供稿|張冰，張霞 /

針對(duì)幾種軋制模式，如中板軋機(jī)的立輥及水平軋制過(guò)程、具有較大減寬能力的粗軋機(jī)中的側(cè)壓/水平軋制道次、常規(guī)熱軋機(jī)中薄帶鋼的軋制、連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)粗軋機(jī)組的軋制工藝過(guò)程以及連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)奧氏體—鐵素體混合軋制過(guò)程等，討論了軋制程序的優(yōu)化過(guò)程。軋制程序優(yōu)化是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。一個(gè)優(yōu)化的軋制程序是通過(guò)針對(duì)表1所示的數(shù)據(jù)組分析之后，確定軋制策略，如軋機(jī)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(gè)因素(見(jiàn)表1)，單個(gè)因素相互作用，彼此影響。因此，需要經(jīng)驗(yàn)和訣竅去權(quán)衡目標(biāo)值，以確保各個(gè)組成部分之間相互作用順暢。

這些單個(gè)因素主要包括：軋機(jī)數(shù)據(jù)包括工廠布置形式、加熱爐及保溫設(shè)備、除鱗系統(tǒng)、冷卻設(shè)備、軋機(jī)傳動(dòng)數(shù)據(jù)(軋輥直徑、軸承距離、軋輥材質(zhì)及冷卻、最大軋制力/軋制力矩、輥縫潤(rùn)滑等)；產(chǎn)品數(shù)據(jù)包括材料及化學(xué)成分、變形參數(shù)(溫度、應(yīng)變等)、微觀組織結(jié)構(gòu)、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(jī)架間張力等)。

中板軋機(jī)

中板軋機(jī)的熱-機(jī)軋制過(guò)程中，最后的軋制階段會(huì)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(huì)出現(xiàn)一定程度的加工硬化，這將導(dǎo)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(chǎn)20 mm厚度的管線(xiàn)鋼X70時(shí)的熱-機(jī)軋制程序。板坯尺寸為192.30 mm×1780 mm×3.321 m，板坯質(zhì)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(shí)產(chǎn)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(shí)現(xiàn)的。圖1顯示了每個(gè)道次軋制過(guò)程中壓下量分配與溫度的關(guān)系，在板坯溫度較高時(shí)采用較大變

形量，此時(shí)對(duì)應(yīng)道次的軋制力和軋制力矩相對(duì)較低(見(jiàn)圖2)，隨著溫度的降低，材料的變形抗力逐漸增高，此時(shí)軋制力和軋制力矩也隨之提高，因此采用了相對(duì)較低的壓下量。圖2顯示了對(duì)應(yīng)圖1的每個(gè)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(guò)程中隨著溫度的變化，軋制力和軋制力矩也相應(yīng)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(jī)軋制程序

圖1 熱機(jī)軋制過(guò)程中相對(duì)壓下量與溫度的關(guān)系

圖2 熱機(jī)軋制過(guò)程中的軋制力和軋制力矩

最終軋制階段的單個(gè)道次壓下量約為8%，此時(shí)除了軋制力有約15%的余量之外，整個(gè)軋機(jī)能力被完全利用。事實(shí)上，當(dāng)溫度降到900℃以下時(shí)，由于加工硬化不斷提高而導(dǎo)致軋制力和軋制力矩均有所增高。在這個(gè)例子中，對(duì)最終階段軋制道次壓下、軋制力及軋制力矩的設(shè)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(jī)中的側(cè)壓/水平軋制道次

在使用非孔型或帶孔型軋輥的大立輥機(jī)架中，板坯的側(cè)壓軋制是不均勻變形，可能導(dǎo)致帶鋼厚度方向上的“狗骨”(立輥側(cè)壓后由于金屬沿寬度方向上變形滲透不夠，導(dǎo)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(shí)帶鋼長(zhǎng)度方向上的“魚(yú)尾”(邊部增厚在水平道次軋制中金屬向最小阻力方向流動(dòng)產(chǎn)生的縱向變形的不均的情況)的形成，見(jiàn)圖3。

