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冷轧钢卷内部应力的影响因素研究

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：张世元

[导读] 摘要：冷轧带钢卷的内部应力场的分布规律是影响卷取过程板形缺陷的主要因素之一。

        身份证号码：13058219890205xxxx
        摘要：冷轧带钢卷的内部应力场的分布规律是影响卷取过程板形缺陷的主要因素之一。为了研究冷轧带钢卷的内部应力，本文把带钢卷径向弹性模量作变量处理，考虑了带钢卷的各向异性，以每层带钢的厚度中心为基准，根据弹性力学轴对称理论，列出带钢的层间径向位移和应力的方程式，从而计算出带钢卷内部应力。同时研究了带钢厚度、卷取初始张力对带钢卷内部应力分布的影响，并采用定性实验对计算结果进行进一步验证。
        关键词：冷轧钢卷；内部应力
        冷轧带钢的卷取过程中，带钢卷内应力场不断变化，会产生错层、折边和层间粘结等缺陷。此外，在卸载过程中，带钢卷的内应力发生变化导致重新分布，会出现一定的平整度缺陷，如下凹（塌卷）、内凸（心型卷）等[1-4]。为了解决这些缺陷问题，国内外学者对冷轧带钢卷的内应力进行了大量的理论分析与探讨[5-10]。周国盈[6]把钢卷作为连续带环多层组合的弹性圆筒，并考虑了钢卷层间的摩擦，运用每卷一层钢卷对卷筒施加一次径向压力增量，累加这些应力增量得出考虑缩径的卷筒的径向压力。计算时把卷取张力（周向应力）取平均值，然而周向应力是逐层变化的，把径向弹性模量当常量处理，没有考虑钢卷的各向异性。Wang等[7]在计算冷轧带钢卷取过程中的应力时忽略了带钢层间径向弹性模量的变化。连家创开始用逐层迭代的方法导出钢卷的径向压力方程，但是在迭代的过程中，各参数、迭代次数与迭代精度如果选择不当，迭代可能就会失败，且连家创的这些公式只适用于不考虑卷筒缩径的钢卷内部应力的求解。本文考虑了带钢卷的各向异性，推导带钢卷取过程中逐层内应力的求解方程，分析了冷轧带钢卷取过程中的内部应力分布并对计算结果做了定性实验进行验证。
        1钢卷内部应力场求解力学模型
        假设钢卷处于轴对称应力状态，逐层卷取过程中，卷取第i层后第j层带钢的内圈的径向压力等于卷取第i-1层后第j层带钢的内圈的径向压力与卷取第i层后第j圈带钢内圈的径向压力增量之和，卷取第i层后第j层带钢的内圈的周向应力等于卷取第i-1层后第j层带钢的内圈的周向应力与卷取第i层后第j圈带钢内圈的周向应力增量之和。
        2定性实验
        定性实验的基本卷取参数选取以燕山大学轧制中心实验室二十辊轧机为例进行分析。其他参数与理论计算参数相同，实验室温度T=15℃，湿度RH=20 g/m³。
        （1）取带钢厚度0.2 mm，卷取初始张力35、50、65 MPa时，测量卷筒所受的径向压力，设置好二十辊轧机的相应参数，将已经准备好大小适中的感压纸放在卷取中的第1层带钢中，在卷完第50层后停留2 min然后卸卷，取出感压纸。对比标准比色卡，实验测感压纸（a）的读值是3～4 MPa，（b）的读值是5～6 MPa，（c）的读值是7～8 MPa。实验测得值与理论计算值比较接近，在带钢卷取厚度相同卷取层数相同时，卷筒所受的径向压力都随着卷取初始张力增加而逐渐增大。
        （2）取带钢厚度0.2 mm，卷取初始张力35 MPa时，测量不同层数带钢的径向压力，设置好二十辊轧机的相应参数，将已经准备好大小适中的感压纸放在卷取中的第1层带钢中，首先逐层卷取50层完成后停留2 min然后卸卷，取出感压纸。

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重复上述实验步骤卷取层数分别为卷取100层、150层、200层完成后停留2 min然后卸卷，取出感压纸。对比标准比色卡，实验测感压纸（a）的读值是3～4 MPa，（b）的读值是4 MPa左右，（c）的读值是4 MPa左右。实验测得值与理论计算值比较接近，在带钢卷取厚度相同卷取初始张力相同时，卷筒所受的径向压力未达到稳定之前是随着卷取层数增加逐渐增大，而达到稳定之后不再发生变化。
        （3）取带钢厚度分别为0.2和0.4 mm，卷取初始张力35 MPa时，测量卷取300层后第50层带钢所受的径向压力，设置好二十辊轧机的相应参数，将已经准备好大小适中的感压纸放在卷取中的第50层中，继续卷取直到300层后停留2 min然后卸卷，取出感压纸。对比标准比色卡，实验测感压纸（a）的读值是3～4 MPa，（b）的读值是5～6 MPa。实验测得值与理论计算值比较接近，在卷取初始张力相同卷取层数相同时，钢卷所受的径向压力随着带钢厚度的增加而增大。
        结束语
        冷轧带钢卷取过程中的内应力场分布是影响板形缺陷的主要因素之一。为了研究冷轧带卷的内应力，本文将带卷的径向弹性模量作为一个变量。考虑了带卷的各向异性。以每层带钢的厚度中心为基础，根据轴对称弹性理论，列出了带钢层间的径向位移和应力方程，计算了带钢卷的内应力。同时，研究了带钢厚度和初始张力对钢卷应力分布的影响，并通过定性实验进一步验证了研究结果。考虑带钢卷的各向异性，列出带钢卷的内部应力方程；基于带钢卷的内部应力方程研究带钢厚度、卷取张力对卷筒压力和钢卷内应力分布的影响；进行相应的定性实验验证，实验结果与计算结果较吻合。
        参考文献：
        [1]李麒麟.带钢卷取及开卷过程典型缺陷的分析及关键工艺模型开发[学位论文].秦皇岛：燕山大学，2017
        [2]白振华，司红鑫，周庆田.冷轧钢卷“心型卷”缺陷的预报及防治技术开发.钢铁，2013，48（6）：6
        [3]董鹏莉，尚海霞，王华.铸坯及板卷典型质量缺陷成因与控制技术.中国冶金，2017，27（06）：7
        [4]刘永丰，黄业钢.关于冷轧硅钢卷取内凸塌卷缺陷的探讨.中国冶金.2014，24（增刊）：335
        [5]Zhang H，Sun Y.Analysis model for deformation of coil of thin strip under coiling process-flatness change of thin strip during coiling process I.Journal of Changchun University of Science & Technology，1998，39：51
        [6]周国盈.卷取机卷筒径向压力的计算.上海金属，1981（4）：42
        [7]WANG Y Q，Li L I.Modeling of stress distribution during strip coiling process.J Iron Steel Res，2012，19（8）：06
        [8]连家创.卷取机卷筒单位压力的计算.机械工程学报，1980，16（3）：78