內(nèi)部纖維滲透，塑性變形區(qū)逐步增大，彈性變形區(qū)逐步減小，導(dǎo)致整體逐步由彈性變形過渡到塑性變形，由于材料存在固有的屈服平臺(tái)，便發(fā)生屈服變形效應(yīng)在同樣的彎曲應(yīng)力的作用下，上表面延伸突增，下表面突然壓縮，使均勻的彎曲變成不均勻的變形，在變形量較大處產(chǎn)生折印，這些折印在后續(xù)的反復(fù)矯直過程中又被碾平，如此周而復(fù)始便

11、在板面上留下了橫折缺陷，見圖4。根據(jù)材料力學(xué)中有關(guān)梁的彈性彎曲的分析方法，可以推得薄板由彈性彎曲進(jìn)入塑性彎曲的條件是6：REt/3s式中R彎曲曲率半徑，mm；E鋼板的彈性模量，210000MPa；s鋼板的屈服點(diǎn)，MPa；t鋼板厚度，mm。由上式可看出，鋼板的塑性彎曲不僅與厚度有關(guān)，而且與鋼板的屈服強(qiáng)度有關(guān)。對(duì)于3.0mm的Q195，Q235，stw22低碳板而言，臨界曲率半徑分別為：Q195s255375MPaR823560mm；Q235s320430MPaR656488mm；stw22s200340MPaR1050617mm。對(duì)于卷徑較小、強(qiáng)度較低的鋼卷開卷過程中滿足上述條件，會(huì)發(fā)生彈塑性彎

12、曲變形，容易產(chǎn)生橫折；而對(duì)于卷徑較大、強(qiáng)度較高的卷則不滿足上述條件，開卷時(shí)以彈性變形為主，不易產(chǎn)生橫折(圖5)。但隨著卷徑的減小，尤其在開卷的末期，橫折缺陷可能會(huì)出現(xiàn)或加重。在實(shí)際開卷過程中發(fā)現(xiàn)橫折時(shí)有時(shí)無(wú)和開卷末期橫折嚴(yán)重的現(xiàn)象證實(shí)了這一點(diǎn)。圖5開卷示意圖開卷過程的曲率半徑不可控，但矯直機(jī)的彎曲半徑是可控的，矯直機(jī)的矯直輥徑雖小，但彎曲曲率半徑取決于上下矯直輥的重合量(圖6)。由上述分析可知，彈塑性彎曲變形有很大一個(gè)范圍，即由圖3(b)過渡到圖3(c)的整個(gè)過程都屬于彈塑性變形區(qū)，根據(jù)材料力學(xué)的推導(dǎo)，只有當(dāng)塑性變形區(qū)大于1/3時(shí)，其塑性變形才有可能大于彈性恢復(fù)。因此可以認(rèn)為，只有超過這一階段

13、才會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服效應(yīng)，鋼板上見到的橫折時(shí)隱時(shí)現(xiàn)、時(shí)輕時(shí)重的現(xiàn)象，跟矯直過程塑性變形區(qū)的大小有直接關(guān)系。因此，矯直機(jī)輥縫位置、鋼板厚度、鋼卷半徑和屈服強(qiáng)度都會(huì)直接影響橫折的產(chǎn)生。在保證矯直質(zhì)量的前提下，根據(jù)鋼板厚度和屈服強(qiáng)度，合理的設(shè)置矯直輥的位置與分布，減輕橫折缺陷是有可能的。圖6矯直輥輥縫示意圖由此初步推斷，材料存在屈服平臺(tái)特征是產(chǎn)生橫折缺陷的內(nèi)因，鋼板的彎曲變形是外因。鋼板在矯直過程中所受的彎矩是均勻的，如果沒有屈服平臺(tái)，不會(huì)產(chǎn)生局部變形量過大；如果沒有彎曲變形或者彎曲變形量達(dá)不到臨界值，鋼板也不會(huì)產(chǎn)生橫折，二者缺一不可。因此控制橫折缺陷主要應(yīng)從內(nèi)因和外因兩方面考慮：消除屈服平臺(tái)和控制彎

14、曲變形量。4板形與橫折的關(guān)系上述對(duì)彈塑性彎曲變形的分析，是在假設(shè)鋼板是平直的、沒有曲率的條件下進(jìn)行的。實(shí)際生產(chǎn)中鋼卷不僅有圓弧，而且還有瓢曲、波浪等缺陷，帶有這些缺陷的鋼卷開卷或進(jìn)入矯直機(jī)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加的彎曲力矩，導(dǎo)致彎曲應(yīng)力的變化，影響彈塑性變形。以矯直圓弧為例，說(shuō)明彎曲應(yīng)力的變化對(duì)彈塑性區(qū)的影響。圖7分別為矯直平板、正彎圓弧、負(fù)彎圓弧三種情況的應(yīng)力分布圖。矯直機(jī)第一個(gè)單元為負(fù)彎，當(dāng)平板進(jìn)入第一單元時(shí)，其應(yīng)力分布如圖7(a)所示；當(dāng)帶有正彎的帶鋼進(jìn)入矯直機(jī)的第一單元時(shí)，由于帶鋼的正彎與矯直機(jī)負(fù)彎方向相反，為了克服帶鋼的正彎，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加力矩，使總彎曲力矩增大，導(dǎo)致應(yīng)力分布中的塑性變形區(qū)增大

