板帶軋制過程中的軋制程序優(yōu)化

供稿|張冰，張霞 /

針對幾種軋制模式，如中板軋機的立輥及水平軋制過程、具有較大減寬能力的粗軋機中的側壓/水平軋制道次、常規(guī)熱軋機中薄帶鋼的軋制、連鑄連軋生產線粗軋機組的軋制工藝過程以及連鑄連軋生產線奧氏體—鐵素體混合軋制過程等，討論了軋制程序的優(yōu)化過程。軋制程序優(yōu)化是一項復雜的工作。一個優(yōu)化的軋制程序是通過針對表1所示的數(shù)據(jù)組分析之后，確定軋制策略，如軋機數(shù)據(jù)、坯料數(shù)據(jù)及軋制工藝輸入值。

這些數(shù)據(jù)組被分成必須考慮的單個因素(見表1)，單個因素相互作用，彼此影響。因此，需要經驗和訣竅去權衡目標值，以確保各個組成部分之間相互作用順暢。

這些單個因素主要包括：軋機數(shù)據(jù)包括工廠布置形式、加熱爐及保溫設備、除鱗系統(tǒng)、冷卻設備、軋機傳動數(shù)據(jù)(軋輥直徑、軸承距離、軋輥材質及冷卻、最大軋制力/軋制力矩、輥縫潤滑等)；產品數(shù)據(jù)包括材料及化學成分、變形參數(shù)(溫度、應變等)、微觀組織結構、物理性能以及根據(jù)軋制策略輸入的數(shù)據(jù)(道次壓下量、咬入角軋輥載荷、機架間張力等)。

中板軋機

中板軋機的熱-機軋制過程中，最后的軋制階段會出現(xiàn)溫降，該階段的變形量約為最終厚度的2.5～4倍。根據(jù)材料的不同，會出現(xiàn)一定程度的加工硬化，這將導致軋制力及軋制力矩的增大。表2是中板廠使用190 mm厚度的板坯生產20 mm厚度的管線鋼X70時的熱-機軋制程序。板坯尺寸為192.30 mm×1780 mm×3.321 m，板坯質量8.544 t，單重4.80 kg/mm。成品中板尺寸為20.00 mm×4444 mm×12.528 m，中板單重1.92 kg/mm。板坯溫度1075℃，小時產量70 t/h。

該軋制是在1074～794℃和2.8倍最終變形量的條件下實現(xiàn)的。圖1顯示了每個道次軋制過程中壓下量分配與溫度的關系，在板坯溫度較高時采用較大變

形量，此時對應道次的軋制力和軋制力矩相對較低(見圖2)，隨著溫度的降低，材料的變形抗力逐漸增高，此時軋制力和軋制力矩也隨之提高，因此采用了相對較低的壓下量。圖2顯示了對應圖1的每個道次的軋制力、軋制力矩之間的變化。從圖中可以看出，軋制過程中隨著溫度的變化，軋制力和軋制力矩也相應地發(fā)生變化。

表1 軋制程序優(yōu)化需要考慮的因素

表2 中板軋機軋制程序

圖1 熱機軋制過程中相對壓下量與溫度的關系

圖2 熱機軋制過程中的軋制力和軋制力矩

最終軋制階段的單個道次壓下量約為8%，此時除了軋制力有約15%的余量之外，整個軋機能力被完全利用。事實上，當溫度降到900℃以下時，由于加工硬化不斷提高而導致軋制力和軋制力矩均有所增高。在這個例子中，對最終階段軋制道次壓下、軋制力及軋制力矩的設定主要考慮的影響因素是變形抗力。并且，軋制力、軋制力矩都隨著溫度的變化發(fā)生變化，所以溫度也是主要考慮的影響因素。

粗軋機中的側壓/水平軋制道次

在使用非孔型或帶孔型軋輥的大立輥機架中，板坯的側壓軋制是不均勻變形，可能導致帶鋼厚度方向上的“狗骨”(立輥側壓后由于金屬沿寬度方向上變形滲透不夠，導致板坯邊部厚度高于中間部分厚度的情況)及隨后的精軋軋制時帶鋼長度方向上的“魚尾”(邊部增厚在水平道次軋制中金屬向最小阻力方向流動產生的縱向變形的不均的情況)的形成，見圖3。