圖3 立輥軋制中“狗骨”和水平軋制中“魚(yú)尾”的產(chǎn)生

在對(duì)立輥軋制道次的設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)架及它們的傳動(dòng)裝置上的載荷等因素。此外，還必須要了解側(cè)壓道次中，材料在厚度和長(zhǎng)度方向上的流動(dòng)特性，從而能夠設(shè)定合理的立輥和水平輥軋制的速度，以便按照機(jī)架間設(shè)定好的張力來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的軋制過(guò)程。表3給出的實(shí)例是220 mm，實(shí)現(xiàn)71 mm有效寬度方向側(cè)壓的軋制過(guò)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(shè)定或計(jì)算粗軋機(jī)整個(gè)軋制中寬度和厚度壓下量的分配時(shí)，必須確保水平道次之后的“狗骨”的擴(kuò)展、以及總的溫度降為最小。同時(shí)，必須使“狗骨”和“魚(yú)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(chǎn)量。在準(zhǔn)備軋制程序時(shí)，優(yōu)化過(guò)程就已經(jīng)開(kāi)始。特別是在某些特殊的軋制程序設(shè)置中，如具有較大寬度壓下且無(wú)水平壓下的兩個(gè)連續(xù)側(cè)壓道次中，需要通過(guò)有限元模擬的方式來(lái)估算“狗骨”的形成，以及立輥孔槽的填充程度。

表3 立輥側(cè)壓—軋制程序

常規(guī)熱連軋機(jī)組精軋機(jī)組薄帶鋼生產(chǎn)

表4是常規(guī)熱軋機(jī)中軋制薄帶鋼的一個(gè)典型的軋制程序，圖4給出了熱軋軋制過(guò)程中相對(duì)壓下量和厚度的關(guān)系。在常規(guī)熱連軋機(jī)組中，薄規(guī)格軋制的重點(diǎn)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(gè)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(rùn)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(cè)量值與計(jì)算值的一致性，從而保障軋制過(guò)程。

在一個(gè)軋程結(jié)束后，需要對(duì)更換下的軋輥的表面進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)得的溫度被模型利用來(lái)進(jìn)行自適應(yīng)修正。從表4可以看出，通常的壓下分配重點(diǎn)在于上游機(jī)架(高負(fù)荷、大壓下)，因而F1和F2機(jī)架的載荷最高。

軋制開(kāi)始之后軋輥溫度升高，停機(jī)或換輥期間軋輥冷卻，開(kāi)軋之后溫度重新升高，各種現(xiàn)象交互作用。整個(gè)軋制過(guò)程中輥身長(zhǎng)度方向上的溫度不斷變化，這個(gè)變化對(duì)軋制力、軋制速度、冷卻水量的投入等都會(huì)產(chǎn)生影響。根據(jù)軋制的寬度范圍以及軋輥和機(jī)架間冷卻的應(yīng)用，在輥身長(zhǎng)度方向上的溫度會(huì)形成一個(gè)溫度模型，該模型可以利用軋程結(jié)束后更換下的軋輥測(cè)得的溫度進(jìn)行修正。此外，軋輥隨著溫度的變化導(dǎo)致輥形變化、不同材質(zhì)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(diǎn)考慮的因素。

表4 熱軋機(jī)組薄規(guī)格軋制程序

圖4 熱軋軋制過(guò)程中相對(duì)壓下量與厚度的關(guān)系

對(duì)于不連續(xù)的工藝過(guò)程，常規(guī)熱連軋機(jī)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(guò)度升高。這些措施包括軋輥冷卻水、機(jī)架間冷卻、軋制道次分配以及輥縫潤(rùn)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(yīng)力和拉應(yīng)力，這些參數(shù)的變化對(duì)軋制程序優(yōu)化的影響程度應(yīng)從設(shè)備、軋輥材質(zhì)以及軋機(jī)的操作等方面加以考慮和調(diào)整。

