镀铝锌机组C翘影响因素研究

孙永旭 钱胜 白振华

(1：上海梅山钢铁股份有限公司冷轧厂 江苏南京 210039；2：燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心 河北秦皇岛 066004)

1 前言

镀铝锌机组作为热镀锌铝板生产的重要设备之一，由入口开卷机组、退火机组、锌锅、气刀、锌锅镀后冷却塔、平整机、出口卷取机组等主要设备所组成，主要是完成冷轧带钢的预清洗、退火、热浸镀铝锌、镀后冷却、平整等接近成品的关键工序[1,2]。由于热镀锌铝板具有理想的耐腐蚀、成形、涂装以及成本低、外观好等优点，因此近年来得到了迅猛的发展。与此同时，在镀铝锌机组的退火工序中，因退火过程中上下表面温度不均而引起的带钢横向翘曲缺陷(简称C翘)则对下游镀锌工序锌层的均匀性产生了较大的影响，已经成为现场关注的焦点。以往国内外学者对于带钢C翘的研究主要集中在冷轧带钢C翘问题以及C翘变形的力学问题理论求解等方面，比较典型的有张勃洋等人针对冷轧带钢生产现场出现的复杂板形翘曲缺陷机理分析，并建立复杂变形力学模型[3]，林潇对高强钢在热处理过程中遇到难以解决板形问题，建立温度场、组织场、应力应变场的三场耦合有限元模型[4]，但对于退火及热镀锌过程中出现的C翘问题尚未有相关研究见诸于文献。对于热镀锌过程中C翘形成的机理、影响因素以及治理措施的研究依然是现场技术攻关的重点。本文即在此背景下围绕着C翘而展开。

2 C翘定义及形成机理分析

2.1 C翘定义

所谓的C翘，就是指带钢沿着横向卷起呈C形外观的一种缺陷。为了定量的描述C翘缺陷，如图1所示，建立相应的直角坐标系，沿x方向为带钢纵向，沿y方向为带钢横向。在该坐标系中带钢C翘是指带钢沿横向往z方向翘曲变形，其发生翘曲的程度用翘曲量w来表示，规定：w>0，带钢发生上翘；w<0，带钢发生下翘。

图1 带钢C翘描述

2.2 镀铝锌机组带钢退火工艺简介

对于热镀铝锌机组而言，其退火炉内由预热段(PHS)、无氧化加热段(DFS)、辐射管加热/均热段(RHS)、冷却段(CS)、热张辊段(TDRS)等五段工艺所组成。其中，在预热段(PHS)带钢常温升高至200℃，此段对带钢起到预热作用，防止加热速度过快；在无氧化加热段(DFS)带钢温度升高约550℃—630℃，此段烧去带钢表面轧制油；在辐射管加热/均热段(RHS)可将带钢表面温度升高至约580℃—800℃，将带钢内部组织达到退火状态；冷却段(CS)可将带钢温度降至镀铝锌所需温度范围550℃—600℃。与此同时，带钢在热镀铝锌机组的退火过程中，随着加热温度的升高带钢内部组织和性能的变化可分为回复、再结晶、晶粒长大等三个阶段。

2.3 C翘缺陷的形成机理

带钢C翘缺陷与带钢加工条件以及环境有直接关系，带钢在轧制过程所发生的C翘是带钢沿轧制方向不均匀延伸所导致，而镀铝锌机组退火过程中带钢的C翘形成机理与之有着本质上差异。为了阐述镀铝锌机组退火过程中C翘缺陷的形成机理，如图2所示，以镀铝锌机组退火炉部分某一工艺段为例，选择相邻两个炉辊之间的带材作为一个单元进行分析。

图2 分析单元

如前所述，带钢在退火炉内的高温环境下，加之张力作用，极易发生塑性变形。由于炉内加热装置的局限性以及炉温分布不均，使得带钢表面的温度不管在横向、纵向和厚向都有差异性，各处塑性变形程度不相同，若当带钢温度降低，弹性变形得到恢复，而塑性变形残留。当带钢横向温度不均性较大时，带钢在横向塑性变形残留较大，所以在宏观上表现为带钢沿着横向出现由宽变窄现象。同时带钢厚度方向也存在温差，就出现沿厚度方向各处宽度不均匀，这就导致出现带钢C翘缺陷。

为了进一步的分析C翘的形成机理，现分别以带钢从常温升至最高温度的过程分析，将带钢单元受力状态绘制如图3所示。在图3中，Tu(x,y)、Td(x,y)分别表示为带钢单元上下表面任意区域温度分布函数，带钢在张应力σx作用下保持纵向平直，此张应力在带钢升温时纵向等效为无约束。而在横向带钢未受到外界力作用，故带钢沿横向有受热变形的趋势较大。设上、下表面沿横向热应力分别为σTu、σTd，对应上下表面应变量为εu、εd，带钢高温下屈服强度极限σsT。

图3 带钢单元体受力状态

假设带钢已处于高温状态，但由于加热元件以及炉内热传导效率有差异，使得带钢上下表面任意区域温度不等，此时带钢上下表面是弹性变形与塑性变形并存的状态。这样，若Tu(x,y)>Td(x,y)，则σTu>σTd≥σsT，εu≥εd，带钢沿横向上表面较下表面的应变量大，此时表现为带钢下C翘，w<0，外观就表现为如图4(a)所示下C翘带钢形状；若Tu(x,y)σTu≥σsT，εd≥εu，带钢沿横向下表面较上表面的应变量大，此时表现为带钢上C翘，w>0，此时带钢横截面就表现为如图4(b)所示上C翘形状。

