本鋼2300熱軋軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)對(duì)輥縫的影響

供稿|唐亮，郭鵬 / TANG Liang, GUO Peng

內(nèi)容導(dǎo)讀

熱軋薄規(guī)格帶鋼產(chǎn)品效益高，市場(chǎng)需求量大，能夠?yàn)樯a(chǎn)廠家?guī)?lái)較大的收益。但是薄規(guī)格帶鋼產(chǎn)品的軋制難度較高，并且在生產(chǎn)過(guò)程中極不穩(wěn)定，為生產(chǎn)廠家?guī)?lái)較大的不便。軋制生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生帶鋼甩尾現(xiàn)象，很容易對(duì)后續(xù)帶鋼造成硌印，無(wú)法繼續(xù)生產(chǎn)。文章對(duì)薄規(guī)格帶鋼甩尾情況和帶鋼拋鋼時(shí)尾部輥縫動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，通過(guò)優(yōu)化軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)，進(jìn)而優(yōu)化帶鋼尾部板形控制，解決了甩尾問(wèn)題。

熱軋薄規(guī)格帶鋼產(chǎn)品效益較高，市場(chǎng)需求量大，有著很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，帶鋼較薄，穿帶與拋鋼經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)軋破、甩尾的問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)品軋制困難。本文從甩尾的影響因素——輥縫來(lái)闡述甩尾現(xiàn)象，分析軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)對(duì)輥縫的影響，力求通過(guò)優(yōu)化軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)來(lái)解決甩尾問(wèn)題。

本鋼2300 mm軋制線使用的是TMEIC-GE公司提供的軋制模型，其中輥縫的計(jì)算模型包含F(xiàn)SU模型(精軋?jiān)O(shè)定計(jì)算)、ROP模型(軋輥模型設(shè)定計(jì)算)，其中ROP模型用于計(jì)算軋輥的磨損與熱膨脹。

帶鋼與軋輥之間的傳熱

傳熱模型

帶鋼是在旋轉(zhuǎn)的軋輥間軋制成形的。在軋制過(guò)程中，帶鋼與軋輥接觸會(huì)出現(xiàn)較大的熱量傳遞。從帶鋼穿帶開(kāi)始到結(jié)束，軋輥因受熱逐漸膨脹，使得兩軋輥間的實(shí)際輥縫逐漸減小，導(dǎo)致帶鋼厚度逐漸變小，造成帶鋼通板厚度不均。在熱軋控制中，可以通過(guò)帶鋼與軋輥之間的傳熱計(jì)算來(lái)調(diào)整輥縫，對(duì)實(shí)際輥縫值進(jìn)行控制。

軋制過(guò)程中，帶鋼溫度雖然比軋輥溫度高出很多，但是接觸時(shí)間又較短，熱量的傳遞只局限于兩者接觸的區(qū)域，因此計(jì)算帶鋼與軋輥間熱量傳遞的二級(jí)模型只針對(duì)接觸位置進(jìn)行計(jì)算。二級(jí)模型綜合考慮了軋輥溫度、帶鋼溫度、軋輥速度、帶鋼寬度、接觸弧長(zhǎng)度以及帶鋼、軋輥的導(dǎo)熱率和輻射率等參數(shù)來(lái)模擬熱量傳遞。采用數(shù)值計(jì)算的方法建立模型并將帶鋼與軋輥離散成有限的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間熱量的傳遞。圖1為帶鋼與軋輥傳熱模型的網(wǎng)格劃分和計(jì)算節(jié)點(diǎn)示意圖。

圖1 帶鋼與軋輥傳熱模型的網(wǎng)格劃分和計(jì)算節(jié)點(diǎn)示意圖

傳熱數(shù)值計(jì)算

如圖1所示，根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的距離和軋輥與帶鋼之間的溫度差進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算，并結(jié)合帶鋼與軋輥接觸時(shí)間計(jì)算出軋制過(guò)程中帶鋼傳遞給軋輥的熱量。

