鞍钢技术
2021年第3期ANGANG TECHNOLOGY总第429期
任俊威，李江委，张吉富，王杰，王存，刘旺臣，付青才
（鞍钢股份有限公司皱鱼圈钢铁分公司，辽宁营口115007）
摘要：依据热轧卷取工艺特点，对钢卷的内部应力分布进行了分析，并考虑卷取温度对材料发生相变的影响，指出相变体积变化对钢卷卷形的影响，分析了钢卷径向卷形出现不良问题的机理。结合实际生产65Mn出现的扁卷缺陷，对卷取温度进行了调整优化，解决了扁卷问题。 关键词：热轧钢卷；应力；卷取温度；相变；扁卷
中图分类号：TG33文献标识码：A文章编号：1006-4613（2021冤03-0051-03
Analysis on Radial Deformation of Hot Rolled Steel Coils after Coiling
Ren Junwei,Li Jiangwei,Zhang Jifu,Wang Jie,Wang Cun,Liu Wangchen,Fu Qingcai (Bayuquan Branch
of Angang Steel Co.,Ltd.,Yingkou115007,Liaoning,China)
Abstract：According to the characteristics of the coiling process for hot rolling,the internal stress distribution of steel coils was analyzed.And considering the effect of coiling temperatures on the phase transformation which occurred in steel materials,the effect of the volumetric change caused by phase transformation on the shape of steel coils was pointed out.Then the mechanism of the bad shape of steel coils in radial direction was analyzed.Combined with the flatted-coiled defects occurred in actual production of65Mn steel,the coiling temperature was adjusted and optimized,and the problem on the flatted-coiled defect was solved.
Key words:hot rolled steel coil;stress;coiling temperature;phase transformation;flatted-coiled coil
热连轧卷取过程是一个较复杂的动态过程，整个卷取过程中，由于卷取温度和卷取张力的变化，钢卷内部沿径向的应力和各层周向应力必然不相同。同时，卷取温度的设定有可能使材料落入发生相变的温度范围，继而将对钢卷的内部应力分布产生作用，外观表现在径向卷形上的变化。因此，研究分析钢卷卷取内部应力分布特点，考虑相变对应力的影响，以解决径向卷形的问题。
1钢卷内部各层应力状态
钢卷卷取时卷筒处于过涨的状态，在轴向上可视应力应变变化对称均匀，只考虑垂直于轴向二维平面。钢卷内圈受到卷筒径向压紧力，外圈受到周
任俊威，硕士，工程师,2005年毕业于燕山大学机械设计及理论专业。E-mail：***************向张力，钢卷每层视为弹性厚壁圆筒，每层钢卷受到接触外层的均匀径向压力，各层接触面上相互压紧，内层受力后使得圆周方向受到压缩，抵消一部分次内层压力产生的周向拉应力，外层受力后使得其周向拉应力增大。钢卷单层受力分析见图1o
a-钢卷卷取时内圈半径;r-钢卷任一i层半径;b-卷取后钢卷半径
图1钢卷单层受力分析
Fig.1Analysis on Stress of Single-layer Steel Coil
-
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《鞍钢技术)2021年第3期
总第429期
任俊威等：热轧钢卷卷取后径向麦形分析
考虑钢卷卷取时张力状态，卷取张力变化时序见图2o在卷筒开始卷取后，精轧机与卷筒建立单位张力，精轧机与卷取机同步升速，单位张力保持一段时间后，随着精轧各架轧机陆续抛钢，卷取张力逐渐减小到最小张力，在精轧机末机架抛钢后，张力主要由夹送辐与卷筒建立，直到夹送辐抛钢结束。
