粗軋帶鋼頭部翹曲原因分析及控制措施*

袁福順，孫薊泉

（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

粗軋帶鋼頭部翹曲原因分析及控制措施*

袁福順，孫薊泉

（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

造成帶鋼頭部翹曲的主要因素包括：板坯上下表面溫度差、上下軋輥摩擦系數(shù)不等、上下軋輥輥速不等、上下輥輥徑不同等。采用Marc有限元軟件熱力耦合分析法分析了各個(gè)影響因素對(duì)熱軋帶鋼頭部翹曲的影響規(guī)律，結(jié)果表明，翹曲量隨上下表面溫度差、摩擦系數(shù)比、輥速比及輥徑比的增大而增大，但增大趨勢(shì)各有不同。同時(shí)，提出了優(yōu)化軋制規(guī)程、改善加熱條件、采用適當(dāng)?shù)呐漭伔桨浮⒑侠磉x擇速度參數(shù)等解決帶鋼翹曲的措施。

帶鋼；熱軋；頭部翹曲；有限元；熱力耦合

1 前言

在帶鋼粗軋生產(chǎn)階段，由于軋件厚度方向存在不均勻的溫度分布和不均勻變形，軋件一般都處在非對(duì)稱軋制條件下進(jìn)行軋制，即軋件上下表面的軋制邊界條件不同。在非對(duì)稱軋制條件下，軋件上下表面的金屬流量不同，變形程度不同，從而產(chǎn)生翹頭或者扣頭［1-2］。翹頭使得鋼坯頭部容易與設(shè)備或檢測(cè)儀表發(fā)生撞擊，嚴(yán)重者導(dǎo)致帶鋼無(wú)法進(jìn)入軋機(jī)，造成堆鋼事故；而叩頭使得鋼坯與機(jī)架輥或輥道撞擊，導(dǎo)致板坯鉆入輥道下部，給生產(chǎn)帶來(lái)諸多不利。因此，控制軋件頭部翹曲一直是熱軋工藝的重要研究?jī)?nèi)容之一。

2 有限元模型

2.1 基本假設(shè)和網(wǎng)格劃分

有限元建模過程是為了滿足有限元求解的要求而對(duì)實(shí)際模型的合理簡(jiǎn)化和假設(shè)處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況及理論分析，寬展對(duì)帶鋼頭部翹曲量的影響不大，采用二維有限元分析方法即可得到理想解，因此模型中軋件長(zhǎng)度方向取2 000 mm，厚度方向取100 mm，單元大小為5 mm×5 mm，則共有8 000個(gè)單元，16 421個(gè)節(jié)點(diǎn)。從Marc材料庫(kù)中讀取材料C15的各項(xiàng)物性參數(shù)賦予軋件有限元模型。

鑒于目前還沒有形成統(tǒng)一的對(duì)板帶鋼頭部翹曲量的表示方法，本研究板帶鋼頭部翹曲量用其頭部彎曲高度h表示的，以毫米（mm）為單位。

2.2 初始條件及邊界條件

有限元計(jì)算結(jié)果是否精確與邊界條件的選取直接相關(guān)，考慮各種因素對(duì)邊界條件的影響，板帶鋼熱軋過程中主要的邊界因素有：1）軋件與除鱗水和冷卻水對(duì)流換熱。除鱗是利用高壓水流（1 500～2 000 MPa）沖擊軋件表面，這種熱量損失屬于強(qiáng)迫對(duì)流形式，與冷卻水對(duì)流換熱不同，其對(duì)流換熱系數(shù)主要影響因素是水流密度、速度、水壓、介質(zhì)溫度、軋件表面溫度及材料熱物理性能等。2）軋件與軋輥之間的接觸熱傳導(dǎo)。軋件與軋輥接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)受軋件材質(zhì)、軋輥材質(zhì)、軋制速度及軋制壓力等多種因素的影響，實(shí)驗(yàn)方法很難測(cè)得其真實(shí)值。3）軋件與周圍空氣之間的換熱主要是對(duì)流換熱和熱輻射，其等效換熱系數(shù)為對(duì)流換熱系數(shù)與輻射換熱系數(shù)之和。當(dāng)軋件在1 000℃左右時(shí)，自然對(duì)流熱量損失占總熱量損失的5%左右，因此熱輻射是軋件與周圍空氣之間換熱的主要影響因素。根據(jù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)情況有關(guān)參數(shù)的測(cè)試及理論計(jì)算，采用如下條件：