根據(jù)軋輥邊界導(dǎo)熱方程[1]，演變方程如下：

式中，Q為所傳遞的熱量，即進(jìn)入到節(jié)點(diǎn)區(qū)域的熱量增量；A為節(jié)點(diǎn)區(qū)域接觸弧長(zhǎng)；dT/dx為節(jié)點(diǎn)之間的溫度梯度，即在節(jié)點(diǎn)區(qū)域任意時(shí)刻溫度的變化率：

其中，m為節(jié)點(diǎn)區(qū)域材料質(zhì)量，c為材料的比熱容。

在一個(gè)極小的時(shí)間間隔循環(huán)dt內(nèi)，溫度變化ΔT表示如下：

在程序內(nèi)利用有限差分算法計(jì)算溫度，具體步驟：(1)初始化每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度；(2)計(jì)算溫度梯度、兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)區(qū)域溫度變化率及邊界處溫度變化率；(3)計(jì)算在時(shí)間間隔dt內(nèi)引起節(jié)點(diǎn)區(qū)域溫度變化的熱量；(4)時(shí)間間隔內(nèi)重新計(jì)算溫度；(5)重復(fù)步驟(2)～步驟(4)，直到計(jì)算收斂。

節(jié)點(diǎn)溫度T的計(jì)算：在時(shí)間ti+1時(shí)，節(jié)點(diǎn)溫度Ti+1可以直接根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)在時(shí)間ti的溫度計(jì)算，節(jié)點(diǎn)j的溫度、附近節(jié)點(diǎn)k的溫度，可按照公式(4)進(jìn)行計(jì)算：

熱膨脹傳遞系數(shù)在ROP模型內(nèi)的應(yīng)用

在ROP模型內(nèi)存儲(chǔ)帶鋼與軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)，即Stripheatmult。參數(shù)計(jì)算公式：

式中，Q2為用熱膨脹傳遞系數(shù)計(jì)算后的熱量，Q1為帶鋼傳遞給軋輥的熱量，Stripheatmult為帶鋼與軋輥之間的熱膨脹傳遞系數(shù)。

熱傳遞系數(shù)對(duì)輥縫的影響

從咬鋼開(kāi)始到帶鋼拋鋼，軋制過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生兩種物理現(xiàn)象：軋輥磨損和軋輥熱膨脹。軋輥磨損導(dǎo)致輥縫增大，軋輥熱膨脹導(dǎo)致輥縫減小。為了糾正這些因素對(duì)輥縫的影響，由一級(jí)控制根據(jù)軋輥磨損、熱膨脹變化情況自動(dòng)控制輥縫大小。其中，根據(jù)二級(jí)模型的熱膨脹傳遞系數(shù)Stripheatmult計(jì)算得到的熱膨脹補(bǔ)償值發(fā)給一級(jí)控制，一級(jí)控制進(jìn)行輥縫調(diào)整。為避免熱膨脹導(dǎo)致的輥縫減小，一級(jí)控制隨時(shí)間變化不斷增加輥縫，由此確保軋制過(guò)程中帶鋼頭部到尾部厚度均勻。

圖2是與輥縫動(dòng)作有關(guān)的因素分析。第一個(gè)因素是一級(jí)控制F1—F4輥縫壓尾因素：薄規(guī)格帶鋼軋制時(shí)，帶鋼尾部溫度比頭部溫度低，因而帶鋼尾部變形抗力增大[2]，導(dǎo)致盡管帶鋼頭尾輥縫設(shè)置值相同但是軋制完成的帶鋼尾部厚度偏大。為了糾正這一物理現(xiàn)象，采取帶鋼尾部在F1—F4機(jī)架拋鋼時(shí)，減小F1—F4輥縫，進(jìn)行壓尾動(dòng)作，從而減小帶鋼尾部厚度。壓尾控制的缺點(diǎn)：會(huì)加劇帶鋼尾部甩尾問(wèn)題。第二個(gè)因素是軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)對(duì)輥縫的控制。此參數(shù)控制功能是用來(lái)抵消因軋輥熱膨脹導(dǎo)致兩工作輥間輥縫減小而造成的帶鋼尾部厚度變薄。此糾正功能可使輥縫隨著軋輥熱膨脹的增加逐漸增大輥縫。

