蒲嘉亮，助理工程师,2003年毕业于华南理工大学热能与动力工程专业。E-mail:lz6a053@lisco
利用调质机工辊凸度消除430不锈钢屈服平台
蒲嘉亮，徐向东，莫伟坚
(鞍钢联众不锈钢股份有限公司冷轧厂，广东广州510760)
摘要：为了保证430不锈钢高速通过平整区后，具有良好的板形以及合格的机械性能。采用有限元分析法计算调质精整机工辊的表面受力情况，通过优化工辊的凸度及其对应轧制力，改善平整工艺段生产工艺参数等方式，消除了430钢种的屈服平台，从而满足了平整工艺的生产要求。
关键词:430不锈钢；调质机；工辊凸度；有限元分析；屈服平台中图分类号:TG335
文献标识码:A
文章编号:1006-4613(2019)02-0033-04
Elimination of Yield Point Elongation of 430Stainless Steel Depending on
Crown of Work Rolls to Skin Pass Mill
Pu Jialiang ,Xu Xiangdong ,Mo Weijian
(Cold Rolling Division of LISCO Ansteel ,Guangzhou 510760,Guangdong ,China )
Abstract :In order to ensure that the 430stainless steel had good shape and qualified
mechanical properties after passing through the leveling zone with high speed ,the calculations on the surface force of the work rolls to the skin pass mill were done by using the finite element analysis.The yield point elongation of the 430stainless steel was eliminated by optimizing the
crown of work rolls and their corresponding rolling forces and improving the process parameters for
leveling section.And therefore the requirements asked by the leveling process were satisfied Key words :430stainless steel ;skin pass mill ;crown of work rolls ;finite element analysis ;yield point elongation
鞍钢联众冷轧退火酸洗机组主要生产200系、300系、400系冷轧2B 不锈钢卷材。作为生产2B 冷轧带钢最后一道工序的平整工艺段，其主要设备有表面调质精整机(下称SPM )及拉力矫直机(下称TLL )。然而，冷轧退火酸洗机组运行速度较快，当速度超过150m/min 时,TLL 的工辊会使带钢表面产生刮凿痕，影响产品品质。现场在生产430钢种时，必须使用TLL ，因为原设计工艺是通过TLL 张力拉矫的方式给
予钢带约0.5%~4%的延伸率，以消除带钢的屈服平台，否则430钢种的机械性能不达标，无法给下游客户使用。因此，通过优化生产工艺，实现只采用SPM ，而不采用
TLL 也能消除430钢种的屈服平台，本文对此加以介绍。
1平整工艺要求及SPM 优化思路
1.1带钢平整工艺要求
图1为带钢平整工艺加工前后的应力应变曲线示意图，由图1可知，带钢冷轧后经过退火再结晶，消除了加工硬化组织，但力学性能和加工性能变差。此时,430钢种的应力应变曲线具有明显的上屈服极限，并且在下屈服极限出现屈服平台，见图1(a )；通过平整工艺加工的带钢，随着伸长率的增加，屈服极限升高，消除了屈服平台，获得较好的延展性，消除轻微边浪、中浪，改善了板形，见图1(b )。从变形量来看，平整工艺加工实质是一种小压下率
(0.5%~4%)的二次冷轧变形[1]。