連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)粗軋機(jī)組的軋制工藝過(guò)程

由于連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)直接與鑄機(jī)相連，因此粗軋機(jī)組的軋制是以一個(gè)較低的速度實(shí)現(xiàn)的。這就意味著，不管是否設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生劇烈的降溫。因此有必要在工藝設(shè)備布置上考慮增加帶鋼的保溫功能，如增設(shè)感應(yīng)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(shè)計(jì)中用經(jīng)驗(yàn)值加以修正。圖5顯示的是一個(gè)側(cè)壓和三個(gè)水平道次并帶有中間除麟裝置的軋制程序的溫度計(jì)算。

圖5 薄板坯連鑄連軋粗軋工藝過(guò)程中溫度計(jì)算

由于軋制過(guò)程是與鑄機(jī)直接相連的，軋制是以一個(gè)相對(duì)較低的速度執(zhí)行的。側(cè)壓軋制及除鱗道次給帶鋼邊部帶來(lái)了遠(yuǎn)高于中部、以及上下兩個(gè)表面的降溫。這個(gè)降溫可以通過(guò)設(shè)置于下游的加熱裝置來(lái)補(bǔ)償。由軋制程序模擬獲得的計(jì)算結(jié)果作為感應(yīng)加熱系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)奧氏體-鐵素體混合軋制過(guò)程

軋制程序模擬中最重要的任務(wù)之一是能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)，它能夠?qū)崿F(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(lái)自于連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)的低碳鋼奧氏體-鐵素體混合軋制程序。來(lái)料板坯厚度70 mm，采用半無(wú)頭軋制方式，生產(chǎn)厚度1.2 mm，寬度1560 mm的帶鋼，軋機(jī)出口速度達(dá)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(jī)架R2和F1之間設(shè)置有中間冷卻系統(tǒng)。

圖6是溫度曲線(xiàn)。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(diǎn)以下的溫度，這個(gè)相變區(qū)內(nèi)，帶鋼具有最小的屈服應(yīng)力。精軋機(jī)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(nèi)總壓下量應(yīng)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(duì)于超低碳鋼而言，有可能采用更低的終軋溫度，生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)考慮了半無(wú)頭軋制和類(lèi)似常規(guī)熱軋機(jī)組的單坯軋制，可實(shí)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(shè)計(jì)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(jī)出口速度約12.5 m/s，而在半無(wú)頭軋制中，最小軋制厚度達(dá)到了0.7 mm，最大速度高達(dá)20 m/s。

結(jié)束語(yǔ)

文中實(shí)例均為熱軋機(jī)組的軋制過(guò)程。對(duì)于不同生產(chǎn)線(xiàn)的熱軋軋制過(guò)程，軋制程序的設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的設(shè)備和工藝參數(shù)的配置等。一個(gè)優(yōu)化的軋制程序是通過(guò)對(duì)一系列數(shù)據(jù)組，如軋機(jī)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析后，確定并應(yīng)用軋制策略的，這些數(shù)據(jù)組主要包括工藝設(shè)備布置、產(chǎn)品范圍、材料及化學(xué)成分、軋機(jī)及傳動(dòng)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(shí)，也要把握數(shù)據(jù)組中各個(gè)因素之間的相互作用。因此，需要經(jīng)驗(yàn)和訣竅去權(quán)衡目標(biāo)值，以確保各個(gè)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(xiàn)

當(dāng)軋制程序模型在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化和改進(jìn)，并印證其有效并可靠時(shí)，才能夠集成到設(shè)計(jì)模型當(dāng)中。從上述幾個(gè)實(shí)例可知，對(duì)于熱軋軋制過(guò)程，溫度的控制、溫度模型優(yōu)化尤為重要。對(duì)于不同的工藝系統(tǒng)及工藝配置，為了能夠生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，提出對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的需求，使得軋制程序模型隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求的增加而得到持續(xù)的完善和提高。

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