1、12 第21卷 第一期1 9 9 9 年 l 月上 海 金 属SHANGHA I M E LAI另VOI.Z I , NoJan . , 1 9 9 9拉矫机破鳞原理的研究王建国朱(包头钢铁学院,01 40 10)李同庆(北京科技大学机械工程学院)【摘要】 分析总结了拉矫机破鳞理论 ,研究了拉矫机工艺参数与破鳞效果之间的关系,提出了酸洗拉娇机工艺参数优化的准则 , 同时就拉矫在破鲜方面的发展提出建议。关键词1 拉矫机 破鳞原理 带钢O N TllE DESCAL刃NG F UNC IF ON O F 叨口侣10 N LE刃班工ERWa ll g iJ an gu 。 U oT ngqlgnBa
2、ot ou In s tiut te of Io n i。)n 。 v e lle r , 、 cs 目in g , so p1 前 言随着经济发展及技术的进步 , 国内外市场对冷轧薄板质量的要求越来越高 , 因此如何在各工序采取措施来提高其质量便成为冷轧厂的当务之急。 酸洗拉伸弯曲矫直机作为热轧、冷轧之间承前启后的一台设备 ,在除鳞的高速、高效化以及对板形的改善方面起到了举足轻重的作用, 特别是对近年发展起来的酸洗一冷轧联机技术的实现, 更成为一种决定性的因素。 以往人们研究的重点集中于其对板形质量的改善, 这一点已取得了明显的效果 ,但如今已逐步感受到充分发挥拉矫机破鳞功能对于提高带材表面
3、质量进而提升带钢总体质量水平以及生产顺行的重大意义。 生产实践也表明, 近年来随着板形质量水平的逐渐提高 , 带材表面质量问题日益凸显。 如何使酸洗拉矫机在实际应用中更好的兼顾改善板形与破鳞的双重功能 ,这实际上是一个拉矫机工艺性能的优化问题 , 这一问题的解决亦有赖于拉矫机破鳞理论的研究。2 氧化铁皮的破坏形式l2 . 1 压应力作用下的破坏形式考虑一个性质均一的氧化铁皮在外载迅速作用下的破坏形式 ,此时可忽略蠕变的作用 ,而这时氧化铁皮在外力作用下的失效形式通常为形成贯穿氧化物的裂纹(源于原本来 作者王建国, 包头钢铁学院机械系, 副教授。 邮编: 01 4D 10第 l 期 王建国等:拉
4、矫机破鳞原理的研究存在的微裂纹) 。 对于受侧向压缩作用的氧 铁皮自身强度及其与基体界面结合强度之间化物 ,其破坏取决于沿氧化物与金属界面方 的关系。 当 界 面 牢 固 而 氧 化 铁 皮 脆 弱 时 为 图向 或 平 行 于 此 方 向 裂 纹 的 增 长。 EVANS的 1 中的路 径 1,反 之 当 氧 化 铁 皮 与 基 体 界 面 的研 究 结 果 表 明,氧 化 物 受 压 时 的 剥 落 可 通 过 结 合 强 度 相 对 较 小 时,剥 落 通 过 路 径 2 产生。两 个 过 程 产 生,通 过 哪 一 过 程 则 取 决 于 氧 化 2. 2拉 应 力作 用 下的破 坏
5、形式 二二一氧化物/ , 落 / / /气, 、 路径1界 面牢 固 氧 化 铁皮 脆 弱 温 度 降 增 加(一 T )路径 2界 面脆 弱氧化铁皮牢 固a( , 今 伙 , 尸, ,/尸/户分李一一压缩剪切破裂 脱开区域剥落物 b)二 入 一 一 超 里 破裂扩展方 向、 丈艺三买互西二二 (e )多墓 芬 攀 霉“ ,脱开部位( )不.万入才 万尸无 热 应 力 松 弛区拉 伸 破 裂的场 合热 应 力 松 弛区可能出 现剪 切 损 伤 受 损的界面图1 压应 力作 用下 的破 坏 形式氧化 物在 受 到 拉 应 力作 用 时,由 于 应 力 与 铁 基 体 附 着 力 差,这 样 当
6、氧 化 铁 皮 不 能 适只 能 通 过 金 属 基 体 传 给 氧 化 铁 皮,因 此 如 果 应 金 属 形 状 变 化 而 引 起 的 内 应 力 大 于 其 破 坏基 体 自 身 的 应 变 已 超 过 屈 服 应 变,此 时 氧 化 强 度 时,它 便 要 破 裂。带 材 在 经 过 弯 曲 辊 时铁 皮 将 不 能 被 施 加 更 大 的 应 力,当 金 属 基 体 上 下 表 面 处 于 不 同 的 应 力 状 态,最 终 产 生 不的 应 变 继 续 增 加 时,氧 化 物 将 变 成 一 个 个“孤 同 形 式 的 氧 化 铁 皮 剥 落,这 就 是 拉 矫 机 破 鳞岛”