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蒲嘉亮等：利用调质机工辊凸度消除430不锈钢屈服平台
总第416期
1.2SPM 优化思路
对430钢生产时SPM 工辊情况进行测试，当
沿用原设计工辊凸度0.15mm ，轧制力为3800kN,
出现各种无法消除的边浪(边部过轧)、中浪(中部过轧)等质量缺陷，钢板缺陷照片如图2所示。因此，需要寻求一种可通过轧制力求出相应工辊凸度的办法，一方面在生产430钢种时不但要消除其屈服平台，而且延伸率也要达到要求；另一方
面需解决钢带的板形问题，满足现场生产质量的要求。经生产现场反应测试，要消除430钢带屈服平台，钢带厚度需满足变形率0.5%~1.2%的要求，经过轧制数模计算，对应的SPM 轧制力需达到4300~8600kN 。表1为钢带厚度、轧制力、变形率对应表，由表1可以看出，轧制力跨度较大。
厚度/mm SPM 轧制力/kN 0.4086000.5084000.6082000.7081000.8080000.9079001.0078001.1077001.20
7600
钢带变形率/%0.50
0.500.500.500.600.700.700.700.70
SPM 轧制力/kN 750074007300720071007000700052005150
厚度/mm
1.301.401.501.601.701.801.90
2.002.10
钢带变形率/%
0.800.800.800.800.900.900.901.001.00
SPM 轧制力/kN 钢带变形率/%
5100 1.005000 1.004900 1.104800 1.104700 1.104600 1.204500 1.204400 1.204300
1.20
厚度/mm 2.202.302.402.502.602.702.802.903.00
表1钢带厚度、轧制力、变形率对应表
(a )加工前;(b )加工后
图1带钢平整工艺加工前后的应力应变曲线
(a )边浪;(b )中浪
图2钢板缺陷照片
拟通过有限元分析的方式，计算中部工辊在不同受力情况下的最大变形量，其变形量即为在该轧制力下所需凸度，同时使钢带各接触点的受力一致且足够，以达到优化目的。
2有限元法计算与建模
2.1工辊建模计算SPM 是
通过凸度来弥补大轧制力下产生的
SPM 工辊形变，使整个钢带板面受力均匀。通常情况下，凸度的大小由SPM 的轧制力决定，大轧制
力采用大凸度，小轧制力采用小凸度。
理想钢带(无边浪、中浪，截面为矩形)通过时,
只有SPM 工辊沿钢带宽度方向上的受力均匀，钢带各处延伸率才能保持一致。理想钢带与工辊的受力如图3所示。若有板形问题，可参照理想状态对其进行微调，由实际操作经验可知，若出现边浪
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缺陷，要消除边浪，则需增加弯辊力，减小轧制力。
采用反求法，假设工辊是直辊(无凸度)，以两侧压下机构为支点，向辊面施加3800kN 的均布力，求出中心位置产生的变形量，即工辊的凸度为中心位置产生的变形量。根据工辊材质，选取对应的机械性能参数见表2，并根据Solid works 软件输入分析要素，定义辊面受力和网格单元大小，建立数学模型,SPM 工辊建模如图4所示。建模后计算位移量，位移量计算结果见图5。
通过设定不同的轧制力Fn2(2000kN 、3000kN 、
4000kN 、5000kN 、6000kN 、7000kN 、8000kN 、
9000kN 、10000kN )，计算相应中部变形量X ，拟合出轧制力-合力位移(变形量)曲线如图6所示，当轧制力Fn2=3800kN 时，辊面中部最大变形量X=2.998e-0.01mm 。也就是说，当使用3800kN 的轧制力的时候，需要使用0.3mm 的凸度的工辊，即可保证钢带表面均布轧延。显然原凸度(0.15mm )与轧制力(3800kN )的匹配设定不合理。
2.2弯辊力对工辊的凸度补偿
以工辊两侧压下机构为支撑，对两侧辊头施
加弯辊力Fb1和Fb2，模拟弯辊力示意图见图7，工辊发生弯曲变形，其变形量可起到凸度补偿的
