孫永旭 錢勝 白振華

(1：上海梅山鋼鐵股份有限公司冷軋廠 江蘇南京 210039；2：燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心 河北秦皇島 066004)

1 前言

鍍鋁鋅機(jī)組作為熱鍍鋅鋁板生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，由入口開卷機(jī)組、退火機(jī)組、鋅鍋、氣刀、鋅鍋鍍后冷卻塔、平整機(jī)、出口卷取機(jī)組等主要設(shè)備所組成，主要是完成冷軋帶鋼的預(yù)清洗、退火、熱浸鍍鋁鋅、鍍后冷卻、平整等接近成品的關(guān)鍵工序[1,2]。由于熱鍍鋅鋁板具有理想的耐腐蝕、成形、涂裝以及成本低、外觀好等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來得到了迅猛的發(fā)展。與此同時(shí)，在鍍鋁鋅機(jī)組的退火工序中，因退火過程中上下表面溫度不均而引起的帶鋼橫向翹曲缺陷(簡(jiǎn)稱C翹)則對(duì)下游鍍鋅工序鋅層的均勻性產(chǎn)生了較大的影響，已經(jīng)成為現(xiàn)場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。以往國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于帶鋼C翹的研究主要集中在冷軋帶鋼C翹問題以及C翹變形的力學(xué)問題理論求解等方面，比較典型的有張勃洋等人針對(duì)冷軋帶鋼生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的復(fù)雜板形翹曲缺陷機(jī)理分析，并建立復(fù)雜變形力學(xué)模型[3]，林瀟對(duì)高強(qiáng)鋼在熱處理過程中遇到難以解決板形問題，建立溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的三場(chǎng)耦合有限元模型[4]，但對(duì)于退火及熱鍍鋅過程中出現(xiàn)的C翹問題尚未有相關(guān)研究見諸于文獻(xiàn)。對(duì)于熱鍍鋅過程中C翹形成的機(jī)理、影響因素以及治理措施的研究依然是現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。本文即在此背景下圍繞著C翹而展開。

2 C翹定義及形成機(jī)理分析

2.1 C翹定義

所謂的C翹，就是指帶鋼沿著橫向卷起呈C形外觀的一種缺陷。為了定量的描述C翹缺陷，如圖1所示，建立相應(yīng)的直角坐標(biāo)系，沿x方向?yàn)閹т摽v向，沿y方向?yàn)閹т摍M向。在該坐標(biāo)系中帶鋼C翹是指帶鋼沿橫向往z方向翹曲變形，其發(fā)生翹曲的程度用翹曲量w來表示，規(guī)定：w>0，帶鋼發(fā)生上翹；w<0，帶鋼發(fā)生下翹。

圖1 帶鋼C翹描述

2.2 鍍鋁鋅機(jī)組帶鋼退火工藝簡(jiǎn)介

對(duì)于熱鍍鋁鋅機(jī)組而言，其退火爐內(nèi)由預(yù)熱段(PHS)、無氧化加熱段(DFS)、輻射管加熱/均熱段(RHS)、冷卻段(CS)、熱張輥段(TDRS)等五段工藝所組成。其中，在預(yù)熱段(PHS)帶鋼常溫升高至200℃，此段對(duì)帶鋼起到預(yù)熱作用，防止加熱速度過快；在無氧化加熱段(DFS)帶鋼溫度升高約550℃—630℃，此段燒去帶鋼表面軋制油；在輻射管加熱/均熱段(RHS)可將帶鋼表面溫度升高至約580℃—800℃，將帶鋼內(nèi)部組織達(dá)到退火狀態(tài)；冷卻段(CS)可將帶鋼溫度降至鍍鋁鋅所需溫度范圍550℃—600℃。與此同時(shí)，帶鋼在熱鍍鋁鋅機(jī)組的退火過程中，隨著加熱溫度的升高帶鋼內(nèi)部組織和性能的變化可分為回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大等三個(gè)階段。

2.3 C翹缺陷的形成機(jī)理

帶鋼C翹缺陷與帶鋼加工條件以及環(huán)境有直接關(guān)系，帶鋼在軋制過程所發(fā)生的C翹是帶鋼沿軋制方向不均勻延伸所導(dǎo)致，而鍍鋁鋅機(jī)組退火過程中帶鋼的C翹形成機(jī)理與之有著本質(zhì)上差異。為了闡述鍍鋁鋅機(jī)組退火過程中C翹缺陷的形成機(jī)理，如圖2所示，以鍍鋁鋅機(jī)組退火爐部分某一工藝段為例，選擇相鄰兩個(gè)爐輥之間的帶材作為一個(gè)單元進(jìn)行分析。

