[科普中國(guó)]-瓢曲

簡(jiǎn)介

鋼板因橫向和縱向都出現(xiàn)彎曲而形成的瓢狀缺陷。瓢曲與波浪是同一性質(zhì)的缺陷，其形成的原因基本相同，現(xiàn)統(tǒng)一叫不平度。測(cè)量方法為，將鋼板自由地放在平臺(tái)上，除鋼板的本身重量外，不施加任何壓力，用米尺測(cè)量鋼板翹曲離平臺(tái)最大處的距離。有的國(guó)家研制出一種專門測(cè)板形的平臺(tái)，鋼板放在平臺(tái)上，有探針沿刪軸移動(dòng)掃描，測(cè)出鋼板各點(diǎn)離平臺(tái)的距離，并在熒光屏上顯示出整張鋼板的板形。隨著技術(shù)的進(jìn)步已發(fā)明了許多提高鋼板平直度的措施，最常用的辦法有液壓彎輥、移輥技術(shù)和軋輥分段冷卻，以控制中間與兩側(cè)的熱凸度。此外還有各種可變凸度設(shè)計(jì)，以達(dá)到控制板形的目的，但最有效的辦法是用平整機(jī)平整或進(jìn)行張力矯直。

熱瓢曲作為影響連退機(jī)組穩(wěn)定生產(chǎn)的主要技術(shù)難題，已成為連退工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的“瓶頸”。發(fā)生熱瓢曲缺陷會(huì)在帶鋼表面產(chǎn)生褶皺，甚至造成斷帶。在對(duì)故障處理時(shí)，有時(shí)需要打開爐蓋拉出帶鋼，重新開爐時(shí)，爐內(nèi)氣氛要進(jìn)行置換，因此故障處理時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響機(jī)組的生產(chǎn)效率。

對(duì)于熱瓢曲產(chǎn)生的機(jī)理，自上世紀(jì)80年代就進(jìn)行了較多的探索，并取得較大的進(jìn)展，為現(xiàn)場(chǎng)熱瓢曲的防治提供了有益的參考。近年來，隨著連退工藝的發(fā)展、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員操作經(jīng)驗(yàn)的積累，以及對(duì)連退生產(chǎn)過程的深入研究，對(duì)以往的熱瓢曲理論提出了較大的質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)在爐輥表面溫度、爐輥熱凸度等控制良好的前提下仍有瓢曲發(fā)生；另外，以往研究中所強(qiáng)調(diào)的帶鋼失穩(wěn)屈曲僅局限在彈性范圍內(nèi)，且未體現(xiàn)出爐輥粗糙度的關(guān)鍵影響1。

連退過程中帶鋼受力與變形分析在以往的相關(guān)研究中，通常設(shè)定爐輥為未轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，并在帶鋼兩端施加恒定載荷，以此來分析帶鋼的受力和變形情況。采用該方法的弊端，是忽略了爐輥轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)與爐輥接觸部分帶鋼受力的影響，因而不能真正模擬出帶鋼瓢曲所產(chǎn)生的塑性褶皺，所得結(jié)果與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)。為了更準(zhǔn)確的分析連退過程中帶鋼的受力與變形情況，充分結(jié)合連退生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)，研究?jī)蓞^(qū)域內(nèi)壓應(yīng)力的產(chǎn)生基礎(chǔ)，及其對(duì)帶鋼變形的影響，為研究熱瓢曲產(chǎn)生機(jī)理奠定基礎(chǔ)2。

爐輥轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)帶鋼受力和變形的影響實(shí)際生產(chǎn)中，爐輥處于不斷轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，因此在模擬瓢曲發(fā)生過程中必須考慮這一因素的影響。在爐輥未轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，以上所述兩處橫向壓應(yīng)力區(qū)和發(fā)生的彈性變形，并不能造成瓢曲事故中帶鋼上的塑性褶皺。

第一橫向壓應(yīng)力區(qū)的壓應(yīng)力值變化及組成由第二壓應(yīng)力區(qū)形成的彈性屈曲在延伸至第一壓應(yīng)力區(qū)后仍存在一定程度的微小屈曲。爐輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶鋼逐漸往輥上運(yùn)動(dòng)，具有微小屈曲部分的帶鋼在與爐輥表面接觸后會(huì)逐漸展平，但爐輥和帶鋼之間的摩擦力會(huì)阻礙帶鋼的橫向移動(dòng)。由于展平的過程同樣發(fā)生在帶鋼與爐輥剛接觸的區(qū)域，所以摩擦力的阻礙作用會(huì)使第一橫向壓應(yīng)力區(qū)的壓應(yīng)力值增大。因此，由帶鋼橫向展平而產(chǎn)生的摩擦反力，是第一橫向壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)壓應(yīng)力的另一主要來源。帶鋼逐漸往輥上運(yùn)動(dòng)過程中，第一橫向壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)最大壓應(yīng)力值的變化，增大后的壓應(yīng)力值約是初值的2倍。

帶鋼上彈性和塑性屈曲的變化與積累在正常情況下，具有微小屈曲的帶鋼在與爐輥接觸后會(huì)完全展平。距帶鋼中心0mm～200mm 范圍內(nèi)，是爐輥平直段對(duì)應(yīng)的帶鋼。在初始階段，距帶鋼中心約60mm～70mm處，有一個(gè)微小屈曲，其屈曲的幅度隨著帶鋼位移而不斷積累增大（1500mm∶0mm時(shí)增大約40倍）。實(shí)際上這個(gè)屈曲在帶鋼移動(dòng)95mm時(shí)即開始產(chǎn)生塑性變形，在此之前是一個(gè)彈性屈曲的積累過程；而后是塑性屈曲的積累，也是初期瓢曲的發(fā)生和發(fā)展過程。另外，在距帶鋼中心200mm處也出現(xiàn)了一個(gè)逐漸累積的微小屈曲，但達(dá)到一定程度時(shí)就不再變化，且沒有發(fā)生塑性變形。但當(dāng)張力足夠大時(shí)，在該位置上也會(huì)發(fā)生類似的彈性和塑性屈曲的累積。

