冷軋連退鋼卷卷芯折痕分析及對策

伍永剛

（攀鋼集團(tuán)西昌鋼釩有限公司裝備部，四川 涼山 615000）

冷軋帶鋼以其良好的表面質(zhì)量和機(jī)械性能在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，過去幾十年，冷軋生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量都取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著設(shè)備和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)以及自動化控制水平的不斷提高，冷軋帶鋼的尺寸精度、力學(xué)性能等內(nèi)在特性得到了很好的控制。隨著汽車板、家電板、硅鋼板等高檔產(chǎn)品需求量的增加，用戶對帶鋼質(zhì)量要求更加嚴(yán)格，帶鋼表面質(zhì)量的重要性顯得尤為突出。近幾年，西昌鋼釩冷軋帶鋼發(fā)生的質(zhì)量異議和質(zhì)量投訴絕大多數(shù)都是表面缺陷問題。影響帶鋼表面質(zhì)量的因素很多，主要有劃傷、壓痕、麻點、氧化色、塌卷、黏結(jié)、折痕等，其中在連退工序卷取后形成的卷芯折痕尤為突出。2015 年，某批次產(chǎn)品因批量產(chǎn)生折痕，用戶提出質(zhì)量異議，導(dǎo)致產(chǎn)品折價重量折損，公司損失約300 萬元。后采取添加瓦楞紙的方式，但卷芯折痕未能有效消除，甚至有加重的現(xiàn)象。每年因折痕導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量異議降級降價，造成大量經(jīng)濟(jì)損失，帶鋼卷芯折痕已成為冷軋生產(chǎn)迫切需要解決的現(xiàn)實問題。所謂卷芯折痕，是指帶鋼進(jìn)入連退卷取機(jī)組時，由于卷取的外層橡膠套筒為圓柱形，鋼卷內(nèi)圈必然會對帶鋼頭部產(chǎn)生擠壓，在鋼卷內(nèi)圈產(chǎn)生的數(shù)層擠壓印。其特征是帶鋼表面局部區(qū)域形成的垂直于帶鋼運行方向的凸起折痕。其中，卷取第一圈壓繞過帶頭沿鋼帶橫斷面產(chǎn)生的橫折印最明顯，第二圈后折痕印的變形度依次遞減。據(jù)不完全統(tǒng)計，在冷軋帶鋼生產(chǎn)中，幾乎厚度超過1mm 的各類材質(zhì)的帶鋼在連退卷取時鋼卷卷芯部分都會產(chǎn)生折痕，特別是屈服強(qiáng)度較低的低碳鋁鋼、超低碳鋼，可見并有明顯手感的折痕長度達(dá)100 ～300 米。卷芯折痕不僅影響帶鋼表面質(zhì)量，而且對帶鋼的物理性能、力學(xué)性能有很大影響作用。在帶鋼產(chǎn)品檢驗中，卷芯折痕是嚴(yán)格禁止出現(xiàn)的，一旦出現(xiàn)即被判為次品或廢品，因而嚴(yán)重影響機(jī)組的成材率。

1 卷芯折痕的表現(xiàn)特征及現(xiàn)狀

在帶鋼生產(chǎn)的卷取過程中，在橡膠套筒外表面上，由于鋼卷內(nèi)圈對帶鋼頭部的擠壓，在鋼卷內(nèi)圈產(chǎn)生數(shù)層擠壓印。卷芯折痕產(chǎn)生于帶鋼厚度凸起所在位置，與帶鋼寬度方向平行。沿帶鋼長度方向展開，呈每隔一圈周期性重復(fù)出現(xiàn)，它們產(chǎn)生的部位如圖1 所示。折痕目視清晰可見，用手觸摸有明顯的凸起感。

2 卷芯折痕形成機(jī)理

2.1 卷取時帶頭處帶鋼的受力分析

連退線帶鋼的卷取是通過卷取機(jī)（漲縮卷筒外層加橡膠套筒）的旋轉(zhuǎn)將帶鋼層層纏繞實現(xiàn)的。如圖2 所示，由于橡膠套筒外表面是圓柱形，帶鋼在纏繞過程中，帶鋼頭部A 處受到帶鋼張力F1、“凸起”線性接觸壓力的反力Fn 及帶鋼摩擦力Ft 作用。帶鋼纏繞在卷筒上時受張力F1 會產(chǎn)生彎曲變形，彎曲時帶鋼外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖1 連退鋼卷在重卷機(jī)組展開時的卷芯折痕

圖2 卷取時帶頭處帶鋼的受力分析圖

同時，由于帶鋼頭部A 處產(chǎn)生“凸起”，第一圈內(nèi)表面與帶頭接觸時相當(dāng)于凹圓柱面與一個曲率半徑很小的圓柱面接觸，其最大接觸應(yīng)力為

2.2 帶鋼頭部“凸起”處接觸應(yīng)力的計算

圖3 帶鋼彎曲應(yīng)力分布圖

式中，σmax 為最大接觸應(yīng)力，MPa；F 為接觸面的正壓力Fn，N；E 為鋼材的彈性模量，MPa；R1為膠套筒的外表面半徑R，mm；R2為帶鋼頭部“凸起”處曲率半徑r，mm；L 為帶鋼寬度B，mm。從目前冷軋產(chǎn)品的規(guī)格來看，其厚度主要在0.5 ～2.6mm，寬度B以1250mm 和1500mm 左右的居多。連退線帶鋼在卷取前其帶頭經(jīng)過剪切，可看作一般的機(jī)加工，其棱邊的曲率半徑可按0.5 ～1mm 取值。通過受力分析計算（詳見表1），對于0.5～2.6mm 的冷軋產(chǎn)品，其帶鋼頭部“凸起”處接觸應(yīng)力在90 ～280MPa。特別是1mm 及以上規(guī)格的帶鋼，其應(yīng)力值在165MPa 之上。