圖2 分析單元

如前所述，帶鋼在退火爐內(nèi)的高溫環(huán)境下，加之張力作用，極易發(fā)生塑性變形。由于爐內(nèi)加熱裝置的局限性以及爐溫分布不均，使得帶鋼表面的溫度不管在橫向、縱向和厚向都有差異性，各處塑性變形程度不相同，若當(dāng)帶鋼溫度降低，彈性變形得到恢復(fù)，而塑性變形殘留。當(dāng)帶鋼橫向溫度不均性較大時(shí)，帶鋼在橫向塑性變形殘留較大，所以在宏觀上表現(xiàn)為帶鋼沿著橫向出現(xiàn)由寬變窄現(xiàn)象。同時(shí)帶鋼厚度方向也存在溫差，就出現(xiàn)沿厚度方向各處寬度不均勻，這就導(dǎo)致出現(xiàn)帶鋼C翹缺陷。

為了進(jìn)一步的分析C翹的形成機(jī)理，現(xiàn)分別以帶鋼從常溫升至最高溫度的過程分析，將帶鋼單元受力狀態(tài)繪制如圖3所示。在圖3中，Tu(x,y)、Td(x,y)分別表示為帶鋼單元上下表面任意區(qū)域溫度分布函數(shù)，帶鋼在張應(yīng)力σx作用下保持縱向平直，此張應(yīng)力在帶鋼升溫時(shí)縱向等效為無約束。而在橫向帶鋼未受到外界力作用，故帶鋼沿橫向有受熱變形的趨勢(shì)較大。設(shè)上、下表面沿橫向熱應(yīng)力分別為σTu、σTd，對(duì)應(yīng)上下表面應(yīng)變量為εu、εd，帶鋼高溫下屈服強(qiáng)度極限σsT。

圖3 帶鋼單元體受力狀態(tài)

假設(shè)帶鋼已處于高溫狀態(tài)，但由于加熱元件以及爐內(nèi)熱傳導(dǎo)效率有差異，使得帶鋼上下表面任意區(qū)域溫度不等，此時(shí)帶鋼上下表面是彈性變形與塑性變形并存的狀態(tài)。這樣，若Tu(x,y)>Td(x,y)，則σTu>σTd≥σsT，εu≥εd，帶鋼沿橫向上表面較下表面的應(yīng)變量大，此時(shí)表現(xiàn)為帶鋼下C翹，w<0，外觀就表現(xiàn)為如圖4(a)所示下C翹帶鋼形狀；若Tu(x,y)σTu≥σsT，εd≥εu，帶鋼沿橫向下表面較上表面的應(yīng)變量大，此時(shí)表現(xiàn)為帶鋼上C翹，w>0，此時(shí)帶鋼橫截面就表現(xiàn)為如圖4(b)所示上C翹形狀。

圖4 C翹形態(tài)圖

3 熱鍍鋁鋅機(jī)組帶鋼C翹主要影響因素分析

如前所述，對(duì)于熱鍍鋁鋅機(jī)組而言，帶鋼發(fā)生C翹機(jī)理為高溫退火過程中帶鋼表面溫度分布不均使得帶鋼沿橫向各處應(yīng)變量不均勻。這樣，影響帶鋼沿橫向各處應(yīng)變量不均勻的因素，實(shí)際就是帶鋼C翹的影響因素。為此，經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤與實(shí)驗(yàn)研究，最終得到熱鍍鋁鋅機(jī)組帶鋼C翹產(chǎn)生的因素主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：(1)加熱段帶鋼上下表面熱源分布不均 在熱鍍鋁鋅機(jī)組的退火工藝段，帶鋼的加熱依靠帶鋼上下表面的熱源(包括明火燒嘴與輻射管)來加熱，燒嘴與輻射管橫向的布置直接影響帶鋼溫度的橫向分布；而燒嘴及輻射管在帶鋼的上下表面分布的不對(duì)稱性也會(huì)直接導(dǎo)致帶鋼上下表面溫度的不均勻；(2)加熱段帶鋼張力設(shè)定不合理 如圖5所示，在加熱段，如果帶鋼張力偏小，帶鋼在重力的作用下將會(huì)下垂，下垂后的帶鋼下表面離下燒嘴及輻射管比較近，而上表面離上燒嘴及上輻射管距離比較遠(yuǎn)，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)下表面溫度遠(yuǎn)高于上表面的情況，從而造成上翹；如果此時(shí)張力偏大，則又會(huì)造成帶鋼的拉窄問題；(3)冷卻段上下表面風(fēng)機(jī)壓力設(shè)定不合理 在冷卻段，當(dāng)上表面的風(fēng)機(jī)、下表面風(fēng)機(jī)噴嘴處的壓力設(shè)定成完全相同時(shí)，由于重力的作用，實(shí)際上帶鋼會(huì)出現(xiàn)一定的下垂，這樣下表面離噴嘴的距離要比上表面近，因此下表面的冷卻效果要高于下表面的冷卻效果，從而造成下表面的溫度低于上表面的溫度，形成下翹；當(dāng)上表面噴嘴處風(fēng)機(jī)的壓力遠(yuǎn)高于下表面時(shí)，此時(shí)又會(huì)出現(xiàn)上表面帶鋼實(shí)際冷卻效果超過彌補(bǔ)因帶鋼下垂而引起的上下表面溫度冷卻效果差，造成上表面的溫度低于下表面的溫度，造成上翹；(4)冷卻段張力設(shè)定不合理，與加熱段不一樣，在冷卻段，如果張力偏小造成帶鋼下垂則會(huì)導(dǎo)致下表面冷卻效果高于上表面，從而出現(xiàn)下翹缺陷；(5)來料板形缺陷 由于來料板形缺陷的影響，使得帶鋼上下表面起浪部位在加熱段與燒嘴及輻射管的距離不相同、而在冷卻段又與上下風(fēng)機(jī)噴嘴距離不相同(如圖5所示)，造成上下表面的溫差，引起翹曲。

