CN111382521B - 一种适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢铁冶炼领域,具体涉及一种适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,带钢产生残余应力的来源包括来料带钢板形、连退机组炉内带钢横向温差、连退机组炉内炉辊辊型以及连退机组炉内炉辊安装误差,分别计算来料带钢板形已存在的残余应力、连退机组炉内带钢横向温差引起的残余应力、连退机组炉内炉辊辊型引起的残余应力、连退机组炉内炉辊安装误差引起的残余应力,然后将计算得到的上述各个残余应力通过求和,求得相应的连退过程中带材内部残余应力横向分布值,最后输出带钢内部的残余应力横向分布值。本发明实现了对连退炉内带钢残余应力的精准预报,从而为极大地改善了连退出口带钢的板形质量奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼领域,具体涉及一种适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法。
背景技术
近年来,随着国内外市场对高等级带钢产品需求的不断提高,促使着企业不仅要保证带钢的尺寸、表面质量还需要兼顾产品的力学性能。连续退火机组因为具有改善带钢板形与力学性能的特点,使得退火工艺已经成为高等级带钢生产过程中一项不可或缺的工艺流程。但是在实际生产过程中发现带钢在经过连续退火工艺后,仍然会存在板形质量不佳问题,而带钢宏观表现出来的板形问题,实际上就是带钢内部存在不均匀的残余应力。连退生产现场出口成品带钢出现板形质量问题,如果在可改善范围之内,可以借助于精整机组对带钢的板形问题进行改善修补,一旦超出了精整机组的调控范围,那么带钢只能降等级处理更严重只能按照次品价格出售,严重影响了带钢生产企业的盈利。
经过专利检索,发现国家知识产权局于2015年9月23日公开了公开号为CN104923573A的专利文献。本发明提供了一种冷轧薄带钢宽度方向起浪形式的预测方法。该方法在得到冷轧带钢残余应力值及其坐标值的基础上,经如下步骤实现:(1)计算左辅助向量和右辅助向量;(2)计算包括端点值的残余应力正极大值坐标向量;(3)计算包括端点值的残余应力的负极小值向量及其坐标向量;(4)计算宽度向量;(5)计算幅值向量;(6)确定宽度方向起浪形式函数。利用该方法可以预测冷轧薄带钢宽度方向的起浪区域和起浪形式,提高冷轧生产中对带钢质量的评估能力。
上述专利文献是通过冷轧带钢残余应力值来预测冷轧薄带钢宽度方向的起浪区域和起浪形式,但没有给出冷轧带钢残余应力值的算法,也没有综合考虑设备部件、温差等因素对带钢残余应力的影响,故不能有效消除钢残余应力所造成的带钢板形质量问题。
发明内容
为了克服上述之不足,本发明的目的在于提供一种适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法。本发明实现了对连退炉内带钢残余应力的精准预报,为改善了连退出口带钢的板形质量奠定了基础。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,带钢产生残余应力的来源包括来料带钢板形、连退机组炉内带钢横向温差、连退机组炉内炉辊辊型以及连退机组炉内炉辊安装误差,分别计算来料带钢板形已存在的残余应力、连退机组炉内带钢横向温差引起的残余应力、连退机组炉内炉辊辊型引起的残余应力、连退机组炉内炉辊安装误差引起的残余应力,然后将计算得到的上述各个残余应力通过求和,求得相应的连退过程中带材内部残余应力横向分布值,最后输出带钢内部的残余应力横向分布值。
进一步地,计算来料带钢板形已存在的残余应力Δσib(x),用式(1)表示为:
式中:x为在第i个单元内沿带钢宽度方向的横向坐标值,β0(x)为酸轧来料的板形,Ei为带材在第i个单元内的弹性模量,βi-1'(x)为带材进入第i个单元前的实际板形,即单元外板形,v为带材的泊松比,i表示第i个单元,i=1,2,3…n,n为划分单元数;
其中,β0(x)用式(2)表示为
式中:B为带材宽度,k为过程参数,m为前张应力分布高次项的最高次数,b0k为酸轧来料板形系数。
进一步地,计算连退机组炉内带钢横向温差引起的残余应力Δσit(x)