實(shí)際上，帶鋼的微小屈曲無法完全展平，不僅造成第一壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)壓應(yīng)力值在一定范圍內(nèi)持續(xù)增大，而且造成靠近爐輥處帶鋼寬度方向上的拉應(yīng)力分布更加不均勻，并在屈曲發(fā)生處出現(xiàn)劇烈變化。因此，增大后的橫向壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，是引起帶鋼塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)。

隨著爐輥轉(zhuǎn)動(dòng)和帶鋼位移，帶鋼的屈曲程度和塑性變形程度逐漸加深。并且已經(jīng)發(fā)生較大屈曲變形的帶鋼會(huì)對(duì)其后的帶鋼產(chǎn)生收緊的趨勢(shì)，使得瓢曲更易不斷發(fā)展，最終形成褶皺外觀明顯、對(duì)帶鋼品質(zhì)具有嚴(yán)重影響、對(duì)連續(xù)退火生產(chǎn)具有重大危害的瓢曲缺陷3。

熱瓢曲產(chǎn)生機(jī)理分析連退生產(chǎn)過程中熱瓢曲產(chǎn)生的過程和機(jī)理為：

1.帶鋼經(jīng)過加熱，其彈性模量和屈服強(qiáng)度都受高溫影響而降低，使得帶鋼易于發(fā)生塑性變形，這是熱瓢曲發(fā)生的前提。

2.由于爐輥錐度而在帶鋼上造成的第一、第二橫向壓應(yīng)力區(qū)，對(duì)帶鋼的受力和變形產(chǎn)生了很大影響，其中，第二橫向壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)的壓應(yīng)力使?fàn)t輥附近帶鋼發(fā)生失穩(wěn)彈性屈曲，這是其后第一橫向壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)應(yīng)力值增大以及瓢曲發(fā)生截面上彈塑性屈曲積累的根源。在第一橫向壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)增大的壓應(yīng)力與對(duì)應(yīng)處的拉應(yīng)力共同作用下，屈曲處的帶鋼發(fā)生了塑性變形，即開始產(chǎn)生瓢曲。

3.隨著帶鋼位移不斷增大，塑性屈曲程度也不斷積累加深，最終發(fā)展為對(duì)帶鋼品質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響、對(duì)連續(xù)退火生產(chǎn)具有重大危害的塑性褶皺。瓢曲發(fā)生后，已發(fā)生較大塑性屈曲變形的帶鋼會(huì)對(duì)其后接近爐輥處的帶鋼產(chǎn)生收緊趨勢(shì)，促使瓢曲不斷發(fā)展。

實(shí)際上，由于帶鋼運(yùn)行速度較大，以上所描述的變化均發(fā)生在極短時(shí)間內(nèi)，宏觀上表現(xiàn)為帶鋼上大幅度的彈性屈曲在繞上爐輥時(shí)急速轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢苫謴?fù)的塑性褶皺，即所謂宏觀熱瓢曲2。

相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用作為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際科技攻關(guān)項(xiàng)目的一部分，相關(guān)熱瓢曲機(jī)理方面的研究成果已經(jīng)成功應(yīng)用于某1850和2030連退機(jī)組。其中，某1850連退機(jī)組根據(jù)研究結(jié)果，使得現(xiàn)場(chǎng)因熱瓢曲而斷帶的次數(shù)從立項(xiàng)前的平均2次/月，下降到0.1次/月；某2030連退機(jī)組采用本文所述模型對(duì)原生產(chǎn)工藝制度進(jìn)行了優(yōu)化與完善，使得故障時(shí)間從原來的月平均41.56h，逐步下降到14.82h/月，下降了64.3%。月平均斷帶次數(shù)從原來的1.56次/月，下降0.22次/月，下降了85.9%，為企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益1。

總結(jié)1.在連續(xù)退火過程中，帶鋼上存在兩個(gè)機(jī)理不同、影響結(jié)果各異的橫向壓應(yīng)力區(qū)。其中第二橫向壓應(yīng)力區(qū)的壓應(yīng)力將引起板面大幅度的彈性屈曲，而帶鋼與爐輥初始接觸處的第一橫向壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)增大后的壓應(yīng)力，可以和對(duì)應(yīng)處的拉應(yīng)力共同作用，引起帶鋼熱瓢曲。

2.熱瓢曲發(fā)生前，在瓢曲發(fā)生位置處存在彈性屈曲的積累過程，該屈曲又進(jìn)一步影響其周圍的拉應(yīng)力和橫向壓應(yīng)力的大小和分布，從而誘發(fā)瓢曲；瓢曲后，該位置處存在塑性屈曲的積累。

3.第一、第二橫向壓應(yīng)力區(qū)概念的提出，清晰的描述了連續(xù)退火過程中帶鋼的受力與變形狀態(tài)，為爐輥輥形優(yōu)化設(shè)計(jì)、爐內(nèi)張力優(yōu)化等熱瓢曲治理技術(shù)的開發(fā)，奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)1。