初始條件，軋輥直徑1 600 mm，輥速300 m/s，軋件溫度1 000℃，軋輥溫度400℃。

熱邊界條件，軋件與除鱗水和冷卻水對(duì)流換熱的等效換熱系數(shù)為1 kW/（m2·℃），軋件與周圍空氣之間的（對(duì)流換熱和熱輻射）等效換熱系數(shù)為0.17 kW/（m2·℃），功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)（變形熱）0.95。

接觸邊界條件，摩擦生熱系數(shù)0.8，上下工作輥與軋件接觸表面的摩擦系數(shù)0.2，軋件與軋輥之間的接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)為20 kW/（m2·℃）。

3 影響帶鋼翹曲的因素及規(guī)律

3.1 上下表面溫度差對(duì)帶鋼頭部翹曲的影響

其他工藝條件相同，僅鋼坯上、下表面存在溫度差，且上表面溫度高于下表面溫度，軋件變形如圖1所示。由于在變形區(qū)軋制力相等，金屬的變形抗力受變形溫度、變形速度、變形程度影響，溫度高的區(qū)域變形速度快，變形程度大，必然會(huì)使L1＞L2，即ΔH1＞ΔH2。軋件上表面的前滑值比軋件下表面的前滑值大，在將鋼板從中性層分為上、下兩半部分的情況下，上軋輥從變形區(qū)軋出的金屬體積將比同一時(shí)間內(nèi)下軋輥從變形區(qū)軋出的金屬體積大，結(jié)果形成圖1所示的翹曲形狀。

圖1 軋件上下表面存在溫度差時(shí)軋出的軋件形狀

為定量研究溫度在帶鋼厚度方向上分布不均對(duì)翹曲量的影響，設(shè)定帶鋼下表面的溫度為1 000℃，上表面溫度在所研究的模擬模型分別設(shè)定為：970、960、950℃。所得翹曲量和上下表面溫度差（30、40、50℃）的關(guān)系如圖2a所示。由圖2a可得出：1）在該軋制工藝參數(shù)條件下，當(dāng)上下表面溫度差相同時(shí)，不同壓下率間產(chǎn)生的翹曲量增加趨勢(shì)相差不大，因?yàn)榇藭r(shí)溫度差相同，隨著壓下量的增加，即變形程度增加，溫度高區(qū)域金屬的變形抗力受變形速度和變形程度的影響比溫度低區(qū)域金屬的變形抗力增加得多，最終導(dǎo)致軋件的中性層偏向一側(cè)，量變化程度很小，即產(chǎn)生的翹曲量增加趨勢(shì)相差不大。2）在相同壓下率，所得翹曲量隨上下表面溫度差的增大而增大，變形溫度是影響金屬變形抗力的主要因素，溫度高，金屬的變形抗力低，上下表面溫度差對(duì)板形的翹曲量影響很大，尤其是在大的壓下率工藝條件下。因此在實(shí)際帶鋼生產(chǎn)中，應(yīng)控制好軋件上下表面溫度差，避免帶鋼頭部翹曲影響正常生產(chǎn)。

3.2 摩擦系數(shù)比對(duì)帶鋼頭部翹曲的影響

摩擦問題十分復(fù)雜且摩擦機(jī)理及作用很難用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確地描述，所以實(shí)際生產(chǎn)情況下如何控制摩擦的影響是軋制工藝研究中的一個(gè)難點(diǎn)。軋件和軋輥接觸表面的摩擦力的大小及分布與接觸弧長(zhǎng)度和鋼板的平均厚度的比值以及摩擦系數(shù)有關(guān)。根據(jù)摩擦力方向、分布，將整個(gè)變形區(qū)根據(jù)摩擦力劃分為前滑區(qū)、中性點(diǎn)、后滑區(qū)。為研究摩擦系數(shù)比及不同壓下量對(duì)板帶鋼頭部翹曲的影響，當(dāng)壓下量增加時(shí)，摩擦力增大，接觸弧長(zhǎng)變長(zhǎng)，同時(shí)中性點(diǎn)前移，即前滑區(qū)變短。當(dāng)改變摩擦系數(shù)時(shí)，接觸弧長(zhǎng)基本不變，但摩擦力值隨摩擦系數(shù)增大而增大，中性點(diǎn)后移［3］。本研究設(shè)定下工作輥與軋件的接觸摩擦系數(shù)為0.2，上工作輥與軋件的摩擦系數(shù)在每個(gè)模型中定為：0.24、0.28、0.32。得到在不同摩擦系數(shù)比（1.2、1.4、1.6）、不同壓下率下與帶鋼頭部翹曲量的關(guān)系如圖2b所示。