Fig.2Timing Sequence of Coiling Tension Changes
1.1钢卷卷取内部应力计算
以钢卷卷取时内圈半径为a，卷取后钢卷半径为b，钢卷任一i层半径为r i，最大张力为T，最小张力为T1，张力下降开始时的钢卷半径为R1，张力达到最小张力时的钢卷半径为R2，在张力下降变化范围内可用单位张力和最小张力的平均值表示。卷筒对内径的径向压力为p a，第i层受到外层径向压力为Pi，则在r臆r i范围内，半径为r处的径向应力公式为[1]:
滓=Epa-rfp i-(P a-p Ja%2(1冤
r-r i2-a2(r i2-a2)r2(1冤
周向应力公式为：
滓=a2p a-r i2p i,(p a-p加开,T(2)
滓6r=r2-a2+(心计+Ti⑵其中，当a臆r i臆R1时,T i=T c；当R1<r<R2时,T= (T c+T1)/2；当R2<r臆b时,T i=T1o
P a的计算方法如下[2]:
P a=I dp i(3) a
第i层的径向压力Pi计算方法如下[2]:
p i=T i h/r(4)
设r=a+iKh(5)式中,h为带钢厚度;K为表示钢卷卷取后各层接触的紧密系数，可通过实际测量得出。
给出材质、规格和卷重，可得知其它卷取计算参数T c、T1、b、R1、R?，计算r i带入式(1)和式(2)，可计算径向、周向应力。
-52-
径向位移公式为：
U=E(滓6r-酌滓r)(6)式中,u为径向位移；酌为材料的泊松比;E为材料的弹性模量。
1.2应力分布特点
从以上分析可以定性得出沿着钢卷半径方向随着钢卷半径的增大径向压力和周向压力由最大值逐渐减小在外圈达到最小。钢卷卷取过程中随着卷取圈数的增加，先卷上的各层受到的径向压力逐渐增大，在轧头部位的各层增加显著。如果卷取后各层之间有相对滑移，则在卷取卸卷后最容易产生径向方向的位移即可能产生径向卷形缺陷。
2钢卷卷取内部相变过程分析
热连轧产品卷取温度一般设计在550~750益，从组织相变角度来看，如果卷取后带钢的实际温度高于Ar1，则奥氏体没有完全转变完毕，未转变的奥氏体组织会继续向铁素体或珠光体转变，表现为钢材相变部位体积发生膨胀[3]o
从冷却速度来看，钢卷卷取后内圈和卷筒直接接触，发生热传导，外圈周向部分以热辐射传热为主内
外圈比钢卷内部冷速要大温降一般较快，相变过程比钢卷内部要先完成。钢卷内部一般可视为等温转变过程。内外圈温降快的部分相变 转变先完成体积膨胀相对于内圈部分越大如果相变过程发生在卸卷后钢卷内外圈部分体积膨胀变化到一定程度势必就会破坏内部应力的平衡状态，减小了内圈部分的径向应力，严重产生带层之间的滑移，引起卷形径向上的变化。
如果钢卷卷取温度设定在材料的Ar3以上，钢卷会在卷取后整体处于奥氏体状态则钢卷内部整体向低温相转变此时内外圈部分冷速相对较慢，使得转变后钢卷径向卷形变化不大。若钢卷卷取温度设定在材料Ar1以下，则相变转变动力相对较充足内外圈部分相变完成速度快此时就极有可能产生径向卷取不良。
3解决径向卷形问题措施
依据上述对卷取径向、周向应力及相变影响的分析可以判断钢卷内圈头部温度控制和卷取张力是造成钢卷扁卷的关键，因此提出以下两种解决措施：一是通过结合材料相变温度范围，合理确定
鞍钢技术
ANGANG TECHNOLOGY
2021 年第 3 期
电热恒温鼓风干燥机总第429期
卷取温度袁热轧卷取温度高于 Ar3 控制工艺袁即高
温卷取，使卷取后延长带钢头部相变过程，避免内 圈尽快完成相变，可以实现通长性能较为均匀。
二是考虑下游用户加工性能，调整层流冷却方
式，实现带钢通长温度分段控制，头部卷取温度高 于Ar1，实现钢卷内圈相变转变速度与中部不同
步，减小相变体积变化影响，但头部组织性能较其 它部位有差异。
4实际生产工艺改进
高碳钢材质在热轧卷取时极易发生径向卷形
不良，选取生产中常见的65Mn 材质扁卷，化学成分
见表1o 对现场生产工艺进行统计，依据65Mn 材质 相变温度袁对此卷取温度下的内圈应力进行计算袁结
合相变考虑扁卷造成的原因研究制定解决措施。
表 1 化学成分( 质量分数)
Table 1 Chemical Compositions (Mass Fraction ) %
材质 C
路灯节电
Si
Mn P S Als
65Mn 0.65〜0.70 0.17〜0.30 0.92〜1.20 臆 0.02 臆0.015 臆 0.029
卷取后用热成像仪实测内、外圈温度分布，
65Mn 卷后温度测量如图3，内外圈实际温度比中
