拉弯矫直机破鳞机理的研究❋

卞大鹏，周存龙，李中喜，梅小强，张艳峰，郭亚栋

（太原科技大学 山西冶金设备设计理论与技术重点实验室，山西 太原 030024）

0 引言

随着经济的发展和社会的进步，国内外市场对带钢质量的要求越来越高。然而近年来，因氧化铁皮压入等带来的产品质量问题愈来愈引起人们的关注［1］。目前，拉弯矫直机对带钢板形质量的改善效果已被人们普遍接受。

拉弯矫直过程涉及拉弯、弹复、反弯、张力矫直和破鳞等方面。目前人们已经普遍感受到除鳞功能对提高带钢总体质量水平具有重大意义。对拉弯矫直机的破鳞机理进行分析，其结果对拉弯矫直机结构的设计及其工艺的制定将起到重要的参考作用。

实际应用中，如何使拉弯矫直机更好地兼顾改善板型和除鳞双重功能，这一问题的解决也有赖于对其破鳞机理的研究。

1 拉弯矫直机破鳞工作原理

利用带钢基体与表面氧化铁皮材料性能的巨大差异，对带钢施加张应力，并通过机械方法反复弯曲。基体材料受力后产生一定的弹塑性变形，而表面氧化皮不具有塑性，破环强度较低，且与带钢基体附着力差。当带钢基体形状变化引起的内应力大于氧化铁皮破坏强度时，氧化铁皮就会破裂。带钢通过弯曲辊时，上、下表面氧化铁皮处于不同的应力状态，部分氧化铁皮就会产生不同形式的剥落。相对于单一的辊式矫直机，经过拉弯矫直机处理的带钢板形和表面外观质量均可得到更好的改善［2］。

1．1 张应力作用下的破坏形式

拉弯矫直机通过张力辊对带钢施加张应力，带钢基体将张应力传递给氧化铁皮。当张应力超过其临界应力时，氧化铁皮被拉断，形成一个个孤立的氧化物块，但不会剥落［3］，如图1所示。

图1 张应力作用下的氧化皮破坏形式

1．2 弯曲作用下的破坏形式

当带钢通过拉弯矫直机的弯曲辊时，带钢两面氧化铁皮受到的变形情况不同，如图2所示。外侧氧化铁皮受到拉应力和切应力，氧化铁皮产生裂纹，但不会剥落；内侧氧化铁皮受到压应力和切应力的作用，主要是压应力作用［4］，氧化铁皮会被挤碎成网状，有些会脱落。

图2 弯曲作用下的氧化皮破坏形式

埃文斯的研究结果表明，氧化物受到压应力时的剥落形式有两种［5］，如图3所示。①当氧化铁皮与带钢基体界面结合强度高于氧化铁皮自身强度时，氧化铁皮内首先产生裂纹，进而扩展至界面，导致这部分氧化铁皮剥落；②当氧化铁皮自身结合强度较高时，裂纹首先在界面处形成，应力作用使氧化铁皮发生弯曲，当界面裂纹扩展至氧化铁皮内时，该区域的氧化铁皮剥落。

图3 压应力作用下的破坏形式

2 拉伸和弯曲试验

2．1 拉伸试验

试验材料选用2．5mmQ235普碳钢。使用线切割机切成长度为220mm、宽度为20mm的试样，其中试验的有效长度为120mm。然后使用超声波清洗试样，去掉表面的油污。

为避免拉伸机夹头夹住试样两端对试验结果产生不利影响，将试样两端各50mm的表面氧化铁皮用腐蚀液侵蚀掉。

拉伸试验在25t万能材料试验机上进行，试验步骤如下：

（1）使用分析天平测量试验前试样的质量。

（2）进行拉伸试验，张应力分别为140MPa、160 MPa、180MPa、200MPa。

（3）拉伸后，用抹布轻轻地擦拭试样表面，使用分析天平测量试验后试样的质量。

（4）通过酸洗去掉表面的氧化铁皮，测量出带钢基体的质量。酸洗方法如下：酸洗液是质量浓度为160g／L～200g／L的HCl，酸洗温度为30℃～40℃，当氧化铁皮以片层状剥离方式快速溶解、层状剥离时为酸洗终点［6］。

表1为拉伸试验数据。图4为拉伸试验表面氧化铁皮金相照片。由表1和图4可看出：张应力可拉断试样表面的氧化铁皮，但氧化铁皮剥落量较小；当张应力增大时，氧化铁皮剥落量略有增大。

表1 拉伸试验数据

图4 拉伸试验表面氧化铁皮金相照片

2．2 弯曲试验

弯曲试验在WAW－1000微控电液伺服万能实验机上进行。试样长度为120mm，宽度为20mm。试样弯曲直径分别为Φ60mm、Φ100mm、Φ130mm、Φ160mm。其他步骤与拉伸试验相同。

表2为弯曲试验数据，图5为弯曲试验表面氧化铁皮金相照片。由表2和图5看出：弯曲作用可使氧化铁皮有明显剥落；当弯曲直径减小时，剥落效果明显增大。

3 结语

（1）理论和试验分析表明：拉弯矫直机通过张力辊向带钢施加张应力可拉断氧化铁皮，但氧化铁皮仍然会粘附在带钢表面，剥落量较小；当带钢通过弯曲辊时，氧化铁皮有明显剥落，且减小弯曲辊直径可使剥落效果明显提升。

（2）我们可以推断出拉弯矫直机的理想工作情况应该是小张力大弯曲，这就要求弯曲辊在保证其强度 的同时选取尽可能小的直径。

表2 弯曲试验数据

图5 弯曲试验表面氧化铁皮金相照片

［1］ 李红，余广火，原建华，等．钢板卷筒后筒体表面凹坑缺陷的成因分析与预防［J］．宽厚板，2008，14（5）：11－13．

［2］ 吴毛里．拉矫破鳞机在冷轧厂的应用［J］．科技风，2010（9）：162．

［3］ 任涛．酸洗线拉伸弯曲矫直机的应用［J］．鞍钢技术，2001（2）：17－18，21．

［4］ 王建国，李同庆．拉矫机破鳞原理的研究［J］．上海金属，1999，21（1）：12－15．

［5］ 李美栓．金属的高温腐蚀［M］．北京：冶金工业出版社，2001．

［6］ 上海梅山钢铁股份有限公司．测定热轧氧化铁皮及其中氧化物相面密度的方法和用途：中国，CN200610147265．X［P］．2008－6－18．