冷軋連退鋼卷卷芯折痕分析及對策

伍永剛

（攀鋼集團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量和機械性能在很多領域得到了廣泛的應用，過去幾十年，冷軋生產技術及產品質量都取得了突飛猛進的發展。隨著設備和生產工藝的改進以及自動化控制水平的不斷提高，冷軋帶鋼的尺寸精度、力學性能等內在特性得到了很好的控制。隨著汽車板、家電板、硅鋼板等高檔產品需求量的增加，用戶對帶鋼質量要求更加嚴格，帶鋼表面質量的重要性顯得尤為突出。近幾年，西昌鋼釩冷軋帶鋼發生的質量異議和質量投訴絕大多數都是表面缺陷問題。影響帶鋼表面質量的因素很多，主要有劃傷、壓痕、麻點、氧化色、塌卷、黏結、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，某批次產品因批量產生折痕，用戶提出質量異議，導致產品折價重量折損，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，甚至有加重的現象。每年因折痕導致產品質量異議降級降價，造成大量經濟損失，帶鋼卷芯折痕已成為冷軋生產迫切需要解決的現實問題。所謂卷芯折痕，是指帶鋼進入連退卷取機組時，由于卷取的外層橡膠套筒為圓柱形，鋼卷內圈必然會對帶鋼頭部產生擠壓，在鋼卷內圈產生的數層擠壓印。其特征是帶鋼表面局部區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生的橫折印最明顯，第二圈后折痕印的變形度依次遞減。據不完全統計，在冷軋帶鋼生產中，幾乎厚度超過1mm 的各類材質的帶鋼在連退卷取時鋼卷卷芯部分都會產生折痕，特別是屈服強度較低的低碳鋁鋼、超低碳鋼，可見并有明顯手感的折痕長度達100 ～300 米。卷芯折痕不僅影響帶鋼表面質量，而且對帶鋼的物理性能、力學性能有很大影響作用。在帶鋼產品檢驗中，卷芯折痕是嚴格禁止出現的，一旦出現即被判為次品或廢品，因而嚴重影響機組的成材率。

1 卷芯折痕的表現特征及現狀

在帶鋼生產的卷取過程中，在橡膠套筒外表面上，由于鋼卷內圈對帶鋼頭部的擠壓，在鋼卷內圈產生數層擠壓印。卷芯折痕產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出現，它們產生的部位如圖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（漲縮卷筒外層加橡膠套筒）的旋轉將帶鋼層層纏繞實現的。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 會產生彎曲變形，彎曲時帶鋼外表面產生拉應力，內表面產生壓應力，應力分布如圖3 所示。

圖1 連退鋼卷在重卷機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 處產生“凸起”，第一圈內表面與帶頭接觸時相當于凹圓柱面與一個曲率半徑很小的圓柱面接觸，其最大接觸應力為

2.2 帶鋼頭部“凸起”處接觸應力的計算

圖3 帶鋼彎曲應力分布圖

式中，σmax 為最大接觸應力，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。從目前冷軋產品的規格來看，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過剪切，可看作一般的機加工，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 的冷軋產品，其帶鋼頭部“凸起”處接觸應力在90 ～280MPa。特別是1mm 及以上規格的帶鋼，其應力值在165MPa 之上。

2.3 卷芯折痕形成的原因

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

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

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，此后層層復制，在內層帶鋼徑向壓力作用下，凸起處形成帶頭折痕。

從接觸應力計算表可以看出，接觸應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正相關關系，與帶鋼寬度呈現負相關關系。由于生產機組設備參數確定，帶鋼的材質、寬度及厚度在極限范圍內根據用戶需求確定。為保證鋼卷卷形不松散和生產順行，在材質、寬度及厚度確定的情況下，其生產中帶鋼張力可調范圍極其有限。

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，就不會產生帶鋼內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致張力波動大，要保證帶鋼平穩地進行卷取。

經過分析，采取對橡膠套筒外表面進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力計算表

采用上述特殊加工的橡膠套筒進行帶鋼卷取時，帶頭通過控制系統及助卷系統在弧BF 區域內定位，沿著弧FCDEG 逐步平滑過渡到圓弧GA 段。由于預先有臺階AB 的存在，帶頭埋在彈性臺階下處于自由狀態，帶鋼第一圈內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，附加接觸應力可以忽略不計，基本上只存在純粹的彎曲應力，保證帶鋼的順利卷取，不會再產生任何卷芯折痕。同時，要加強卷筒芯軸不圓度或同軸度的檢查，及時消除異常偏差，避免因其他原因導致折痕的產生。

4 結語

通過優化橡膠套筒外表面形狀（即在外表面某位置預設凸臺，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”部位產生折痕的有效措施。該技術改進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濟損失，具有顯著的經濟效益。