钢铁行业作为国民经济的基础产业，其绿色低碳高质量发展对实现碳达峰及碳中和具有重要意义。尽管我国热轧板带产品基本满足经济建设各领域的需求，但钢板表面质量问题始终困扰着工程技术人员，难以满足高端市场的要求。热轧带钢生产全程处于高温环境，轧制过程中板形的优劣直接影响产品质量，而热轧带钢板凸度为衡量板形质量的重要指标^[1−4]。在轧制过程中，金属发生塑性流动，精轧出口的多功能仪表可以反馈平直度及板凸度等指标。在工业化热轧过程中，由于轧制在高温下进行，实际测量时钢板处于常温环境，这种温度差异导致检测结果与过程控制存在偏差^[5]。在热轧后的冷却过程中，钢板不同位置的应力状态也不同，进而影响钢板的残余应力分布，最终对钢板板形造成直接影响。本文重点分析开卷后钢板出现翘曲的影响因素，并提出针对性解决措施，为后续工业化生产提供理论依据和技术支持。

1. 翘曲产生原因分析

1.1 缺陷状态

产品实际使用过程中发现，2.0~4.0 mm厚度的钢卷在开卷后的100 m内，头部出现严重翘曲现象。经矫平处理后，钢板表面出现严重的皱褶，但随着开卷长度增加，褶皱情况逐渐减轻。此缺陷不仅会影响冷轧工序的焊接过程，还会导致下游用户反馈的横折印问题。为了定量表征不同规格钢板的翘曲程度，引入翘曲度的概念^[6]，其表达式为

式中，$\psi$为翘曲度，$\delta$、$B$、$H$分别为带钢在宽度方向的弯曲挠度、带钢宽度及带钢厚度。钢板翘曲示意及实物缺陷示意图分别如图1~2所示。

图 1钢带累加及翘曲程度示意

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图 2钢板开卷后缺陷：(a)翘曲状态；(b)剪切后横折印；(c)矫直后横折印

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以北营轧钢厂1780产线层流冷却及卷取工艺布置为例，研究钢板的翘曲过程。冷却工艺参数及现场布置示意分别见表1和图3。

表 1冷却工艺参数

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图 3冷却工艺布置

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钢卷打开后，带钢表面压力释放导致横向弹性回复。根据相关理论，在弹性回复过程中钢板的卸载力矩等于弹复力矩，由此可以得到钢板弹性回复后的曲率。由基本力学原理可知，在钢板开卷过程中，$y_m\left(x\right)$为单元条在x方向（水平方向）截面的弯曲变形区域内任意纤维面到中性层的距离，如图4(a)所示。由材料力学公式可以计算出钢卷开卷前第m层带钢在开卷后的弯曲挠度^[7−9]，如图4(b)所示。根据弹性理论，纤维面的卸载应力(σ_s,m(x))可表示为

图 4钢板微区变形及受力情况：(a)钢板塑性变形；(b)钢板截面塑性变形应力分布

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式中，E为带钢的弹性模量，v为带钢的泊松比，$K_m\left(x\right)$为第m层带钢开卷前的横向曲率，$K_m^{\text{n}}\left(x\right)$为钢板弹性回复后的曲率。

$y_m\left(x\right)$处的卸载力矩为

曲率表达式为

式中，σ_s为带钢的屈服强度。

弯曲挠度表达式为

式中，h为材料内部切向纯弹性变形层与中性层的最大距离，α为修正系数。

1.2 层流冷却分析

钢板轧制后存在边部减薄的现象，在冷却过程中，由于中部与边部的冷却能力不同，边部温度低于中部，使得边部强度略高，从而导致钢板沿宽度方向冷却不均匀。这种温差效应在钢板内部形成温度梯度，进而产生应力。在实际冷却过程中，钢板的板形受温度、相变及应力的多重交互影响^[10]。当相变及温度效应产生的应力达到钢板屈服极限时，会产生塑性变形，最终产生残余应力。因此，冷却能力直接影响钢板残余应力的分布情况，从而决定热轧钢板的板形。为了探究喷水比例对板凸度和翘曲度的影响，以Q235B钢为例，分别测试喷水比例为0.4与0.6时实验钢的板凸度情况，如表2所示。

表 2典型钢种不同喷水比例的翘曲度

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钢板经过轧制冷却后，其室温组织主要为多边形铁素体+珠光体，其中铁素体晶粒多为不规则多边形态，且含量较高，珠光体含量较低。对喷水比例为0.6的带钢组织进行金相分析可知，由于带钢边部的相变速度比中部快，上表面的冷却速度比下表面快，导致边部的珠光体含量高于中部，上表面的珠光体含量高于下表面。不同部位金相组织对比如图5所示。