作用。轧制不同厚度的钢板，需要不同的轧制力，而生产过程中，为保证产线连续生产效率，无法频繁切换工辊凸度。此外，按轧制430钢板时轧制力(4300kN~8600kN )的要求，需配多种凸度工辊方可满足现场生产，这无疑对现场生产条件造成困难。通过弯辊力产生变形量的能力计算，现场采用2~3种凸度，搭配弯辊力的作用，满足了生产430钢板各种厚度及轧制力的需求。
图4SPM 工辊建模
图5SPM 工辊静态位移量计算结果
图6轧制力-合力位移曲线
图7模拟弯辊力示意图
名称数值温度相关性
弹性模量/MPa 2×105常量普阿松比率0.32常量抗剪模量/MPa 7.6×104常量质量密度/(kg ·m -3)7800常量张力强度/MPa 483常量压缩强度/MPa -常量屈服强度/MPa 248常量热扩张系数/K 1.2×10-5
常量热导率/(W ·m -1·k -1)
30
常量比热/(J ·kg -1·k -1)
500常量
表2SPM 工辊选取机械性能参数表
(a )理想钢带受力情况;(b )工辊受力示意图
Fn1-工辊施加给钢带表面的作用力;
Fn2-钢带施加给工辊的反作用力,Fn1=Fn2;
F1、F2-工辊两端压下机构对工辊的支撑力
,F1+F2=Fn2
;
图3
理想钢带与工辊的受力
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SPM 设备可输出的最大弯辊力为800kN，即单侧轧制力的上限为400kN,50%弯辊力与-合力位移曲线如图8所示，弯辊力可使工辊中部产生最大的变形量为0.09mm ，且弯辊力与SPM 工辊的变形量是线性关系。
3结果分析与应用效果
3.1优化参数设定
根据上述思路，若工辊凸度(研磨设定)和弯
辊补偿量(0~0.09mm )能够抵消工辊轧制过程的中部变形量，则可认为能够得到平直的轧制接触面，实现板面品质最优化，即凸度、弯辊补偿量及工辊中部变形量满足:
凸度±弯辊补偿量=工辊中部变形量(0mm<；弯辊补偿量<0.09mm )
经过整理，得到的SPM 轧制力和工辊凸度的速配表如表3所示。
3.2效果验证
扭曲的机器三十对上述结果进行优化，将SPM 工辊凸度从
0.15mm 改为0.39mm ，初始轧制力设定为4800kN,
TLL 不投入使用。根据来料板形状况(边浪、中浪)对轧制力及弯辊力进行适当调整，可得出平整的板
形。切取试片进行拉伸测试，应力应变曲线见图9,
从图中曲线可以看出，钢带经过SPM 精整轧制后，已消除屈服平台，机械性能符合使用要求，实现了以SPM 替代TLL ，并消除屈服平台的功能，解决了产线速度高于150m/min 时,TLL 产生刮凿痕的问题，打破了平整工艺段的速度瓶颈。经测试，产速由原来的不高于150m/min 提升到230m/min ，总体品质及产速都得到提升。
除430钢种外，还可以依据不同钢种品质要求定义合适的参数，如延伸率(0.4%~2%)、带钢厚度及宽度等，通过数模计算SPM 的轧制力、工辊中部变形量并选定合适的凸度。
4结语
原设计的SPM 工辊凸度(0.15mm )对应轧制
力(3800kN )的匹配设定不合理，工辊面各点的变形量大于凸度值，未能有效利用轧制力改善板形；按照所需变形量，利用数模计算出轧制力，在不超过设备的可操作范围内，推出合理的凸度并加以使用，可满足消除屈服平台的要求。
参考文献
[1]郑光华.冷轧生产新工艺技术与生产设备操作实用手册[M ].
中国科技文化出版社,2006:505-507.
(编辑田玉婷)
修回日期:2018-08-20
轧制力/kN
初步凸度匹配/mm 弯辊力补偿/mm 可选用凸度下限/mm 可选用凸度上限/mm 最终凸度选择/mm 90000.71±0.090.620.800.6280000.63±0.090.540.720.6270000.55±0.090.460.640.6260000.47±0.090.380.560.3950000.40±0.090.310.490.394000
0.32
±0.09
0.23
0.41
0.39
表3轧制力与理想凸度速配表
图9应力应变曲线
图850%弯辊力-合力位移曲
线
蒲嘉亮等：利用调质机工辊凸度消除430不锈钢屈服平台
总第416期
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