在连续退火过程中,在任意第i个单元内带钢沿着横向温度分布Ti(x)可以用式(3)表示:
相应的,第i个单元内带钢横向平均温度用式(4)表示为:
这样,第i个单元内带钢横向温差分布值ΔTi(x)则可以用式(5)表示为:
将式(3)、(4)代入式(5)并整理,可将第i个单元内带钢横向温差分布值ΔTi(x)用式(6)表示为:
这样,由横向温差而引起的的残余应力Δσit(x)就可以用式(7)表示为:
式中:Ei为带材在第i个单元内的弹性模量,B为带材宽度,k为过程参数,m为前张应力分布高次项的最高次数,αikt为温度特性系数、v为带材的泊松比,β为带钢线膨胀系数。进一步地,计算连退机组炉内炉辊辊型引起的残余应力ΔσiD(x);
在连续退火过程中,任意第i个单元的炉辊包括上炉辊与下炉辊两个辊子,炉辊原始辊型、炉辊磨损辊型、炉辊热辊型分别可以用式(8)、(9)及(10)表示为:
式中:Li为第i个单元炉辊的辊身长度,Dysi(x)、Dyxi(x)为分别为上、下炉辊的原始辊型曲线,αysik、αyxik分别为上、下炉辊原始辊型曲线特性系数,Dmsi(x)、Dmxi(x)分别为上、下炉辊的炉辊磨损曲线,αmsik、αmxik分别为上、下炉辊的炉辊磨损曲线特性系数,Drsi(x)、Drxi(x)分别为上、下炉辊的热辊型曲线,αrsik、αrxik分别为上、下炉辊的热辊型曲线特性系数;
将式(8)、(9)及(10)综合可以得到连退机组第i个单元上下炉辊的实际辊型曲线如式(11)所示:
式中:Dssi(x)、Dsxi(x)分别为上、下炉辊的实际辊型曲线;
这样,由于炉辊实际辊型曲线的存在而引起炉辊在与带材接触部位的辊径差可以用式(12)表示为:
对于上、下炉辊在带材接触处的平均辊径则可以用式(13)表示为:
式中:B为带材宽度,k为过程参数,m为前张应力分布高次项的最高次数;
将式(11)及式(13)代入式(12)即可以得到炉辊实际辊型曲线在与带材接触部位的辊径差具体表达式如(14)所示:
假设带材与炉辊的包角为180°,那么由于炉辊实际辊型曲线在与带材接触部位的辊径差而引起的第i个单元带材在长度方面的差异Δlgi(x),就可以用式(15)来进行表示:
与之对应,炉辊辊型引起的残余应力则可以简单的用式(16)表示为:
式中:Hi为第i个单元内上下炉辊中心线之间的距离,Ri为第i个单元内炉辊半径,Ei为带材在第i个单元内的弹性模量;
最后,将式(14)代入到式(16)即可以得到炉辊辊型引起的残余应力的具体表达式如式(17)所示:
进一步地,计算连退机组炉内炉辊安装误差引起的残余应力Δσiw(x):
当炉辊因为加工、安装等原因出现垂直方向或者水平方向误差时,也会导致带钢内部在横向出现残余应力。假设上、下炉辊在垂直度方向总的误差分别为Δci,水平度方向总的误差为Δsi,那么因为垂直度及水平度误差而引起的第i个单元带材在长度方面的差异Δlci(x)、Δlsi(x)分别可以用式(18)、式(19)表示为:
式中:Li为第i个单元炉辊的辊身长度,Hi为第i个单元内上下炉辊中心线之间的距离;
这样,与之对应,因炉辊加工及安装误差引起的残余应力Δσiw(x)用式(20)表示为:
式中:v为带材的泊松比,Ri为第i个单元内炉辊半径,Ei为带材在第i个单元内的弹性模量。
进一步地,将计算得到的上述各个残余应力通过求和,得到相应的连退过程中带材内部残余应力横向分布值Δσgi(x),用式(21)表示为:
Δσgi(x)=Δσib(x)+Δσit(x)+ΔσiD(x)+Δσiw(x) (21)
进一步地,所述的带材在第i个单元内的弹性模量Ei=200GPa、带材的泊松比v=212000MPa,带材宽度B=1230mm,前张应力分布高次项的最高次数m=6,酸轧来料板形系数b0k=0.6。
进一步地,所述的温度特性系数αikt=0.35,带钢线膨胀系数β=1.6/℃。
进一步地,所述的上、下炉辊原始辊型曲线特性系数αysik=0.5、αyxik=0.2,上、下炉辊的炉辊磨损曲线特性系数αmsik=1.5、αmxik=2,上、下炉辊的热辊型曲线特性系数αrsik=1.5、αrxik=2.5。
进一步地,所述的第i个单元炉辊的辊身长度Li=1620mm,第i个单元内上下炉辊中心线之间的距离Hi=960mm,第i个单元内炉辊半径Ri=480mm,上、下炉辊在垂直度方向总的误差分别为Δci=1mm,水平度方向总的误差为Δsi=0.5mm。