7、,但 其 并 不 剥 落,如 图 2所 示。的 原 理 所 在。较 典 型 的 拉 矫 机 如 宝 钢 的 酸 洗一一几 厂 一 一 一 、 /拉矫机的工艺示意见图 o3氧化物“孤 岛”处 于 拉 伸 屈 服 下 的 基 体图 2 拉 应 力作 用下 的破 坏 形式3 拉矫机工艺参数对破鳞的影响与控制3 . 1 拉矫 机破 鳞 工 作机理利 用铁 基体 与 氧化铁 皮覆 层材 料性 能 的巨大差 异 , 采 用 机 械 方 法 反 复 弯 曲,基 体 材 料受 力 后 产 生 一 定 的 弹 塑 性 变 形,表 面 氧 化 铁皮 则 由一于 不 具 有 塑 性 且 破 坏 强 度 较 低,同
8、时机 架 倾 角T d一 弯 曲 辊 压 下 深 度图 3 宝钢酸洗拉娇机 工艺简图3 . 2 延 伸 率 的影 响用拉 矫机 进 行 机 械 除 鳞 处 理 时,若 使 带21 卷钢 产 生 一 定 的 延 伸 率,则 对 以 后 的 酸 洗 效 果有 很 大 影 响。因 为 带 钢 酸 洗 速 度 的 快 慢 直 接取 决 于 带 钢 表 面 氧 化 铁 皮 的 破 碎 程 度,而 一般 随 延 伸 率 的 增 大,带 钢 表 面 的 氧 化 铁 皮 破碎 程 度 会 增 加,因 此 破 鳞 效 果 也 就 越 好,除 鳞速 度 也 越 高。但 这 一 趋 势 却 不 是 一 直 有 效的
9、,尽 管 对 饱 和 点 的 位 置 还 有 不 同 看 法,但 形成 共 识 的 却 是 酸 洗 速 度 将 随 着 延 伸 率 的 提 高到 某 一 值 时 趋 于 饱 和,即 超 过 这 一 点 后 破 鳞效 果 将 不 再 随 延 伸 率 的 增 大 而 再 有 明 显 的 改善。文 献 图 提 出 除 鳞 速 度 的 上 升,当 延 伸 率达 到 约 1%时出现了大致饱和 的倾向 。 另 一方 面,带 钢 板 形 矫 直 的 效 果 在 延 伸 率 约 为0 . 5% 时差不多就矫平了 , 可 以 认 为 实 际 操 作中 延 伸 率 达 到1% 时效果最佳 。虽 对 于 达 饱和
10、点 的 延 伸 率 文 献 川 的 研 究 结 果 认 为 在 2%左右,但 不 管 饱 和 点 的 位 置 有 何 差 异,共 同 说明 的 一 个 问 题 却 是 盲 目 的 增 大 设 定 延 伸 率 对改 善 预 除 鳞 的 效 果 是 没 有 多 大 帮 助 的。这 一点 在 理 论 上 的 解 释 是 延 伸 率 的 增 大 会 对 铁 基体 上 氧 化 铁 皮 的 裂 缝 程 度 产 生 影 响,但 它 却对 改 变 氧 化 铁 皮 的 致 密 度 及 其 与 基 体 的 附 着力 无 多 大 帮 助,见 图 2。3 . 3 拉 伸 和 弯 曲对破 鳞 效 果 的影响带 钢 同一
11、 延 伸率 的获 得 既可在 大 张力小弯 曲下 实现,亦 可 在 小 张 力 大 弯 曲 下 实 现,但究 竟 哪 种 工 艺 对 破 鳞 更 有 利,这 里 面 牵 涉 的问 题 便 是 拉 伸 以 及 弯 曲 作 用 对 带 钢 破 鳞 效 果的 影 响。一 般 说 来,是 否 有 利 于 氧 化 铁 皮 的破 碎 以 及 氧 化 铁 皮 的 破 碎 程 度 是 衡 量 破 鳞 效果 好 坏 的 唯 一 标 准。基 于 这 一 观 点,可 以 认为 带 钢 弯 曲 程 度 增 加 对 破 鳞 效 果 的 改 善 作 用要 优 于 拉 伸 作 用 的 增 加:l) 由于氧化铁皮处于经常受压
