拉弯矫直工艺参数对带钢瓢曲缺陷的影响分析

李董超，周存龙，郭 瑞，任志斌

(太原科技大学山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室，山西 太原，030024)

0 前言

近几年来，市场上对带钢的板形、表面质量等要求都有了极大的提高，而诸如边部浪弯、中间浪、瓢曲等形状缺陷，制约了板带材的应用［1－3］。拉伸弯曲矫直技术能够满足高端精品带钢的生产技术要求，消除各种三维的形状缺陷，因此对高品质带钢的生产具有非常重要的工程实用价值［4，5］。

从国内外的大量文献中，可以看到许多的学者对拉伸弯曲矫直过程进行了有限元数值模拟，对压下量、张力等工艺参数及拉弯变形时带钢曲率、残余应力等都做了大量的研究工作。Morris J、Hoon Huh、Norman Mathieu［6－11］等国外的研究学者使用ABAQUS 软件对拉伸弯曲矫直机进行了有限元模拟，分析研究了带钢材料模型、压弯量及残余应力等对矫直的影响。张清东、刘天浩、李胜祗等国内的研究学者，通过MARC 及ANSYS 有限元分析软件对带钢拉伸张力、弯曲辊压下深度及带钢的塑性延伸量之间的关系进行了研究，对拉弯矫直的工艺参数优化做了一定的工作。但这些研究中多数都是基于有限元方法的模拟结果，并未与得到实际工程应用的验证，因此难以较为可靠真实的说明现场生产矫直过程中出现的问题。因此，本文对某450 mm 拉伸弯曲矫直机组运行过程中产生的瓢曲问题进行了相关的有限元分析及实验研究。

1 瓢曲现象的描述

板形瓢曲现象可以解释为带材在生产过程中由于一系列原因而产生的沿宽度及长度方向的不均匀变形所造成的三维形状缺陷。带钢板形瓢曲现象产生的关键因素是带钢在宽度方向上的横向应力分布不均［12］，当消除横向应力不均后，便可以仅考虑带钢的纵向弯曲问题即可解决板形瓢曲的缺陷。因此，对矫直过程中带钢沿宽度方向的应力应变变化情况进行研究具有重要意义。

2 有限元分析

本文依据某两弯一矫结构型式的450 mm 拉伸弯曲矫直机组的设备参数，采用ANSYS/LSDYNA 建立了三维拉弯矫直过程的有限元分析模型对该板形瓢曲问题进行分析。假设各弯曲辊为刚性体;带材的材料模型各向同性，采用双线性模型;忽略带材在矫直过程中的惯性力和振动等各种生产现场带来的扰动。

2.1 瓢曲带钢拉弯矫直模型的建立

建立初始瓢曲带钢有限元模型的参数为:带钢规格为265 mm ×2.2 mm，初始弯曲的拱起高度为16 mm，上矫直辊及导向辊的尺寸为Φ85 mm×450 mm，弯曲辊的参数为Φ50 mm ×450 mm，建立实体模型如图1 所示。

图1 拉伸弯曲矫直模型图Fig.1 The model of tension levelling

本文中采用Solid 164 三维实体单元对带钢进行建模，带钢的材料参数见表1 所示，并选择Sweep 方式划分网格。带钢与轧辊的接触设置中，选择变形体对刚体的ASTS 自动面面接触类型，并考虑接触表面的静动力摩擦的影响。模型载荷的施加方式为:在带钢的出口端施加速度载荷，用于使带钢产生向前的运动;在带钢的出口端施加张力载荷，用于将带钢拉紧，从而产生张力。本模型中各个位于带钢下侧的辊子均设定为固定不动，位于带钢上侧的上矫直辊系向下压下，并以刚接触到带钢时的位置作为初始位置，压下到各自设定的位置处停止。为模拟不同张力工况下的带钢变形情况，分别设置为1/4σs、1/6σs、1/8σs不同张应力条件下对应的带钢张力。

表1 带钢的材料性能参数及尺寸Tab.1 Material Parameters and size of strip steel

2.2 模拟结果分析

从有限元分析结果中可以发现带钢在矫直过程中的变化情况。图2为一定张应力下沿带钢宽度方向各位置处的节点位移量变化情况，可以从中得到带钢矫直时的变形过程。随着矫直辊的压下，带钢两侧的翘曲部分及中间的突起处首先与辊子接触，继续增大压下量时，带钢两侧产生较大的位移量而中间部分的带钢只有极小的位移量;当辊子压下达到水平位置时(上辊与下辊的咬合量为零)，带钢的两侧部分变化程度最大，但带钢中间部位出现了一定量的拱起变化，如图中的“压下0 mm”曲线所示，在这一过程中，带钢边部及中心部分受应力较大。在矫直辊的压下量达到一定值后，带钢沿宽度方向上的各节点位移变化量趋于平滑，即沿宽度的各节点趋于同一水平值，带钢在表观上达到平直的效果。但是，在卸载带钢两端的张力及辊子的压下量后，带钢发生弹复现象。此时带钢的内部应力释放，带钢上各节点的位移量发生一定的弹复，使表观平直的带钢又恢复一定的弯曲。经过拉弯后的带钢板形缺陷得到缓解，带钢上各节点沿厚度方向的坐标差值减小。

带钢沿宽度方向的应力应变分布如图3、4所示，从结果数据中可以得到以下结论:

在一定张应力的工况下，带钢的横向应力分布随矫直辊压下量的增大而趋于一致，但带钢两侧的边部位置产生了较大的应变量，因此存在应力集中的现象，如图3a 及4a 所示。在矫直过程中增大辊子的压下量有助于消除带钢的横向应力分布不均，从而减轻带钢的瓢曲板形缺陷。