15、，彈性變形區(qū)減小(圖7(b)；當(dāng)帶有負(fù)彎的帶鋼進(jìn)入矯直機(jī)時(shí)，帶鋼的負(fù)彎與矯直機(jī)的負(fù)彎方向相同，總彎曲力矩會(huì)減小，使應(yīng)力分布中的塑性區(qū)減小，彈性區(qū)增大(圖7(c)。因此，矯直機(jī)能根據(jù)來(lái)料的狀況，自動(dòng)地調(diào)整帶鋼厚度方向上彈塑性區(qū)的分布，使原有的弧度被矯直。圖7三種原料矯直的應(yīng)力分布帶鋼瓢曲和波浪的某一個(gè)局部(某一個(gè)波浪)均可視為一種正彎或負(fù)彎原料，在矯直時(shí)與上述機(jī)理是一樣的，只不過這種正彎、負(fù)彎在不斷的變化、交替，而且它不是貫通板面的，僅限于帶鋼的中間或兩邊。根據(jù)這一原理，圖8顯示了板形兩邊浪和中間浪兩種情況矯直時(shí)，鋼板斷面上彈塑性區(qū)的變化情況。兩邊浪時(shí)，帶鋼的中部是平直的，彈塑性區(qū)的分界線比較穩(wěn)

16、定，帶鋼的兩邊有波浪，相當(dāng)于正彎與負(fù)彎原料交替變化，因此，彈塑性分界線也隨之變化，時(shí)高時(shí)低，在厚度方向上形成了一個(gè)變化區(qū)。中間浪的區(qū)別僅在于這一變化區(qū)發(fā)生在帶鋼的中部，其余是一樣的。按此推理，各種板形缺陷都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化規(guī)律。圖8兩種板形缺陷矯直時(shí)的彈塑性區(qū)變化情況矯直機(jī)這種作用是有益的，它能根據(jù)來(lái)料的狀況自動(dòng)的調(diào)節(jié)鋼板中彈塑性變形區(qū)的分布，塑性變形量該大則大該小則小，達(dá)到消除或減小波浪的目的。否則，將起不到矯直的作用。板形的波浪、瓢曲越大，矯直機(jī)對(duì)彈塑性區(qū)的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用也越大。它與波浪的位置無(wú)關(guān)，只與波浪的大小有關(guān)，無(wú)論是中間浪還是兩邊浪，只要遇到波浪方向與矯直方向相反都會(huì)加大塑性變形區(qū)，

17、遇到波浪方向與矯直方向相同都會(huì)減小塑性變形區(qū)，矯直機(jī)的這種矯直機(jī)理可能會(huì)對(duì)屈服效應(yīng)形成干擾，要減少這種干擾應(yīng)盡量控制好板形，避免產(chǎn)生大的波浪，最理想的鋼板是平直無(wú)浪的鋼板，在矯直時(shí)其彈塑性變形區(qū)比較穩(wěn)定，便于設(shè)定矯直工藝參數(shù)、穩(wěn)定矯直質(zhì)量。鋼卷中最嚴(yán)重的波浪是鋼卷自身的圓弧，而且開卷時(shí)它屬于正彎型的，軋機(jī)控制不良所產(chǎn)生的波浪、瓢曲，其曲率半徑要比鋼卷半徑大得多，矯直機(jī)所要克服的主要問題是鋼卷的圓弧，因此開卷機(jī)區(qū)域是橫折缺陷的易發(fā)處。據(jù)調(diào)查，橫折缺陷80%以上發(fā)生在該處。為了避免或減輕開卷過程產(chǎn)生橫折，可采取加快開卷速度的辦法。5屈服平臺(tái)與形變時(shí)效根據(jù)科氏(Cottrell)理論，低碳鋼的屈服效

18、應(yīng)是由于間隙原子C，N與位錯(cuò)交互作用的結(jié)果。間隙原子聚集在刃型位錯(cuò)的周圍處，形成所謂的“科氏氣團(tuán)”把位錯(cuò)鎖住，變形時(shí)必須將應(yīng)力增大到某一定值后，才能使位錯(cuò)擺脫氣團(tuán)，開始滑移運(yùn)動(dòng)。此時(shí)在拉伸曲線上出現(xiàn)明顯的上屈服點(diǎn)，當(dāng)位錯(cuò)一旦擺脫氣團(tuán)的束縛，應(yīng)力不增加也能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，因而在曲線上存在下屈服點(diǎn)。低碳鋼在室溫變形時(shí)，出現(xiàn)屈服效應(yīng)是因?yàn)殚g隙原子C，N容易擴(kuò)散到位錯(cuò)周圍而形成科氏氣團(tuán)的緣故711。間隙原子的這種擴(kuò)散作用會(huì)使鋼材產(chǎn)生形變時(shí)效，它是屈服效應(yīng)的重要特征。低碳鋼高溫變形后，在空冷或水冷過程中會(huì)得到C，N過飽和鐵。金屬學(xué)指出，低碳鋼在591時(shí)，N在a鐵中的溶解度最大，約為0.1%，處于相對(duì)穩(wěn)定的平衡