图 5钢板金相组织：(a)边部上表面；(b)边部下表面；(c)中部上表面；(d)中部下表面

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1.3 板凸度分析

带钢翘曲度是带钢逐层累积的结果，影响热轧成品板凸度的因素包括：轧辊热凸度和磨损、轧辊辊形配置、精轧负荷分配、弯辊力和轧制计划编排。对不同凸度的钢卷最外层翘曲度进行测量可知，板凸度越大，累积到卷尾后的翘曲越明显（见表3）；对于同一钢种，在厚度、宽度相同的前提下，随着卷径的增加，板凸度及翘曲度都呈现增大趋势；在带钢厚度、板凸度以及钢卷卷径相同的情况下，随着带钢宽度的增加，钢卷开卷后带钢的翘曲度反而减小^[11−13]。

表 3不同规格带钢的凸度与翘曲度

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带钢在卷取后，受各卷层间径向压力和摩擦力的作用，断面始终存在周向应力，直至达到室温进行开卷时，断面所受张力才被释放。此外，由于带钢存在凸度，随着卷取过程的推进，卷取张力沿带钢宽度方向的分布将发生变化。对于钢卷中不同位置的带钢层，其周向应力的分布形式存在差异，越接近钢卷外部，带钢中部的张力越大，边部的张力越小。为探究卷取张力对翘曲度的影响，选取2卷钢进行实验，分别设定卷取张力的上限和下限。结果显示，设定张力下限的钢卷出现错层，张力偏小，但2卷钢板的翘曲度测量结果相近，证明卷取张力对翘曲度的影响较小。

2. 改进措施

钢板在厚度及轧制方向上的冷却均匀性，是保证板形良好的必要条件。首先，在轧制过程中，轧制力的变化导致轧辊辊缝改变，从而影响板凸度；钢板表面温度、轧辊辊身直径、机架间的张力、倾斜值及弯辊力等，也会对轧制力造成影响，最终影响板凸度。根据凸度计算公式调整轧制力对凸度的比例系数，将凸度控制重点集中于前部轧制力偏大的机架，后部机架主要用来控制平直度曲线，保证有载辊缝处于理想状态。随着卷取长度的增加，卷径增大，累积的卷取翘曲度随之上升。为了避免发生这种情况，在卷取过程中进行2次凸度设定调整，实现整卷钢的阶梯凸度控制。但调整幅度需严格把控，总降幅应控制在初始目标凸度的40%以内，防止因调整幅度过大导致平直度不良。

其次，可以通过调整喷水比例改善板凸度。在实际生产中，不同厚度的钢板需匹配不同的冷却水量与上下水比，否则薄规格钢板会因温度梯度激变造成翘曲度增大。针对Q235B不同厚度规格的钢板，总结出的喷水比例如表4所示。

表 4喷水方式及喷水比例的优化设计

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最后，可以通过设定微中浪、微调上述喷水比例来改善板凸度，如图6所示。在轧制设定中，调整钢板的轧后目标平直度，使带钢具有微中浪趋势，能够有效抑制冷却不均的影响。带钢在轧后虽然存在一定的中浪，但冷却至室温时可恢复平直状态，微中浪轧制策略在实际生产中已经得到广泛应用。以厚度3 mm以下的Q235B薄带钢为例，不同厚度规格对应不同的微中浪设定值（平直度目标值）：1.8~2.0 mm设定为200 μm；2.0~2.5 mm设定为150 μm；2.5~2.75 mm设定为120 μm；2.76~3.0 mm设定为60 μm。通过设定微中浪及喷水比例的微调，不同厚度规格的板凸度及翘曲度得到显著改善，目前在实际控制中效果较好。

图 6不同规格带钢调整前后板凸度(a)和翘曲度(b)的变化

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通过对比发现，带钢的板凸度、平直度目标及喷水比例调整后，翘曲度明显降低，如表5所示。

表 5不同规格板凸度的翘曲度

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3. 结束语

（1）在钢板规格及卷径相同的情况下，钢卷开卷后带钢翘曲度随着钢板凸度的增加而增大；在带钢厚度、板凸度以及钢卷卷径相同的情况下，随着带钢宽度的增加，钢卷开卷后带钢的翘曲度减小；此外，卷取张力对带钢翘曲度影响较小。

（2）钢板在轧后层流冷却过程中的传热机制较为复杂，在满足卷取温度工艺要求的前提下，根据不同厚度规格的钢板，选用不同的冷却模式及喷水比例，对改善带钢的翘曲度具有重要作用。

（3）精轧出口板形测量的理想数据无法满足最终用户的使用标准，虽然横断面的指标数据在卷取冷却过程中保持不变，但带钢边部的相变过程比中部稍快，导致边部珠光体含量高于中部。通过微中浪轧制策略，能有效抑制带钢在轧后冷却中产生的边部压应力，避免冷却后单边及双边浪的出现，从而显著改善钢板翘曲度

来源--金属世界