圖2 軋件頭部翹曲量與上下面溫差及摩擦系數(shù)比的關(guān)系

由圖2b可看出，在此軋制工藝條件下，隨著摩擦系數(shù)比的增加，摩擦系數(shù)大的一側(cè)軋件受到的摩擦力增大，金屬的塑性流動(dòng)受到抑制，所以帶鋼頭部翹曲量相應(yīng)增加，但是隨著輥摩擦系數(shù)比的增大，摩擦系數(shù)大的一側(cè)軋件的中性點(diǎn)相對(duì)后移，即前滑值比原來(lái)有所增加，所以軋件頭部翹曲量增加幅度有減緩的趨勢(shì)。在相同的摩擦系數(shù)比條件下，壓下率增大，摩擦力增大，摩擦系數(shù)大的一側(cè)軋件中性點(diǎn)相對(duì)于摩擦系數(shù)小的一側(cè)軋件中性點(diǎn)前移，即前滑值相對(duì)變小，軋件上下表面金屬流動(dòng)的體積差增大，導(dǎo)致軋件頭部翹曲量在相同的摩擦系數(shù)比條件下隨著壓下量的增加而增加的趨勢(shì)增大。

3.3 輥速比對(duì)帶鋼頭部翹曲的影響

由于存在上下工作輥線速度不等，引起變形區(qū)中兩個(gè)工作輥與軋件接觸面上的摩擦力不對(duì)稱，從而導(dǎo)致變形區(qū)存在搓軋區(qū)。在搓軋區(qū)，上、下兩輥的摩擦力方向不同，導(dǎo)致快輥的力矩比慢輥的大。由此快輥一側(cè)軋件受到剪應(yīng)力較大，金屬流動(dòng)量大，會(huì)造成帶鋼頭部翹曲［4-5］。本模型設(shè)定上工作輥輥速為300 mm/s，只單獨(dú)改變下工作輥輥速，下工作輥輥速分別為：301.5、303.0、304.5 mm/s。軋件翹曲量與輥速比（1.005、1.010、1.015）及壓下率的關(guān)系如圖3a所示。由圖3a可看出，在此模擬條件下，由于輥速的不同，軋件上下表面金屬的延伸率、前滑和出口流動(dòng)速度不一致，快輥側(cè)的金屬延伸率和出口流動(dòng)速度比慢輥側(cè)大，這將造成軋件向慢速輥側(cè)彎曲。隨著相對(duì)輥速的增加，快速輥側(cè)金屬的延伸率和出口流動(dòng)速度增大，從而使軋件頭部翹曲量增加。當(dāng)壓下量增加時(shí)，快速輥側(cè)金屬的流動(dòng)量也將相應(yīng)增大，軋件頭部翹曲量也隨著增加。從軋件頭部翹曲量與輥速比的關(guān)系來(lái)看，隨著輥速比的增大，頭部翹曲量增加速率增大。

3.4 工作輥異徑比對(duì)帶鋼頭部翹曲的影響

當(dāng)其他軋制工藝參數(shù)全部相同，僅當(dāng)上、下工作輥輥徑不相等時(shí)，對(duì)軋件頭部翹曲有兩種影響：1）兩輥的軋制力相等，則在小輥徑一側(cè)產(chǎn)生的壓下量大于大輥徑一側(cè)的壓下量，則小輥徑一側(cè)金屬流動(dòng)量大，使軋件彎向大輥徑側(cè)。2）兩輥角速度相同，則大輥一側(cè)的軋件表面金屬在單位時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的距離長(zhǎng)，使軋件彎向小輥一側(cè)。由以上分析可知，當(dāng)上下軋輥的輥徑不同時(shí)，兩輥圓周速度和壓下量對(duì)軋件頭部彎曲的影響相反。當(dāng)壓下量較小時(shí)，兩輥圓周速度差別的影響起主導(dǎo)作用，即軋件頭部彎向小直徑工作輥；當(dāng)壓下量較大時(shí)，兩輥壓下量的差起主導(dǎo)作用，即軋件頭部彎向大直徑工作輥。在模擬計(jì)算時(shí)所使用的工藝參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)相符合，采用上工作輥的直徑參數(shù)為1 600 mm，下工作輥直徑參數(shù)在每個(gè)工況條件下分別為1 616、1 632、1 648 mm，得到帶鋼頭部翹曲量與工作輥異徑比（1.01、1.02、1.03）及壓下率的關(guān)系如圖3b所示。

圖3 軋件頭部翹曲量與輥速比及異徑比的關(guān)系

由圖3b可看出：隨著異徑比及壓下率的增加帶鋼頭部翹曲量增加。當(dāng)輥徑比較小時(shí)，在較大的壓下率條件下，帶鋼頭部翹曲量才會(huì)很大，當(dāng)輥徑比較大時(shí)，在較小的壓下率條件下，帶鋼頭部就會(huì)出現(xiàn)很大翹曲量。

