超薄寬幅深沖鋼爐內熱瓢曲原因分析和控制

楊 偉，白瑞召，王永恒，王坤鵬

（河北鋼鐵集團邯鋼公司邯寶冷軋廠，河北 邯鄲 056015）

寬幅深沖鋼是當前鋼鐵企業汽車板產品結構調整中的戰略品種，但寬幅深沖鋼試生產成功率較低，爐內熱瓢曲是影響試生產成功的制約因素，影響了寬幅深沖鋼的生產[1-3]。同時寬幅深沖鋼在河北省內為空白產品，并且華北市場需求大，品種利潤高，因此亟需批量生產寬規格深沖鋼。

連續退火爐是連退線最重要的工藝段，主要工藝流程為高溫退火、快速冷卻、過時效段保溫和最終冷卻處理。在近兩年寬幅汽車板批量生產期間，熱瓢曲現象頻繁發生，造成產線停車、斷帶事故，給生產、供貨造成很大損失，同時也嚴重制約著冷軋廠生產汽車板向寬規格方向的發展。

1 現場調研

熱瓢曲是帶鋼在退火爐進行工藝處理過程中，由于某種原因出現縱向彎曲變形，經過爐輥發生塑性變形后出現的褶皺情況（見圖1），容易造成產線停車、斷帶，給生產帶來極大損失。褶皺會進一步導致帶鋼在爐內跑偏斷帶，或者帶鋼在爐內出現褶皺鼓包后，易刮到風箱、密封輥等較窄位置，從而出現斷帶情況。

圖1 寬規格深沖鋼出現熱瓢曲圖

熱瓢曲主要集中在深沖鋼系列，主要涉及的鋼種牌號有DC03-IF、DC04、DC05、DC06 等，鋼種屈服強度均處于180 MPa 以下。出現熱瓢曲的規格主要集中在薄規格寬幅鋼，厚度在1.0 mm 以下，寬度在1 600 mm 以上，而厚規格鋼種（1.5 mm 以上）不容易出現熱瓢曲。超薄寬幅深沖鋼連退爐內熱瓢曲出現的位置通常集中在加熱段、冷卻段。

2 熱瓢曲原因分析

2.1 爐輥凸度和張力

根據板帶運行情況，通常將爐內的爐輥設定為存在一定的凸度，這樣可以有效防止爐內板帶跑偏，但是同時也增加了爐內板帶褶皺的危險程度。這是由于凸度輥在轉動過程中對帶鋼寬度方向的“擠壓”容易造成帶鋼褶皺。連退爐爐內雙錐度凸度示意如圖2所示。

圖2 連退爐爐內雙錐度凸度示意圖

連退爐爐內的凸度使得板帶在爐輥表面受力不均勻。而凸度的設計是為了減少爐內板帶跑偏，為在爐內的板帶提供一定的向心力，板帶在爐內的受力示意圖如圖3 所示。在凸度拐角位置處，板帶并非平直地鋪在爐輥上，而是在凸度變化位置處存在拐角，褶皺常出現在該區域，具體如圖4 所示。根據板帶在爐輥的受力分析可知，褶皺主要受三個方面的影響，即爐輥凸度、板帶瓢曲臨界張力、爐內帶鋼張力值及張應力的橫向分布。同時溫度分布不均亦會引起張應力橫向分布的變化。

圖3 板帶在爐內的受力示意圖

圖4 連退爐爐內板帶褶皺示意圖

因此，板帶的褶皺與爐輥的凸度、爐內張力、板帶瓢曲臨界張力有著密切的關系。其中爐輥凸度為外方設計凸度，從加熱段到均熱段每個輥凸度不一樣，并且通常都已固化，凸度設置較完善，同時修改爐輥凸度工期較長（半年以上），一般不直接修改爐輥凸度。而爐內張力為人為設定張力，可以優化，但同時需考慮張力變化時影響板帶跑偏等情況。

2.2 板帶瓢曲臨界張力

根據文獻[5-7]，發生熱瓢曲的臨界張力公式為：

式中：σc為發生熱瓢曲的臨界張力；k 為相關系數；σ為熱屈服應力；E 為楊氏模量；R 為爐輥半徑；t 為帶鋼厚度；a 為上下輥高度；w 為帶鋼寬度；r 為爐輥錐度角（凸度）；μ 為滑動摩擦系數；c 為爐輥平直部分的寬度。