圖2 與輥縫動(dòng)作有關(guān)的動(dòng)作因素分析

如果軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)Stripheatmult參數(shù)偏小，軋輥輥縫打開(kāi)不夠，再加上拋鋼時(shí)一級(jí)控制輥縫的壓尾控制進(jìn)一步減小輥縫的最小值，那么將加劇帶鋼尾部板形劣化，在尾部經(jīng)過(guò)后續(xù)機(jī)架時(shí)，形成嚴(yán)重的甩尾、甚至軋斷。

熱膨脹傳遞系數(shù)的優(yōu)化

以F2機(jī)架輥縫為例，軋制1.5 mm×1500 mm帶鋼時(shí)，尾部拋鋼時(shí)輥縫進(jìn)行壓尾動(dòng)作，輥縫變小(圖3)，F(xiàn)2尾部出現(xiàn)大量雙邊浪形，在經(jīng)過(guò)后續(xù)機(jī)架時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重甩尾，軋輥產(chǎn)生硌印，無(wú)法繼續(xù)軋制。

圖3 F2輥縫持續(xù)變小

熱膨脹傳遞系數(shù)增大后的輥縫變化

(1) 調(diào)整Stripheatmult參數(shù)計(jì)算值從1.1增大到1.5，輥縫增大到0.113 mm，隨著Stripheatmult系數(shù)的增大，F(xiàn)2輥縫曲線從咬鋼開(kāi)始到拋鋼，輥縫逐漸增大，并且尾部輥縫下壓最低點(diǎn)和尾部板形浪形現(xiàn)象逐漸減弱。

(2) 從圖4可以看出，Stripheatmult參數(shù)計(jì)算值從1.5調(diào)整為1.8，輥縫增大到0.13 mm，輥縫值明顯增大，輥縫下壓的最小值也減小，實(shí)際帶鋼尾部板形平直穩(wěn)定，甩尾現(xiàn)象消失。帶鋼尾部在F2拋鋼時(shí)，板形正常，不再出現(xiàn)尾部異常的板形。

圖4 帶鋼拋鋼時(shí)F2輥縫增大

優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)調(diào)試過(guò)程對(duì)軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)與對(duì)應(yīng)帶鋼尾部拋鋼形狀統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。調(diào)整軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)，輥縫逐漸增大，拋鋼時(shí)尾部帶鋼板形逐漸好轉(zhuǎn)，甩尾現(xiàn)象消失，解決了甩尾問(wèn)題。

表1 軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)與對(duì)應(yīng)帶鋼尾部拋鋼形狀統(tǒng)計(jì)對(duì)比

減少薄規(guī)格熱軋帶鋼甩尾的措施

二級(jí)模型內(nèi)，增大Stripheatmult熱膨脹傳遞系數(shù)可提高薄規(guī)格帶鋼拋鋼時(shí)輥縫打開(kāi)量，增大輥縫壓尾后的輥縫值，避免因?yàn)閴何矂?dòng)作造成尾部浪形。二級(jí)模型參數(shù)Stripheatmult的計(jì)算，可根據(jù)實(shí)際軋制情況進(jìn)行優(yōu)化，保證薄規(guī)格帶鋼軋制穩(wěn)定。

一級(jí)程序內(nèi)，可以通過(guò)增加在帶鋼尾部在機(jī)架內(nèi)拋鋼時(shí)的輥縫來(lái)避免甩尾問(wèn)題，但是輥縫參數(shù)修正過(guò)大會(huì)引起薄規(guī)格帶鋼尾部軋厚問(wèn)題，從而影響產(chǎn)品尾部質(zhì)量，因此不建議對(duì)輥縫參數(shù)進(jìn)行過(guò)多修正。

結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中，軋輥溫度、工作輥冷卻水能力系數(shù)、軋輥磨損系數(shù)、軋輥熱膨脹傳遞系數(shù)均為影響薄規(guī)格帶鋼產(chǎn)品生產(chǎn)的參數(shù)，均會(huì)影響到輥縫狀態(tài)，影響到產(chǎn)品軋制穩(wěn)定性。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際軋制情況進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。