D01:10.13374j.isml00103x2006.卫.B6 第28卷第12期 北京科技大学学报 Vol.28 No.12 2006年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2006 连退线上带钢张应力横向分布的有限元仿真 张清东常铁柱戴江波王文广 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘要为了获得带钢瓢曲发生的临界张力条件模型，建立抑制其产生的有效工艺措施。运用有 限元中几何非线性屈曲计算方法结合冲压领域的弹塑性屈曲理论.定量研究了退火炉内的七项 关键因素一导向辊辊形、来料板形、带钢宽度，横向温差、焊缝位置、辊面摩擦系数和总张力一 对带钢张应力横向分布的影响规律和作用机制.仿真发现导向辊辊形、带钢厚度等对张应力横向 分布影响最为显著，揭示了瓢曲行为与横向张应力分布的内在关系。为制定抑制热瓢曲”提供了 有效的技术思路。并取得了良好的现场控制效果 关键词连续退火炉：张应力：横向分布：有限元法：瓢曲 分类号TG335.11 连续退火炉内带钢“热瓢曲”问题一直都是困 总张力等.根据生产实际，选取各主要影响因素 扰生产的技术难题，关于高温退火炉内带钢“热瓢 设计了如表1的计算工况表. 曲”的产生机理、影响因素和抑制措施等，目前仍 表1不同因素组合下的工况表 是研究热点.带钢张应力横向分布是决定连续退 Table 1 Operating mode table in different combinations 火炉内带钢“热瓢曲”发生与否的关键因素之一， 来料板形 中浪，边浪 而使之均匀化是防止带钢瓢曲产生的主要技术思 摩擦因数 01,02 路.本文运用有限元分析手段，详细分析了退火 平均温度，T/℃ 0A段400.DF段700 炉内各相关因素对带钢张应力横向不均匀分布的 张应力平均值./MPa 51015 影响. 辊凸度，C/mm 05.1,1.5 焊缝位置.H/mm B/2B,2B. 1 带钢张应力横向分布与瓢曲行为 带原h/mm 0150175.020.0225.025 带宽，B/mm 700.8009001000.1100.1200 传统观点认为“热瓢曲”是退火炉内带钢横向 注：材质为T25:横向温差为负凸度：0A段表示过时效段. 温差所致的一种热变形现象，而日本学者的场 HF段表示加热炉段. 都一习认为导向辊的凸度在旋转过程中对带钢宽 度方向的“挤压”导致了瓢曲的产生：但笔者认 2张应力横向分布的有限元仿真 为刭上述观点并不完全正确，因此首次提出了带 以国内某1420连续退火炉为对象，如图1所 钢瓢曲的力学机理类同于薄板冲压成形中的起 皱、皱曲行为，即带钢纵向局部不均匀拉伸引 示，运用Marc通用有限元软件进行数值仿真计 算，主要考虑了表1中几种因素组合工况下对带 起的横向诱导压应力导致了瓢曲现象的产生. 钢张应力横向分布的影响规律. 由于带钢张应力横向分布是带钢瓢曲力学行 2.1有限元模型和影响指标的定义 为的关键决定因素，因此研究带钢横向瓢曲必须 首先研究带钢张应力横向分布 考虑到连续退火炉内空间结构、载荷的重复 性规律和对称性特点以及距离导向辊2m以外带 根据退火炉内带钢运行实际情况，影响带钢 钢张应力横向分布的趋于均匀化特点，从L/2位 横向张应力分布的因素有导向辊辊形、来料板形、 置（即上、下两炉辊距离的中点）截断，取炉内带钢 带钢厚度、宽度、横向温差、焊缝位置、辊面摩擦和 行程的一个周期来抽象简化，建立了如图2所示 收稿日期：2005-09-09修回日期：200606-02 的力学模型一“一段带钢包含两个导向辊”模 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.598351700):国家 型.文中用到的各参数如图2所示，其中L为上 “九五”攻关项目(No.9527-0一02-04) 作者简介：张清东(1965一)，男。