12、应力状态下, 因 此 增 加 压 缩 作 用 要 比 增 加 拉 伸 作 用 更有 利 于 氧 化 铁 皮 的 破 碎;2) 压缩作用导致氧化铁皮结构疏松直至破碎 , 而 氧 化 铁 皮 硬 度 的 下 降 直 接 导 致 其 与铁 基 体 附 着 力 的 下 降 从 而 更 有 利 于 破 鳞,拉伸 作 用 对 其 硬 度 的 改 善 作 用 不 明 显;3) 氧化铁皮尽管有时以块状脱落 , 但 在其 与 铁 基 体 结 合 的 最 里 层 却 基 本 以 粉 粒 状 存在,此 时 压 缩 作 用 更 有 利 于 其 自 身 的 脱 落。工 业 用 的 破 鳞 机 象 除 鳞 器、矫 直 机
13、、平 整机、拉 伸 矫 直 机 等,它 们 对 带 钢 表 面 氧 化 铁 皮的 作 用 不 同,如 拉 伸、弯 曲、破 碎、碾 压 等,这些 设 备 使 用 于 酸 洗 线 上 作 用 的 侧 重 点 有 所 不同。当 带 钢 通 过 拉 伸 弯 曲 矫 直 机 的 弯 曲 辊时,带 钢 两 个 表 面 变 形 情 况 不 同,一 个 表 面 受到 张 力 拉 伸,氧 化 铁 皮 和 它 与 铁 基 体 的 界 面会 产 生 裂 纹,而 与 弯 曲 辊 相 接 触 的 另 一 面 将受 到 压 缩 力 的 作 用,氧 化 铁 皮 会 被 挤 碎 成 网状,有 的 不 再 附 着 于 基 体
14、上,直 至 脱 落。由 此可 见,拉 伸 弯 曲 矫 直 机 破 鳞 效 果 的 取 得 主 要依 靠 弯 曲 时 的 塑 性 徽 粗 作 用, sMS所 做的现场实验证明了这一点闭,其 破 鳞 示 意 见 图 o4弯曲棍钥板上表面、 、 、 、 、 、 钢基板与铁皮界面处的破裂钢板下表面召氧化铁皮图 4 破 鳞 示意 图4 酸洗拉矫机工艺优化准则 4 . 1 延伸 率的设 定结合 拉 矫 机 对 板 形 影 响 的研 究 结 果川,拉 矫 机 工 作 状 况 的 好 坏 不 取 决 于 设 定 延我 们 可 以 得 出 酸 洗 拉 矫 机 的 理 想 工 艺 条 件。伸 率 的 高 低,如
15、本 文 前 面 所 述。延 伸 率 设 定1 期 王 建 国 等 : 拉 矫 机 破 鳞 原 理 的 研 究为 1%时 , 实 际 破 鳞 效 果 已 达 最 佳,而 带 钢 矫平 的 延 伸 率 还 不 到 1%。相 反 过 大 的 延 伸 率反 而 会 产 生 以 下 副 作 用:l) 由于延伸率沿带钢横截面分布的不均以及带钢本身对延伸率差的敏感性 , 过 大 的延 伸 率 不 仅 无 助 于 破 鳞 效 果 的 改 善,反 而 会引 起 失 衡 的 不 均 匀 变 形 和 局 部 瓢 曲,使 板 形反 趋 恶 化,同 时 带 钢 晶 粒 变 得 粗 糙,表 面 出 现滑 移 线;z) 设
16、定延伸率的升高将直接导致机组断带率的升高, 这 将 对 连 续 化 大 生 产 造 成 不 利的 影 响,而 这 一 点 对 于 日 益 发 展 的 酸 洗 一 轧机 联 机 操 作 来 说 更 是 致 命 威 胁;3) 给机组运行带来不必要的负担, 造 成传 动 系 统 负 荷 增 加 及 能 源 浪 费。带 钢 最 终 所能 获 得 的 实 际 延 伸 率 将 受 机 组 设 备 条 件 (如电机功率、 弯 曲 辊 径 )所限, 并 不 是 设 定 值 愈高,带 钢 就 一 定 能 获 得 更 高 的 延 伸 率。4 . 2 弯 曲程 度及 张 力的关 系理论 分析 表 明,弯 曲 和 张
17、 力 的 增 大 都 将有 利 于 带 钢 的 延 伸; 考 虑 到 酸 洗 拉 矫 机 破 鳞的 特 殊 要 求,张 力 一 般 不 能 太 大 (源于张力对塑性墩粗的遏制作用) , 张 力 的 增 大 将 容 易 引起 带 钢 打 滑 而 对 设 备 安 全 构 成 威 胁,因 此 酸洗 拉 矫 机 的 理 想 工 艺 情 况 应 该 是 小 张 力 大 弯曲。但 弯 曲 的 增 大 也 不 能 随 心 所 欲,一 方 面要 考 虑 对 材 料 加 工 硬 化 的 影 响,另 一 方 面 受设 备 自 身 条 件 所 限,弯 曲 辊 辊 径 不 可 能 做 的太 小。辊 子 太 细 会 带