由張力公式可以看出，板帶瓢曲臨界張力和帶鋼鋼種、厚度、寬度、爐內加熱溫度等參數有密切關系。

2.3 帶鋼的尺寸規格及張力

根據對之前發生熱瓢曲事故帶鋼規格進行比較發現，帶鋼規格越薄，熱瓢曲發生機率越高[8]。同時隨著帶鋼厚度變化，爐內帶鋼張力也隨著變化。帶鋼厚度熱瓢曲發生機率比較情況如圖5 所示。在相同規格厚度和寬度時，根據爐內帶鋼受力分析指導，帶鋼張力增大會導致熱瓢曲褶皺發生機率增大，板帶張力、凸度之間的關系如表1 所示。由此得出，帶鋼厚度、張力和瓢曲發生機率有著密切的關系。

圖5 爐內板帶厚度（張力）影響瓢曲發生率

表1 板帶張力、凸度之間的關系

2.4 退火溫度和爐內帶鋼溫度

由于溫度分布不均引起的爐輥凸度變化非常顯著，出口處帶鋼中間部分的應力值遠遠大于正常均勻分布部分應力值[9]。當退火溫度不同時，帶鋼的屈服極限（板帶瓢曲臨界載荷）等相關參數會發生相應的變化。當溫度升高時，帶鋼的屈服極限下降；當溫度降低時，由此引起的熱凸度變化也會進一步影響到帶鋼在退火爐中熱瓢曲的產生。同時，爐溫和帶鋼溫度的分布也影響褶皺的產生，溫差引起的凸度變化是瓢曲產生的原因。

在連續退火爐內，爐內帶鋼在高溫狀態下的力學性能發生很大的變化，機械性能急劇降低，從而造成帶鋼抗變形能力減弱，在張力和爐輥凸度作用下，容易出現熱瓢曲缺陷。

此外，根據對之前發生熱瓢曲事故帶鋼規格進行比較后發現，窄接寬規格帶鋼時容易發生加熱段熱瓢曲事故（爐輥和帶鋼溫差大）、超寬幅帶鋼在加熱1 段和快冷出口時容易發生熱瓢曲（緩冷、快冷和時效段溫度過渡溫差大）等。

3 主要調試方向

根據各影響因素的邏輯影響度和因素調節容易度來進行依次排序，即帶鋼規格、加熱溫度、帶鋼爐內張力、帶鋼溫差和溫度分布，據此明確了主要調試方向。

3.1 識別易發生褶皺帶鋼規格

識別易發生褶皺規格的深沖鋼鋼種，即危險規格。根據出現熱瓢曲規格，對危險規格和普通規格進行有區別控制。尤其針對危險規格的加熱溫度和張力需重點調整優化，同時還需參考之前薄規格瓢曲褶皺措施，制定工藝段最低速度和停開車標準。

3.2 優化不同鋼種、規格的退火溫度

在保證產品性能的前提下，適當降低退火溫度，并對容易出現熱瓢曲的加熱溫度進行嚴格控制。避免因溫度過高時帶鋼強度過低，從而造成帶鋼出現熱瓢曲。

3.3 優化危險規格爐內張力

根據生產情況，發現原外方提供的張力不合適，經過連退線反復調整和研討，確定最佳張力（即剛剛小于瓢曲臨界張力），從而到達既不發生褶皺又不跑偏的理想狀態。

3.4 完善溫差控制

優化帶鋼在緩冷、快冷、時效過渡時的溫差控制，將快冷和時效段溫差梯度減小。連退線停車后再次開車時，注意避免出現爐內爐輥溫度不均現象。生產完極限規格后，時效升溫較大，升溫卷不能用危險規格，要采用厚規格進行時效段升溫。此外還要注意爐輥溫度過渡，即窄接寬規格帶鋼和寬幅沖壓鋼前的過渡卷溫度。

4 結論

通過對超薄寬幅深沖鋼爐內熱瓢曲現象進行原因分析，最終明確主要的調試方向為：識別易發生褶皺的深沖鋼鋼種規格，進行特殊處理；優化不同鋼種、規格的退火溫度；優化危險規格爐內張力控制；完善溫差控制。生產廠可通過此方向來降低生產過程中因熱瓢曲出現的褶皺斷帶事故。