教授，博士生导师 下导向辊间距，一般为18m:H为焊缝位置；C为连退线上带钢张应力横向分布的有限元仿真 张清东 常铁柱 戴江波 王文广 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘 要 为了获得带钢瓢曲发生的临界张力条件模型, 建立抑制其产生的有效工艺措施, 运用有 限元中几何非线性屈曲计算方法, 结合冲压领域的弹塑性屈曲理论, 定量研究了退火炉内的七项 关键因素 ———导向辊辊形、来料板形、带钢宽度、横向温差、焊缝位置、辊面摩擦系数和总张力——— 对带钢张应力横向分布的影响规律和作用机制.仿真发现导向辊辊形、带钢厚度等对张应力横向 分布影响最为显著, 揭示了瓢曲行为与横向张应力分布的内在关系, 为制定抑制“ 热瓢曲” 提供了 有效的技术思路, 并取得了良好的现场控制效果. 关键词 连续退火炉;张应力;横向分布;有限元法;瓢曲 分类号 TG 335.11 收稿日期:2005 09 09 修回日期:2006 06 02 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No .598351700);国家 “九五”攻关项目(No .95-527-01-02-04) 作者简介:张清东(1965—), 男, 教授, 博士生导师 连续退火炉内带钢“热瓢曲”问题一直都是困 扰生产的技术难题, 关于高温退火炉内带钢“热瓢 曲”的产生机理 、影响因素和抑制措施等 ,目前仍 是研究热点.带钢张应力横向分布是决定连续退 火炉内带钢“热瓢曲”发生与否的关键因素之一, 而使之均匀化是防止带钢瓢曲产生的主要技术思 路.本文运用有限元分析手段, 详细分析了退火 炉内各相关因素对带钢张应力横向不均匀分布的 影响 . 1 带钢张应力横向分布与瓢曲行为 传统观点认为“热瓢曲”是退火炉内带钢横向 温差所致的一种热变形现象 , 而日本学者的场 哲[ 1-2] 认为导向辊的凸度在旋转过程中对带钢宽 度方向的“挤压” 导致了瓢曲的产生;但笔者认 为 [ 3] 上述观点并不完全正确, 因此首次提出了带 钢瓢曲的力学机理类同于薄板冲压成形中的起 皱、皱曲行为[ 4] , 即带钢纵向局部不均匀拉伸引 起的横向诱导压应力导致了瓢曲现象的产生 . 由于带钢张应力横向分布是带钢瓢曲力学行 为的关键决定因素 , 因此研究带钢横向瓢曲必须 首先研究带钢张应力横向分布 . 根据退火炉内带钢运行实际情况 ,影响带钢 横向张应力分布的因素有导向辊辊形、来料板形、 带钢厚度 、宽度 、横向温差 、焊缝位置、辊面摩擦和 总张力等.根据生产实际, 选取各主要影响因素 设计了如表 1 的计算工况表. 表 1 不同因素组合下的工况表 Table 1 Operating mode table in different combinations 来料板形 中浪, 边浪 摩擦因数 0.1 , 0.2 平均温度, T/ ℃: OA 段 400 , DF 段 700 张应力平均值, σ/ MPa 5 ,10 , 15 辊凸度, C/ mm 0.5 , 1 , 1.5 焊缝位置, H/ mm B/ 2 , B , 2B , 带厚, h/ mm 0.15 , 0.175 , 0.20 , 0.225 , 0.25 带宽, B/ mm 700 , 800 , 900 , 1 000 , 1 100 , 1 200 注:材质为 T2.5;横向温差为负凸度;OA 段表示过时效段, HF 段表示加热炉段. 2 张应力横向分布的有限元仿真 以国内某 1420 连续退火炉为对象,如图1 所 示,运用 Marc 通用有限元软件进行数值仿真计 算,主要考虑了表 1 中几种因素组合工况下对带 钢张应力横向分布的影响规律 . 2.1 有限元模型和影响指标的定义 考虑到连续退火炉内空间结构 、载荷的重复 性规律和对称性特点以及距离导向辊 2 m 以外带 钢张应力横向分布的趋于均匀化特点, 从 L/2 位 置(即上、下两炉辊距离的中点)截断,取炉内带钢 行程的一个周期来抽象简化, 建立了如图 2 所示 的力学模型———“一段带钢包含两个导向辊” 模 型.文中用到的各参数如图 2 所示, 其中 L 为上 下导向辊间距 ,一般为 18 m ;H 为焊缝位置 ;C 为 第 28 卷 第 12 期 2006 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.28 No.12 Dec.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.12.036