本发明的有益效果在于:本发明考虑了不同因素对炉内带钢残余应力的影响,并有效计算出了各个因素对残余应力的数值,实现对连退炉内带钢残余应力的精准预报,从而能根据带钢残余应力值,对酸轧、连退工艺的参数进行预先调整与设定,以更好的对带钢内部残余应力进行消除,极大地改善了连退出口带钢的板形质量,保证了连退机组的高速生产,提高了生产效率,增加了企业经济效益。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明,但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制:
图1为本发明的流程图;
图2为连退机组炉内的单元划分示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,带钢产生残余应力的来源包括来料带钢板形、连退机组炉内带钢横向温差、连退机组炉内炉辊辊型以及连退机组炉内炉辊安装误差,分别计算来料带钢板形已存在的残余应力、连退机组炉内带钢横向温差引起的残余应力、连退机组炉内炉辊辊型引起的残余应力、连退机组炉内炉辊安装误差引起的残余应力,然后将计算得到的上述各个残余应力通过求和,求得相应的连退过程中带材内部残余应力横向分布值,最后输出带钢内部的残余应力横向分布值。
上述的具体计算步骤如下:
如图2所示,整个连退机组炉内从预热段开始,从预热段中的第一对炉辊开始为第1单元,第二对炉辊为第2单元,依次从连退机组炉内的预热段、加热段、均热段、缓冷段、快冷段、时效段以及终冷段中的成对炉辊按序划分为n个单元。
(a)收集参数:带材在第i个单元内的弹性模量Ei=200GPa、带材进入第i个单元前的实际板形,即所谓的单元外板形βi-1'(x)、x为在第i个单元内沿带钢宽度方向的横向坐标值,带材的泊松比v=212000MPa,带材宽度B=1230mm,前张应力分布高次项的最高次数m=6,酸轧来料板形系数b0k=0.6、温度特性系数αikt=0.35、带钢线膨胀系数β=1.6/℃、第i个单元炉辊的辊身长度Li=1620mm、上、下炉辊的原始辊型曲线Dysi(x)、Dyxi(x),上、下炉辊原始辊型曲线特性系数αysik=0.5、αyxik=0.2,上、下炉辊的炉辊磨损曲线Dmsi(x)、Dmxi(x),上、下炉辊的炉辊磨损曲线特性系数αmsik=1.5、αmxik=2,上、下炉辊的热辊型曲线Drsi(x)、Drxi(x),上、下炉辊的热辊型曲线特性系数αrsik=1.5、αrxik=2.5,上、下炉辊的实际辊型曲线Dssi(x)、Dsxi(x),上、下炉辊在与带材接触部位因辊型曲线而引起的辊径差ΔDssi(x)、ΔDsxi(x),上、下炉辊在与带材接触部位的平均辊径第i个单元内上下炉辊中心线之间的距离Hi=960mm,第i个单元内炉辊半径Ri=480mm,上、下炉辊在垂直度方向总的误差分别为Δci=1mm,水平度方向总的误差为Δsi=0.5mm;i表示第i个单元,i=1,2,3…n,n为划分单元数。
(b)计算来料带钢板形已存在的残余应力Δσib(x);
所谓的来料板形引起的残余应力,可以用式(1)表示为:
式中:β0(x)—酸轧来料的板形,可以用式(2)表示为
(c)计算连退机组炉内带钢横向温差引起的残余应力Δσit(x)
在连续退火过程中,在任意第i个单元内带钢沿着横向温度分布Ti(x)可以用式(3)简单表示:
相应的,第i个单元内带钢横向平均温度则可以用式(4)表示为:
这样,第i个单元内带钢横向温差分布值ΔTi(x)则可以用式(5)表示为:
进一步的,将式(3)、(4)代入式(5)并整理,可将第i个单元内带钢横向温差分布值ΔTi(x)用式(6)表示为:
这样,由横向温差而引起的的残余应力Δσit(x)就可以用式(7)表示为:
(d)计算连退机组炉内炉辊辊型引起的残余应力ΔσiD(x);
在连续退火过程中,任意第i个单元的炉辊包括上炉辊与下炉辊两个辊子,炉辊原始辊型、炉辊磨损辊型、炉辊热辊型分别可以用式(8)、(9)及(10)表示为:
将式(8)、(9)及(10)综合可以得到连退机组第i个单元上下炉辊的实际辊型曲线如式(11)所示:
这样,由于炉辊实际辊型曲线的存在而引起炉辊在与带材接触部位的辊径差可以用式(12)表示为:
对于上、下炉辊在带材接触处的平均辊径则可以用式(13)表示为:
将式(11)及式(13)代入式(12)即可以得到炉辊实际辊型曲线在与带材接触部位的辊径差具体表达式如(14)所示:
假设带材与炉辊的包角为180°,那么由于炉辊实际辊型曲线在与带材接触部位的辊径差而引起的第i个单元带材在长度方面的差异就可以用式(15)来进行表示:
与之对应,炉辊辊型引起的残余应力则可以简单的用式(16)表示为:
最后,将式(14)代入到式(16)即可以得到炉辊辊型引起的残余应力的具体表达式如式(17)所示:
(e)计算连退机组炉内炉辊安装误差引起的残余应力Δσiw(x);
当炉辊因为加工、安装等原因出现垂直方向或者水平方向误差时,也会导致带钢内部在横向出现残余应力。假设上、下炉辊在垂直度方向总的误差分别为Δci,水平度方向总的误差为Δsi,那么因为垂直度及水平度误差而引起的第i个单元带材在长度方面的差异Δlci(x)、Δlsi(x)分别可以用式(18)、式(19)表示为:
这样,与之对应,因炉辊加工及安装误差引起的残余应力Δσiw(x)可以用式(20)表示为:
(f)计算连退过程中带材内部残余应力横向分布值Δσgi(x):将计算得到的上述各个残余应力通过求和,得到相应的连退过程中带材内部残余应力横向分布值Δσgi(x)用式(21)表示为:
Δσgi(x)=Δσib(x)+Δσit(x)+ΔσiD(x)+Δσiw(x) (21)
(g)输出连退过程中带材内部残余应力横向分布值Δσgi(x)。
工作原理:本发明考虑了不同因素对炉内带钢残余应力的影响,具体因素包括来料带钢板形、连退机组炉内带钢横向温差、连退机组炉内炉辊辊型以及连退机组炉内炉辊安装误差,并有效计算出了各个因素对残余应力的数值,实现对连退炉内带钢残余应力的预报,从而就可以对酸轧、连退工艺的参数进行预先调整与设定,能更好的对带钢内部残余应力进行消除,从而极大的改善连退出口带钢板形质量,保证了连退机组的高速生产,提高了生产效率,增加了企业经济效益。
此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,其特征在于,带钢产生残余应力的来源包括来料带钢板形、连退机组炉内带钢横向温差、连退机组炉内炉辊辊型以及连退机组炉内炉辊安装误差,分别计算来料带钢板形已存在的残余应力、连退机组炉内带钢横向温差引起的残余应力、连退机组炉内炉辊辊型引起的残余应力、连退机组炉内炉辊安装误差引起的残余应力,然后将计算得到的上述各个残余应力通过求和,求得相应的连退过程中带材内部残余应力横向分布值,最后输出带钢内部的残余应力横向分布值;
计算连退机组炉内带钢横向温差引起的残余应力Δσit(x),在连续退火过程中,在任意第i个单元内带钢沿着横向温度分布Ti(x)用式(3)表示:
相应的,第i个单元内带钢横向平均温度用式(4)表示为:
这样,第i个单元内带钢横向温差分布值ΔTi(x)则用式(5)表示为:
将式(3)、(4)代入式(5)并整理,将第i个单元内带钢横向温差分布值ΔTi(x)用式(6)表示为:
这样,由横向温差而引起的残余应力Δσit(x)就用式(7)表示为:
式中:Ei为带材在第i个单元内的弹性模量,B为带材宽度,k为过程参数,m为前张应力分布高次项的最高次数,αikt为温度特性系数、v为带材的泊松比,β为带钢线膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,其特征在于:计算连退机组炉内炉辊辊型引起的残余应力ΔσiD(x),在连续退火过程中,任意第i个单元的炉辊包括上炉辊与下炉辊两个辊子,炉辊原始辊型、炉辊磨损辊型、炉辊热辊型分别用式(8)、(9)及(10)表示为:
式中:Li为第i个单元炉辊的辊身长度,Dysi(x)、Dyxi(x)为分别为上、下炉辊的原始辊型曲线,αysik、αyxik分别为上、下炉辊原始辊型曲线特性系数,Dmsi(x)、Dmxi(x)分别为上、下炉辊的炉辊磨损曲线,αmsik、αmxik分别为上、下炉辊的炉辊磨损曲线特性系数,Drsi(x)、Drxi(x)分别为上、下炉辊的热辊型曲线,αrsik、αrxik分别为上、下炉辊的热辊型曲线特性系数;