圖3 立輥軋制中“狗骨”和水平軋制中“魚尾”的產生

在對立輥軋制道次的設計時，要考慮到軋輥咬鋼及在后續(xù)水平軋制道次中的壓下量，以及作用在立輥和水平機架及它們的傳動裝置上的載荷等因素。此外，還必須要了解側壓道次中，材料在厚度和長度方向上的流動特性，從而能夠設定合理的立輥和水平輥軋制的速度，以便按照機架間設定好的張力來實現(xiàn)穩(wěn)定的軋制過程。表3給出的實例是220 mm，實現(xiàn)71 mm有效寬度方向側壓的軋制過程。軋材數(shù)據(jù)：板坯250 mm×1535 mm×10520 mm，有效寬度壓下量71 mm。

在設定或計算粗軋機整個軋制中寬度和厚度壓下量的分配時，必須確保水平道次之后的“狗骨”的擴展、以及總的溫度降為最小。同時，必須使“狗骨”和“魚尾”的形成最小，以防止軋材在立輥孔槽中的黏連，減少孔槽磨損，提高產量。在準備軋制程序時，優(yōu)化過程就已經開始。特別是在某些特殊的軋制程序設置中，如具有較大寬度壓下且無水平壓下的兩個連續(xù)側壓道次中，需要通過有限元模擬的方式來估算“狗骨”的形成，以及立輥孔槽的填充程度。

表3 立輥側壓—軋制程序

常規(guī)熱連軋機組精軋機組薄帶鋼生產

表4是常規(guī)熱軋機中軋制薄帶鋼的一個典型的軋制程序，圖4給出了熱軋軋制過程中相對壓下量和厚度的關系。在常規(guī)熱連軋機組中，薄規(guī)格軋制的重點是保證軋制穩(wěn)定性、減少卡鋼事故的發(fā)生，這就需要考慮多個影響因素及其相互作用，如溫度、壓下分配、軋制速度、冷卻及潤滑軋制、軋輥的熱膨脹等，并將其優(yōu)化到控制模型中，確保軋制力和軋制力矩的測量值與計算值的一致性，從而保障軋制過程。

在一個軋程結束后，需要對更換下的軋輥的表面進行溫度測量，測得的溫度被模型利用來進行自適應修正。從表4可以看出，通常的壓下分配重點在于上游機架(高負荷、大壓下)，因而F1和F2機架的載荷最高。

軋制開始之后軋輥溫度升高，停機或換輥期間軋輥冷卻，開軋之后溫度重新升高，各種現(xiàn)象交互作用。整個軋制過程中輥身長度方向上的溫度不斷變化，這個變化對軋制力、軋制速度、冷卻水量的投入等都會產生影響。根據(jù)軋制的寬度范圍以及軋輥和機架間冷卻的應用，在輥身長度方向上的溫度會形成一個溫度模型，該模型可以利用軋程結束后更換下的軋輥測得的溫度進行修正。此外，軋輥隨著溫度的變化導致輥形變化、不同材質造成的不同軋輥熱膨脹系數(shù)也是在軋制程序優(yōu)化中需重點考慮的因素。

表4 熱軋機組薄規(guī)格軋制程序

圖4 熱軋軋制過程中相對壓下量與厚度的關系

對于不連續(xù)的工藝過程，常規(guī)熱連軋機組的工作輥正常溫度在40～90℃，因此必須要采取措施以避免軋輥溫度的過度升高。這些措施包括軋輥冷卻水、機架間冷卻、軋制道次分配以及輥縫潤滑等功能的投入、使用以及優(yōu)化。通常軋輥要承受交變的壓應力和拉應力，這些參數(shù)的變化對軋制程序優(yōu)化的影響程度應從設備、軋輥材質以及軋機的操作等方面加以考慮和調整。

連鑄連軋生產線粗軋機組的軋制工藝過程

由于連鑄連軋生產線直接與鑄機相連，因此粗軋機組的軋制是以一個較低的速度實現(xiàn)的。這就意味著，不管是否設計緊湊，帶鋼表面由于熱輻射、與軋輥的接觸以及除鱗等原因，都會產生劇烈的降溫。因此有必要在工藝設備布置上考慮增加帶鋼的保溫功能，如增設感應加熱器或熱卷箱以減少降溫。