部低10~20益。65Mn 实物扁卷照片见图4。
依据实际生产数据，取k 为0.007 5，轧制速
度为7.33 m/s，可计算出最大张力保持到的卷取半 径位置为R 1=748 mm，张力下降结束时钢卷卷取
半径为R 2=813 mm，最终可计算得钢卷内圈径向
应力为13.95 MPa，周向应力为33 MPa 。
查询相关资料,Ar1温度为689 益,Ar3温度
为741益，生产时卷取温度实际控制范围670~
690益，基本处于Ar1以下，卷取后的整体珠光体 相变造成内圈各层体积相对膨胀较大，造成扁卷。
图3 65Mn 卷后温度测量
Fig. 3 Temperature Measurement after Coiling 65Mn Steel
图4 65Mn 实物扁卷照片
Fig. 4 Flatted-coiled Defect 65Mn Steel Coil Physical Photo
利用应力分布模型对特定规格进行了计算,
计算条件见表2o 如果将卷取温度调到Ar3以上,
则不能满足下游用户继续冷轧深加工需要，为此,
阻燃屏蔽控制电缆将65Mn 带钢头部一定长度的温度控制调整到
Ar1到Ar3中间一个温度范围，实际温度见图5。
卷取温度在689~741益，减轻了相变体积变化对 卷形的影响，卷形试验效果良好。
表2计算条件
Table 2 Calculation Conditions
材质规格/mm 卷径/mm 钢卷层数单位张力/MPa 最小张力/MPa
65Mn4.5x1 250 1 871
117 13.5 10
•p
-3
一瑁量
图5通长CT 卷取温度控制
Fig. 5 Temperature Control for Full Length Coiling
（下转第70页）
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电易淸 楼钢钢材自动贴赫喷码尢型线
《鞍钢技术)2021年第3期
张巍等：工业机器人在鞍钢型钢生产线，的设计与应用
总第429期
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图6 3D 视觉识别效果图
Fig. 6 Effect Diagram of 3D Visual Recognition
图7机器人贴标喷码效果图Fig. 7 Effect Diagram of Labeling and Code Spraying for Robot
(3)工业机器人系统上线运行后，实现了危
险岗位无人化，优化岗位人员3人，每年优化人力
资源可降低成本30万元。同时在生产效率方面， 该系统运行周期约为90 s，与原有人工贴标喷码
周期2min 相比，作业周期缩短了 25%，准确率 高，极大地适应了产线的快节奏生产。
4结语
油墨丝印鞍钢股份有限公司型钢生产线设计了工业机
器人贴标喷码系统，此系统应用于生产中能够满足
产线工艺要求，切实提升了产线生产效率，提高了
产品标识的准确性和可追溯性，贴标准确率和喷码
售检票系统
准确率均达到99%，实现了危险岗位无人化，作业
周期缩短了 25%曰同时，统一规范的产品标识提高 了企业的产品形象。该机器人系统的成功应用提升 了鞍钢智能化产线装备能力，为后续在其它产线工 序开展机器人应用提供了经验，值得推广和借鉴。
参考文献
[1]庞强.中国工业机器人产业链发展研究[D].成都：西南财经
大学,2016.
(编辑查松妍)
修回日期：2020-08-17
来 来 来 来 来 来 来 来 来 来 来 米来
(上接第53页)
5结论
(1) 热轧钢卷内部的径向和周向应力在内圈 层为最大值，随着卷径增大而减小。
(2) 造成热轧卷钢卷局部膨胀相对较大的原
因是卷取温度低于Ar1，导致径向应力和周向应力
分布受到影响，严重情况下造成径向卷取不良，如 产生扁卷等卷形缺陷。
(3) 通过控制65Mn 钢卷内圈头部的卷取温
度到689~741益范围内，减轻了相变体积变化对 -70 -
卷形的影响，避免了扁卷的发生。
参考文献
[1] 马世麟，傅仁本.材料力学(下册)[M].北京：机械工业出版
社,1996:178-190.
[2] 冯铁.关于1780热轧地下卷取机卷筒承载性的分析[J].冶
金自动化,2007,38(4)： 390-392.
[3] 郝帅.中高碳钢宽钢带卷形的优化和改进[J].河南冶金，
2017,25(2冤：50-51.
(编辑田玉婷)修回日 期：
2020-08-04
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