将式(8)、(9)及(10)综合得到连退机组第i个单元上下炉辊的实际辊型曲线如式(11)所示:
式中:Dssi(x)、Dsxi(x)分别为上、下炉辊的实际辊型曲线;
这样,由于炉辊实际辊型曲线的存在而引起炉辊在与带材接触部位的辊径差用式(12)表示为:
对于上、下炉辊在带材接触处的平均辊径用式(13)表示为:
式中:B为带材宽度,k为过程参数,m为前张应力分布高次项的最高次数;
将式(11)及式(13)代入式(12)即得到炉辊实际辊型曲线在与带材接触部位的辊径差具体表达式如(14)所示:
假设带材与炉辊的包角为180°,那么由于炉辊实际辊型曲线在与带材接触部位的辊径差而引起的第i个单元带材在长度方面的差异Δlgi(x),就用式(15)来进行表示:
与之对应,炉辊辊型引起的残余应力则用式(16)表示为:
式中:Hi为第i个单元内上下炉辊中心线之间的距离,Ri为第i个单元内炉辊半径,Ei为带材在第i个单元内的弹性模量;
最后,将式(14)代入到式(16)即得到炉辊辊型引起的残余应力的具体表达式如式(17)所示:
4.根据权利要求3所述的适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,其特征在于:计算连退机组炉内炉辊安装误差引起的残余应力Δσiw(x):当炉辊因为加工、安装的原因出现垂直方向或者水平方向误差时,也会导致带钢内部在横向出现残余应力;假设上、下炉辊在垂直度方向总的误差分别为Δci,水平度方向总的误差为Δsi,那么因为垂直度及水平度误差而引起的第i个单元带材在长度方面的差异Δlci(x)、Δlsi(x)分别用式(18)、式(19)表示为:
式中:Li为第i个单元炉辊的辊身长度,Hi为第i个单元内上下炉辊中心线之间的距离;
这样,与之对应,因炉辊加工及安装误差引起的残余应力Δσiw(x)用式(20)表示为:
式中:v为带材的泊松比,Ri为第i个单元内炉辊半径,Ei为带材在第i个单元内的弹性模量。
5.根据权利要求4所述的适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,其特征在于:将计算得到的上述各个残余应力通过求和,得到相应的连退过程中带材内部残余应力横向分布值Δσgi(x),用式(21)表示为:
Δσgi(x)=Δσib(x)+Δσit(x)+ΔσiD(x)+Δσiw(x) (21)。
6.根据权利要求5所述的适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,其特征在于:所述的带材在第i个单元内的弹性模量Ei=200GPa、带材的泊松比v=212000MPa,带材宽度B=1230mm,前张应力分布高次项的最高次数m=6,酸轧来料板形系数b0k=0.6。
7.根据权利要求6所述的适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,其特征在于:所述的温度特性系数αikt=0.35,带钢线膨胀系数β=1.6/℃。
8.根据权利要求7所述的适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,其特征在于:所述的上、下炉辊原始辊型曲线特性系数αysik=0.5、αyxik=0.2,上、下炉辊的炉辊磨损曲线特性系数αmsik=1.5、αmxik=2,上、下炉辊的热辊型曲线特性系数αrsik=1.5、αrxik=2.5。
9.根据权利要求8所述的适用于连退机组炉内带钢残余应力的预报方法,其特征在于:所述的第i个单元炉辊的辊身长度Li=1620mm,第i个单元内上下炉辊中心线之间的距离Hi=960mm,第i个单元内炉辊半径Ri=480mm,上、下炉辊在垂直度方向总的误差分别为Δci=1mm,水平度方向总的误差为Δsi=0.5mm。
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邱增帅 ; 何安瑞 ; 邵健 ; 杨荃 ; 夏小明 ; .冷却工艺对热轧高强带钢残余应力的影响.中南大学学报(自然科学版).2018,(06),全文. * |
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