18、 来 磨 损 快、挠 度 大 以 及受 轴 承 位 置 限 制 等 问 题,甚 至 有 可 能 断 辊,另外 弯 曲 的 增 大 也 意 味 着 能 耗 的 增 大。因 此 设置 工 艺 时 应 协 调 好 压 下 深 度 和 张 力 的 关 系,尽 可 能 利 用 弯 曲 对 带 钢 延 伸 的 贡 献,以 求 得能 耗 与 工 作 效 率 之 间 的 平 衡。5 拉矫机破鳞应用展望限于化学法除鳞的固有缺点以及对酸洗一轧机联机设备故障适应能力差,人 们 越 来越 倾 向 于 发 展 不 用 酸 液 的 机 械 除 鳞 法,拉 矫机 作 为 机 械 除 鳞 的 代 表 无 疑 会 受 到 进
19、一 步 的重 视。为 充 分 发 挥 酸 洗 拉 矫 机 的 破 鳞 作 用,可 以 就 拉 矫 机 的 工 艺 及 结 构 设 计 作 更 深 人 的研 究。从 工 艺 角 度 来 说,各 种 氧 化 铁 皮 与 金属 的 附 着 力 是 不 同 的, eF O的破坏 应力约为0 .以k幼n 尹,残q 的破坏应力约为 k4 酬确矿,残 q 的破坏应力约为Ik梦m xl尹 。 由 此可 见 出 现 对 酸 洗 拉 矫 机 破 鳞 的 最 有 利 的 情 况应 该 是 主 要 成 分 为 Fe o 的氧化铁皮 。但 我 们在 宝 钢 冷 轧 厂 进 行 的 大 角 度 衍 射 分 析 表 明,目
20、 前 热 轧 来 料 氧 化 铁 皮 的 主 要 成 分 是残q和 残 q , 且 残 q 占主要地位 。 因 此 其 构 成是 不 利 于 酸 洗 拉 矫 机 机 械 破 鳞 作 用 的,这 是由 于 随 着 铁 的 缓 慢 冷 却 发 生 了 Fe O 残o4+ eF 的转变,因 此 适 当 降 低 卷 取 温 度 并 加 快冷 却 速 度,以 使 冷 却 时 间 缩 短,从 而 使 eF O转变可以较早结束的工艺条件应该更有利于酸洗破鳞功能的成分发挥。而 针 对 酸 洗 拉 矫 机设 备 结 构 来 说,为 增 强 破 鳞 效 果 可 以 考 虑 增加 弯 曲 辊 或 设 计 更 细 的
21、 工 作 辊,亦 可 根 据 情况 的 变 化 将 工 作 辊 压 下 装 置 改 成 横 向 可 调 结构 以 更 好 的 适 应 来 料 的 变 化。我 们 针 对 宝 钢冷 轧 厂 酸 洗 拉 矫 机 所 进 行 的 小 辊 径 工 作 辊 破鳞 效 果 实 验 取 得 了 满 意 的 效 果,不 仅 使 拉 矫机 拉 伸 电 机 及 运 行 电 机 的 负 载 分 配 更 趋 合理,同 时 也 明 显 改 善 了 拉 矫 机 的 破 鳞 能 力,另外 拉 矫 机 延 伸 率 控 制 系 统 的 闭 环 也 是 其 应 用的 发 展 方 向。参 考 文 献1H . E . Evan s
22、, Ma le dal s cs icen e adn 、 hsn o lo 舀 夕, 1988一 : 4 15 4202岩藤 秀一等 , 日 本 钢 管 技 报, 198 8, ( 122) : 136 143汤浅博康 等 , 铁 七 钢, 1988 , (3) : 69 一76【4张世宏 , 宝 钢 2030 冷轧 机机 械设 备 中关 键技 术 的探讨,上 海 机 电 工 业 管 理 局,内 部 资 料, 198 -o3仁5 il (T。明 i鸣 et 。 , Re 况 an l into饭hn o l卿 of Pio kling l,en si。 ,1无v e ler , Jou raz l Of lorn an d Sle e Re * a 。如 , 4 ( I )来稿 日期 : 19 97 一12一07