19、態(tài)。隨著溫度的降低，N在a鐵中的溶解度急劇降低，過飽和的N原子很不穩(wěn)定，會(huì)逐步向能量較高的刃型位錯(cuò)擴(kuò)散，形成科氏氣團(tuán)，改變鋼材的性能形變時(shí)效。時(shí)效的時(shí)間取決于C，N間隙原子的過飽和量和位錯(cuò)的密度，一般為數(shù)天或數(shù)十天不等。因此低碳鋼在591范圍沒有屈服平臺(tái)，空冷數(shù)天后才會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服效應(yīng)。據(jù)文獻(xiàn)9介紹，低碳鋼在不同溫度下的拉伸應(yīng)變曲線如圖9所示。圖9低碳鋼在不同溫度下的拉伸應(yīng)變曲線熱軋低碳鋼的卷取溫度一般在650680，卸卷后用吊車將鋼卷吊至檢查線開卷檢查，此時(shí)的鋼卷溫度正好在591的范圍。據(jù)調(diào)查，在每爐鋼的開卷取樣過程中從未發(fā)現(xiàn)橫折現(xiàn)象，鋼卷運(yùn)至鋼卷庫(kù)冷卻數(shù)天后，在剪切線開卷時(shí)便出現(xiàn)了橫折缺

20、陷，用戶開卷或冷軋開卷時(shí)也發(fā)現(xiàn)了橫折缺陷。因此，理論分析與實(shí)際情況是相符的，橫折缺陷這種時(shí)效特征證實(shí)了它是由屈服效應(yīng)引起的推斷。屈服效應(yīng)與變形速度有關(guān)，這一點(diǎn)可以從常規(guī)拉伸實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，快速拉伸與慢速拉伸其應(yīng)力曲線是不一樣的，變形速度越慢其屈服延伸率越大，變形速度越快其屈服延伸率越小。因此，加快鋼卷的開卷和矯直速度有利于減少橫折的產(chǎn)生，乃至消除。從理論上說(shuō)，用工藝的方法消除或緩解低碳鋼的屈服效應(yīng)是有辦法的。如無(wú)間隙原子鋼(IF鋼)就是用冶煉與軋鋼工藝相結(jié)合的辦法生產(chǎn)出來(lái)的，它代表目前冷軋產(chǎn)品的最高水平。在間隙原子的作用中，N原子對(duì)屈服效應(yīng)起到主要作用，鋼中加入少量與N親合力較強(qiáng)的Ti，V，N

21、b，Al等元素，再配以適當(dāng)?shù)臒彳埞に?，就能與N形成氮化物，以第二相的形式析出，避免或減少鋼中的固溶N。因此橫折現(xiàn)象主要出現(xiàn)在熱軋態(tài)或退火態(tài)的低碳鋼中，合金化的鋼種中是很少見的。如熱軋生產(chǎn)的汽車大梁板等產(chǎn)品就從未發(fā)現(xiàn)過橫折缺陷，這與V或Ti的微處理作用關(guān)系很大。由于采用工藝涉及面較廣，成本較高，因此目前消除低碳普板的屈服效應(yīng)，國(guó)際上仍采用傳統(tǒng)的機(jī)械辦法平整，它是消除低碳鋼屈服平臺(tái)最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段。6結(jié)語(yǔ)(1)無(wú)論從宏觀還是從微觀分析，橫折都不是板形缺陷，它是熱軋低碳鋼卷在開卷、矯直過程中產(chǎn)生的一種特有缺陷。產(chǎn)生橫折的內(nèi)因是低碳鋼普遍存在屈服平臺(tái)，外因是鋼板的彎曲變形。經(jīng)過時(shí)效的熱軋低碳鋼卷在開卷矯直時(shí)可能會(huì)發(fā)生橫折現(xiàn)象。(2)橫折缺陷與開卷矯直的彎曲變形量有直接關(guān)系，當(dāng)?shù)吞间撍苄詮澢^臨界值時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)屈服效應(yīng)橫折現(xiàn)象。影響屈服效應(yīng)的因素有：鋼卷直徑、鋼板厚度、屈服強(qiáng)度、矯直輥輥縫和變形速度等。根據(jù)鋼板厚度、屈服強(qiáng)度合理設(shè)置矯直輥輥縫，提高開卷矯直速度，能改善矯直質(zhì)量，但消除橫折最有效的辦法仍是平整。(3)矯直機(jī)能根據(jù)鋼卷圓弧、波浪或瓢曲等缺陷，自動(dòng)調(diào)整彎曲變形的彈塑性應(yīng)力分布，調(diào)整塑性區(qū)和彈性區(qū)的比例，達(dá)到矯直的目的。矯直機(jī)這種作用可能會(huì)干擾屈服效應(yīng)，這種干擾與波浪的大小有關(guān)，與波浪的位置無(wú)關(guān)，干擾最大的是鋼卷自身的圓弧。隨著卷徑的減