2.3 卷芯折痕形成的原因

從計算可以看出，1mm 及以上規(guī)格的帶鋼“凸起”處應(yīng)力值在181MPa 之上（寬度為1250mm 帶鋼頭部“凸起”處曲率半徑r 為0.4 時，接觸應(yīng)力值超過200MPa）。而常生產(chǎn)的深沖性能較好的冷軋產(chǎn)品（St12、DC01、DC03、DC04 等）的屈服強(qiáng)度一般在180MPa 左右。由于接觸應(yīng)力值超過其屈服極限，必然產(chǎn)生附加的塑性變形，沿接觸線從第一圈開始出現(xiàn)了折痕。而隨著圈數(shù)的增加，帶鋼“凸起”處的曲率半徑逐漸增大，接觸應(yīng)力下降，當(dāng)實際應(yīng)力值低于屈服極限時（約5 ～10 圈），接觸處不再產(chǎn)生附加的塑性變形，折痕不再出現(xiàn)。

另外，若卷筒芯軸不圓度偏差大或同軸度不高，卷筒工作時會產(chǎn)生跳動，運行不平穩(wěn)，引起帶鋼張力波動，張力過大時，也容易產(chǎn)生折痕。

3 卷芯折痕的解決方案

從上述計算分析看，卷芯折痕的產(chǎn)生主要是因為橡膠套筒外表面是圓柱形（如圖4 所示），帶鋼穿帶卷取時，在皮帶助卷器的作用下，第一圈帶鋼纏繞在卷筒上，由于帶鋼板厚的存在，帶頭部位會形成凸起，此后層層復(fù)制，在內(nèi)層帶鋼徑向壓力作用下，凸起處形成帶頭折痕。

從接觸應(yīng)力計算表可以看出，接觸應(yīng)力的大小主要與帶鋼的厚度、帶鋼頭部“凸起”處曲率半徑r 及帶鋼的張力值呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與帶鋼寬度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于生產(chǎn)機(jī)組設(shè)備參數(shù)確定，帶鋼的材質(zhì)、寬度及厚度在極限范圍內(nèi)根據(jù)用戶需求確定。為保證鋼卷卷形不松散和生產(chǎn)順行，在材質(zhì)、寬度及厚度確定的情況下，其生產(chǎn)中帶鋼張力可調(diào)范圍極其有限。

圖4 外表圓柱形的橡膠套筒

因此，要解決卷芯折痕問題，就必須將帶鋼頭部在纏繞中形成的“凸起”消除掉或者增大帶頭切痕處的曲率半徑r。由于冷軋帶鋼的厚度基本都在2.6mm 以下，增大帶頭切痕處的曲率半徑r 的空間有限，因而解決卷芯折痕只能在消除帶頭“凸起”上想辦法。消除了“凸起”部位，就不會產(chǎn)生帶鋼內(nèi)圈與曲率半徑很小的頭部接觸，其折痕自然也就會消除。同時，解決“凸起”部位，也要避免卷取截面突然變化而導(dǎo)致張力波動大，要保證帶鋼平穩(wěn)地進(jìn)行卷取。

經(jīng)過分析，采取對橡膠套筒外表面進(jìn)行特殊加工可以解決此問題。如圖5 所示，將橡膠套筒橫截面由圓形加工為由三段弧（GA、BF 和FCDEG）組成的異形（其中，弧FCDEG 按阿基米德螺旋線逐漸展開），并沿橡膠套筒長度方向通長加工。

圖5 空心橡膠套筒斷面示意圖

表1 帶鋼卷取時帶頭接觸應(yīng)力計算表

采用上述特殊加工的橡膠套筒進(jìn)行帶鋼卷取時，帶頭通過控制系統(tǒng)及助卷系統(tǒng)在弧BF 區(qū)域內(nèi)定位，沿著弧FCDEG 逐步平滑過渡到圓弧GA 段。由于預(yù)先有臺階AB 的存在，帶頭埋在彈性臺階下處于自由狀態(tài)，帶鋼第一圈內(nèi)圈與帶頭不會直接以小曲率方式擠壓接觸，受到張力的擠壓影響很小，接觸面的正壓力Fn 幾乎為零，附加接觸應(yīng)力可以忽略不計，基本上只存在純粹的彎曲應(yīng)力，保證帶鋼的順利卷取，不會再產(chǎn)生任何卷芯折痕。同時，要加強(qiáng)卷筒芯軸不圓度或同軸度的檢查，及時消除異常偏差，避免因其他原因?qū)е抡酆鄣漠a(chǎn)生。

4 結(jié)語

通過優(yōu)化橡膠套筒外表面形狀（即在外表面某位置預(yù)設(shè)凸臺，加工阿基米德螺旋線及兩段過渡圓弧）的方式，是解決帶鋼因帶頭“凸起”部位產(chǎn)生折痕的有效措施。該技術(shù)改進(jìn)僅需投放少量的加工費，就可以在很大程度上避免成百上千萬元的經(jīng)濟(jì)損失，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。