4 C翹治理措施以及效果分析

4.1 C翹治理措施的研究

根據(jù)C翹的形成機(jī)理以及影響因素的分析，對(duì)于帶鋼C翹治理需從控制帶鋼表面溫度分布均勻性、風(fēng)機(jī)壓力、張力的優(yōu)化等三個(gè)方面提出治理措施。帶鋼是連續(xù)化生產(chǎn)，自動(dòng)化程度高、多工藝聯(lián)合的產(chǎn)品。帶鋼C翹存在于各工藝中，不能單獨(dú)考慮某一工藝段。要想減輕或者消除翹曲量，應(yīng)該采用多工藝段聯(lián)合執(zhí)行。由此制定帶鋼缺陷治理方案：

圖5 加熱段帶鋼下垂及與燒嘴距離示意圖

圖6 來料板形不良時(shí)帶鋼上下表面受熱或冷卻示意圖

(1)在明火無氧化加熱段，控制明火燒嘴狀態(tài)，調(diào)節(jié)爐溫，從而控制帶鋼表面溫度在合適范圍內(nèi)，控制好帶鋼板形，減小帶鋼表溫面差，盡量減輕帶鋼翹曲量；

(2)在明火無氧化加熱段，升溫過快，導(dǎo)致帶鋼翹曲量較大。在輻射管加熱/均熱段，控制輻射管狀態(tài)，降低升溫速度，補(bǔ)償帶鋼表面溫度，增加輻射管均熱的時(shí)間，從而減小帶鋼表面溫差；

(3)若在輻射管加熱/均熱段未緩解帶鋼較大翹曲量，可以從冷卻段入手，利用風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)帶鋼表面分布，保持均勻降溫速度，反向補(bǔ)償帶鋼翹曲量，從而改善板形；

(4)對(duì)加熱段張力進(jìn)行優(yōu)化 根據(jù)加熱段上下燒嘴及輻射管的布置情況，對(duì)張力進(jìn)行優(yōu)化，減少帶鋼表面的溫度差；

(5)對(duì)冷卻段張力進(jìn)行優(yōu)化 根據(jù)冷卻段上下表面風(fēng)機(jī)壓力情況，對(duì)冷卻段張力進(jìn)行優(yōu)化，減少帶鋼表面的溫度差。

(6)制定來料板形標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)于來料板形過大的帶鋼在無法避免生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)該制定特殊的張力制度，盡量在退火過程中減少板形缺陷。

4.2 效果分析

在熱鍍鋁鋅機(jī)組的生產(chǎn)過程中，如果退火過程中出現(xiàn)了C翹缺陷，所導(dǎo)致的直接后果就是帶鋼經(jīng)過鋅鍋及氣刀后表面出現(xiàn)鍍層不均勻的問題。當(dāng)帶鋼出現(xiàn)上翹時(shí)，會(huì)出現(xiàn)上表面鍍層厚度不均勻度較大且厚度平均值較大，而相對(duì)來說下表面鍍層厚度不均勻度較小且厚度平均值較小。這就是說，在熱鍍鋁鋅機(jī)組中，可以通過鋅層的均勻性來判斷退火過程中C翹的嚴(yán)重程度。某冷軋廠熱鍍鋁鋅機(jī)組在投產(chǎn)之初，C翹缺陷較為嚴(yán)重，為此采用4.1所述相關(guān)措施對(duì)C翹缺陷進(jìn)行治理，C翹缺陷降低30%以上，取得了良好的效果。

5 結(jié)論

(1)在鍍鋁鋅機(jī)組中帶鋼C翹本質(zhì)是高溫下帶鋼表面溫度分布不均使得帶鋼沿橫向各處應(yīng)變量不均勻所致；

(2)在連續(xù)退火過程中影響帶鋼C翹主要因素為加熱段帶鋼上下表面熱源分布不均、加熱段帶鋼張力設(shè)定不合理、冷卻段上下表面風(fēng)機(jī)壓力設(shè)定不合理、冷卻段張力設(shè)定不合理、來料板形缺陷等五個(gè)方面；

(3)應(yīng)用帶鋼連續(xù)退火過程中多工藝段聯(lián)合執(zhí)行，從控制帶鋼表面溫度分布均勻性、風(fēng)機(jī)壓力、張力優(yōu)化、來料板形標(biāo)準(zhǔn)的制定等方面提出了治理措施，將該措施應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)，取得了良好的使用效果，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值。