图4 C翘形态图

3 热镀铝锌机组带钢C翘主要影响因素分析

如前所述，对于热镀铝锌机组而言，带钢发生C翘机理为高温退火过程中带钢表面温度分布不均使得带钢沿横向各处应变量不均匀。这样，影响带钢沿横向各处应变量不均匀的因素，实际就是带钢C翘的影响因素。为此，经过大量的现场跟踪与实验研究，最终得到热镀铝锌机组带钢C翘产生的因素主要表现在以下五个方面：(1)加热段带钢上下表面热源分布不均 在热镀铝锌机组的退火工艺段，带钢的加热依靠带钢上下表面的热源(包括明火烧嘴与辐射管)来加热，烧嘴与辐射管横向的布置直接影响带钢温度的横向分布；而烧嘴及辐射管在带钢的上下表面分布的不对称性也会直接导致带钢上下表面温度的不均匀；(2)加热段带钢张力设定不合理 如图5所示，在加热段，如果带钢张力偏小，带钢在重力的作用下将会下垂，下垂后的带钢下表面离下烧嘴及辐射管比较近，而上表面离上烧嘴及上辐射管距离比较远，此时就会出现下表面温度远高于上表面的情况，从而造成上翘；如果此时张力偏大，则又会造成带钢的拉窄问题；(3)冷却段上下表面风机压力设定不合理 在冷却段，当上表面的风机、下表面风机喷嘴处的压力设定成完全相同时，由于重力的作用，实际上带钢会出现一定的下垂，这样下表面离喷嘴的距离要比上表面近，因此下表面的冷却效果要高于下表面的冷却效果，从而造成下表面的温度低于上表面的温度，形成下翘；当上表面喷嘴处风机的压力远高于下表面时，此时又会出现上表面带钢实际冷却效果超过弥补因带钢下垂而引起的上下表面温度冷却效果差，造成上表面的温度低于下表面的温度，造成上翘；(4)冷却段张力设定不合理，与加热段不一样，在冷却段，如果张力偏小造成带钢下垂则会导致下表面冷却效果高于上表面，从而出现下翘缺陷；(5)来料板形缺陷 由于来料板形缺陷的影响，使得带钢上下表面起浪部位在加热段与烧嘴及辐射管的距离不相同、而在冷却段又与上下风机喷嘴距离不相同(如图5所示)，造成上下表面的温差，引起翘曲。

4 C翘治理措施以及效果分析

4.1 C翘治理措施的研究

根据C翘的形成机理以及影响因素的分析，对于带钢C翘治理需从控制带钢表面温度分布均匀性、风机压力、张力的优化等三个方面提出治理措施。带钢是连续化生产，自动化程度高、多工艺联合的产品。带钢C翘存在于各工艺中，不能单独考虑某一工艺段。要想减轻或者消除翘曲量，应该采用多工艺段联合执行。由此制定带钢缺陷治理方案：

图5 加热段带钢下垂及与烧嘴距离示意图

图6 来料板形不良时带钢上下表面受热或冷却示意图

(1)在明火无氧化加热段，控制明火烧嘴状态，调节炉温，从而控制带钢表面温度在合适范围内，控制好带钢板形，减小带钢表温面差，尽量减轻带钢翘曲量；

(2)在明火无氧化加热段，升温过快，导致带钢翘曲量较大。在辐射管加热/均热段，控制辐射管状态，降低升温速度，补偿带钢表面温度，增加辐射管均热的时间，从而减小带钢表面温差；

(3)若在辐射管加热/均热段未缓解带钢较大翘曲量，可以从冷却段入手，利用风机调节带钢表面分布，保持均匀降温速度，反向补偿带钢翘曲量，从而改善板形；

(4)对加热段张力进行优化 根据加热段上下烧嘴及辐射管的布置情况，对张力进行优化，减少带钢表面的温度差；

(5)对冷却段张力进行优化 根据冷却段上下表面风机压力情况，对冷却段张力进行优化，减少带钢表面的温度差。

(6)制定来料板形标准 对于来料板形过大的带钢在无法避免生产时，应该制定特殊的张力制度，尽量在退火过程中减少板形缺陷。

4.2 效果分析

在热镀铝锌机组的生产过程中，如果退火过程中出现了C翘缺陷，所导致的直接后果就是带钢经过锌锅及气刀后表面出现镀层不均匀的问题。当带钢出现上翘时，会出现上表面镀层厚度不均匀度较大且厚度平均值较大，而相对来说下表面镀层厚度不均匀度较小且厚度平均值较小。这就是说，在热镀铝锌机组中，可以通过锌层的均匀性来判断退火过程中C翘的严重程度。某冷轧厂热镀铝锌机组在投产之初，C翘缺陷较为严重，为此采用4.1所述相关措施对C翘缺陷进行治理，C翘缺陷降低30%以上，取得了良好的效果。

5 结论

(1)在镀铝锌机组中带钢C翘本质是高温下带钢表面温度分布不均使得带钢沿横向各处应变量不均匀所致；

(2)在连续退火过程中影响带钢C翘主要因素为加热段带钢上下表面热源分布不均、加热段带钢张力设定不合理、冷却段上下表面风机压力设定不合理、冷却段张力设定不合理、来料板形缺陷等五个方面；

(3)应用带钢连续退火过程中多工艺段联合执行，从控制带钢表面温度分布均匀性、风机压力、张力优化、来料板形标准的制定等方面提出了治理措施，将该措施应用到现场，取得了良好的使用效果，具有进一步推广应用的价值。