可使用立體溫度模型確定帶鋼的溫度，特別是帶鋼邊部溫度，并在軋制程序設計中用經驗值加以修正。圖5顯示的是一個側壓和三個水平道次并帶有中間除麟裝置的軋制程序的溫度計算。

圖5 薄板坯連鑄連軋粗軋工藝過程中溫度計算

由于軋制過程是與鑄機直接相連的，軋制是以一個相對較低的速度執(zhí)行的。側壓軋制及除鱗道次給帶鋼邊部帶來了遠高于中部、以及上下兩個表面的降溫。這個降溫可以通過設置于下游的加熱裝置來補償。由軋制程序模擬獲得的計算結果作為感應加熱系統(tǒng)配置設計的基礎。

連鑄連軋生產線奧氏體-鐵素體混合軋制過程

軋制程序模擬中最重要的任務之一是能夠設計出一個生產線，它能夠實現(xiàn)特定的軋制和冷卻策略和要求的帶鋼幾何尺寸，軋制出不同寬度的最薄帶鋼。

表5給出的數(shù)據(jù)來自于連鑄連軋生產線的低碳鋼奧氏體-鐵素體混合軋制程序。來料板坯厚度70 mm，采用半無頭軋制方式，生產厚度1.2 mm，寬度1560 mm的帶鋼，軋機出口速度達8.75 m/s。軋材數(shù)據(jù)：薄板坯70.0 mm×1560 mm，板坯單重：90 kg/mm，低碳鋼StW24，帶鋼規(guī)格1.2 mm×1560 mm。機架R2和F1之間設置有中間冷卻系統(tǒng)。

圖6是溫度曲線。在奧氏體成型區(qū)，即R1和R2之后，中間坯立即被冷卻到奧氏體-鐵素體相變點以下的溫度，這個相變區(qū)內，帶鋼具有最小的屈服應力。精軋機軋制期間，要求保留有大約10%的殘余奧氏體含量。奧氏體-鐵素體混合軋制范圍內總壓下量應在80%以上。卷取溫度大約在670℃左右。

表5 連鑄連軋奧氏體-鐵素體軋制程序

對于超低碳鋼而言，有可能采用更低的終軋溫度，生產線的設計考慮了半無頭軋制和類似常規(guī)熱軋機組的單坯軋制，可實現(xiàn)奧氏體軋制、鐵素體軋制以及奧氏體-鐵素體混合軋制的功能和模式。而軋制程序的設計和優(yōu)化中，溫度是重要的影響因素之一。

單坯軋制可軋最小厚度為1.0 mm，軋機出口速度約12.5 m/s，而在半無頭軋制中，最小軋制厚度達到了0.7 mm，最大速度高達20 m/s。

結束語

文中實例均為熱軋機組的軋制過程。對于不同生產線的熱軋軋制過程，軋制程序的設計和優(yōu)化均要考慮各種影響因素，包括不同工藝系統(tǒng)的選用、對應的設備和工藝參數(shù)的配置等。一個優(yōu)化的軋制程序是通過對一系列數(shù)據(jù)組，如軋機數(shù)據(jù)、產品數(shù)據(jù)等進行綜合分析后，確定并應用軋制策略的，這些數(shù)據(jù)組主要包括工藝設備布置、產品范圍、材料及化學成分、軋機及傳動數(shù)據(jù)、溫度窗口、道次壓下及載荷的分配等?？紤]這些數(shù)據(jù)組的同時，也要把握數(shù)據(jù)組中各個因素之間的相互作用。因此，需要經驗和訣竅去權衡目標值，以確保各個組成部分之間相互作用的順暢。

圖6 連鑄連軋奧氏體-鐵素體軋制溫度曲線

當軋制程序模型在生產實踐過程中經過不斷優(yōu)化和改進，并印證其有效并可靠時，才能夠集成到設計模型當中。從上述幾個實例可知，對于熱軋軋制過程，溫度的控制、溫度模型優(yōu)化尤為重要。對于不同的工藝系統(tǒng)及工藝配置，為了能夠生產出優(yōu)質產品，提出對生產線設計和優(yōu)化的需求，使得軋制程序模型隨著產品質量要求的增加而得到持續(xù)的完善和提高。

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