在存在軋輥異徑比的情況下，壓下率對(duì)帶鋼頭部翹曲的影響較為敏感。同一異徑比時(shí)，隨著壓下量的增大，軋件頭部翹曲量迅速增大，隨后其增加趨勢(shì)減緩。其原因是在壓下率較小時(shí)，兩輥角速度相同，則大輥一側(cè)的軋件表面金屬在單位時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的距離長(zhǎng)，使軋件彎向小輥一側(cè)。隨著壓下率的增加，兩輥的軋制力相等，使在小輥徑一側(cè)產(chǎn)生的壓下量大于大輥徑一側(cè)的壓下量，則小輥徑一側(cè)金屬流動(dòng)量增加，減弱了由于輥速差對(duì)帶鋼頭部翹曲的影響。所以帶鋼頭部翹曲量增加趨勢(shì)減緩。

4 帶鋼翹曲的解決措施

1）壓下率的大小不是帶鋼頭部產(chǎn)生翹曲的根本原因，而是壓下量耦合不對(duì)稱軋制因素促使帶鋼頭部翹曲，在非對(duì)稱軋制生產(chǎn)中必須考慮壓下率對(duì)板帶鋼翹曲的影響。不同的壓下率是不對(duì)稱軋制中用于調(diào)整帶鋼頭部翹曲最主要的幾個(gè)軋制參數(shù)之一。因此，在滿足軋制工藝要求的前提下，優(yōu)化軋制規(guī)程可以減緩板帶鋼頭部翹曲現(xiàn)象。

2）軋件上下表面的冷卻水流量、噴射方式的差異導(dǎo)致軋件上下表面存在溫差，而板帶鋼頭部翹曲量對(duì)軋件上下表面的溫度差較敏感，因此要改善加熱條件，注意調(diào)節(jié)冷卻工藝，降低上下表面溫差，以減小軋件頭部翹曲量。

3）在本模擬的不對(duì)稱工藝參數(shù)的軋制條件下，上下輥摩擦系數(shù)比對(duì)帶鋼頭部翹曲量的影響量最小，而輥徑比對(duì)帶鋼頭部翹曲量影響最大。因此可采用適當(dāng)?shù)呐漭伔桨?，消除其他不?duì)稱因素造成板帶鋼頭部翹曲量的影響，獲得良好板形。

4）粗軋的上下工作輥是通過兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速可調(diào)電機(jī)傳動(dòng)的，合理選擇控制速度調(diào)節(jié)參數(shù)，使軋制過程中上下軋輥的速度不同，即輥速比不同，可以有效控制其他因素對(duì)板帶鋼頭部翹曲造成的不良影響。

［1］ 孫薊泉，張海濱，于全成.熱軋帶鋼頭部翹曲原因分析［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2006，18（7）：31-34.

［2］ 龐玉華，劉長(zhǎng)瑞，王伯建，等.板帶材軋制頭部翹曲的影響因素［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2007，19（5）：35-36.

［3］ 程曉茹，胡衍生，李虎興，等.中厚板軋制軋件頭部彎曲模擬計(jì)算［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，24（3）：228-230.

［4］ 朱光明，杜鳳山，孫登月，等.板帶軋制變形區(qū)內(nèi)摩擦力分布的有限元模擬［J］.冶金設(shè)備，2002，8（4）：2-3.

［5］ 趙志業(yè).金屬塑性變形與軋制理論［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

Cause Analysis and Control Measures of Strip Head Bending in Rough Rolling

YUAN Fu-shun,SUN Ji-quan
（School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China）

There are many reasons resulting in the head bending of steel strip.The asymmetry in the upper and lower layers of the steel strip is the main factor,including uneven temperature,different friction,different peripheral velocity,unequal radius of the upper roll and lower roll,etc.Marc finite element analysis software was adopted to study bending of the steel strip.Two-dimension thermal-mechanical coupled models were proposed to simulate rolling of strip.The results showed that curling at the front end of steel strip was increased with the uneven temperature,friction coefficient ratio,roller speed ratio and the roller diameter ratio,but the increasing trends are different.At the same time,the measures that can solve the curling at the front end of steel strip were put forward,that were optimizing the schedules and the heating conditions,the adoption of appropriate roller programs,selecting the reasonable parameter of the speed.

strip steel;hot rolling;head bending;finite element;thermo-mechanical coupling

TG335.5+6

A

1004-4620（2010）04-0023-03

*“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃基金項(xiàng)目（2006BAE03A06）。

2010-06-13

袁福順，男，1984年生，北京科技大學(xué)材料與工程學(xué)院材料加工專業(yè)2008級(jí)碩士研究生。