图2 沿带钢宽度方向各节点的位移量变化情况Fig.2 The changement of nodes displacement along the strip width direction

从带钢随拉伸张力的变化情况中，又发现随着拉伸张力的增大，带钢沿宽度方向的应力分布有着从两侧向中间部位离散化的趋势，这样不利于消除带钢的横向应力分布不均匀问题，对于矫正带钢的瓢曲达不到预期的效果。

从以上的分析中可以得到矫平带钢的瓢曲板形缺陷，需要增大矫直辊的压下量，同时必须控制矫直过程的拉伸张应力在一定的范围内，这样才能够达到消除带钢瓢曲现象中的横向弯曲。

图3 沿带钢宽度方向各单元的应力分布Fig.3 the stress distribution of units along the width direction

图4 沿带钢宽度方向各单元的应变分布Fig.4 the distribution of each unit strain along the width direction

3 实验研究分析

针对带钢生产中的瓢曲现象及上文中的有限元分析结果，设计实验方案为:设定延伸率为1.5%，以出口处卷取机的卷取线速度为固定值0.5 m/s，控制矫直工艺段的张应力分别为1/4σs、1/6σs、1/8σs，以出口处带钢达到平直(不平度为≤4I)为检测标准，在带钢矫直过程中控制调节矫直辊的压下量。实验结果如下图5所示。

从图5 可以看出，出现板面瓢曲缺陷时，带钢横向不平度随着矫直辊的压下量的增大，板形瓢曲可以得到消除。在不同的弯曲辊压下量的条件下，弯曲辊的压下值的增大，板材瓢曲缺陷的不平度相应的增大。从实验数据可以得到，矫直辊在压下量为15～25 mm 的范围内的抗瓢曲效果较好，且在弯曲辊的压下变化时，为消除相同的瓢曲不平度，需要相应的调节矫直辊的压下量。

图5 板面横向不平度随矫直辊压下量的变化趋势Fig.5 surface transverse roughness along with the change of anti-crossbow roller reduction

在带材的拉弯过程中，各个弯曲辊与带材之间由于接触处的沿宽度方向的边部减薄效应，弯曲辊在与带材两侧接触的位置首先受到磨损，使得弯曲辊的辊型发生变化，在较大的压下量情况下，带材中间位置的纤维产生较大的延伸量，因此矫直后的带材在沿宽度方向依然存在一定量的残余应力。在经过矫直辊组下方的小辊径矫直辊时，由于在通过之后相邻的大辊径矫直辊时的压下量偏小，使得带材内部残余应力释放，从而产生了瓢曲板形缺陷。因此，在出现出口带钢产生板形瓢曲缺陷时，调节矫直辊的压下时可以解决该问题。

4 结论

针对拉伸弯曲矫直过程中的出现的板形瓢曲现象进行了有限元分析并结合现场拉弯矫设备的实验数据，得到以下结论:

(1)在一定的拉伸张力条件下，增大矫直辊的压下量有利于消除带钢的瓢曲现象，但是实际生产中过大的辊子压下量易造成辊子磨损严重问题，应当根据需要合理调整。

(2)在矫直辊的压下量一定条件下，拉伸张力的增大不利于消除带钢的瓢曲三维缺陷。现场生产中总是降低拉伸弯曲矫直机组各工艺段的拉伸张力并相应增大各辊子压下量的方式来矫直带钢，以此减少设备机组的功率损耗，这样同样有利于消除带钢的瓢曲等横向问题的发生。

［1］WANG Junsheng，JIANG Zhengyi.A flying gauge change model in tandem cold strip mill［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，204:152－161.

［2］邹家祥.轧钢机械(第3 版)［M］.北京:冶金工业出版社，2000.

［3］王社昌.连续拉伸弯曲矫直生产工艺参数探讨［J］.重型机械，1996(3):8－11.

［4］郑祥臣，马瑞杰.徐启发.拉矫机带钢反弯曲率的计算方法［J］.冶金设备，2014(1):17－19.

［5］陈梅，李胜祗，阎军，等.薄带拉伸弯曲矫直技术研究进展［J］.安徽工业大学学报(自然科学版)，2004(1):11.

［6］张清东，常铁柱，黄河，等.全硬薄宽镀锌带钢的拉伸弯曲矫直工艺［J］，钢铁，2007，42(6):47－50.

［7］HoonHuh，HyongWook Lee，Sang Rae Park，et al.The parametetric process design of tension leveling with an elastic-plastic finite element method［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，(113):714－719.

［8］Morris J，Hardy S，Thomas J (2002)Some fundamental considerations for the control of residual flatness in tension leveling［J］.Journal of Materials Processing Technology(Impact Factor:1.95).2002(1);120:385－396.

［9］刘天浩，张清东，朱简如.宽带钢拉伸弯曲矫直变形过程的有限元仿真［A］.中国金属学会.2005中国钢铁年会论文集(第4 卷)［C］.中国金属学会，2005，3:550－552.

［10］Li Shengzhi，Yin Yuande，Xu Jie.Numerical simulation of continuous tension leveling process of thin strip steel and its allocation［J］.Journal of Iron and Steel Research international，2007，14(6):8－13.

［11］Norman Mathieu，Régis Dimitriou，Anthony Parrico，et all.Flatness defects after bridle rolls:a numerical analysis of leveling［J］.International Journal of Material Forming，June 2013，6(2):255－266.

［12］张清东，常铁柱，戴江波，等.连退线上带钢张应力横向分布的有限元仿真［J］.北京科技大学学报，2006(12):1162－1166.