李雷生

（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京100029）

1 前言

熱軋不銹鋼指耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼，經(jīng)熱軋?jiān)O(shè)備機(jī)組軋制成卷的不銹鋼卷，又稱熱軋不銹耐酸鋼卷。實(shí)際應(yīng)用中，常將耐弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而將耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。由于兩者在化學(xué)成分上的差異，前者不一定耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕，而后者則一般均具有不銹性。不銹鋼的耐蝕性取決于鋼中所含的合金元素。鑒于不銹鋼不同于普碳鋼的軋制機(jī)理，其熱軋不銹鋼卷的平整工藝也有別于常規(guī)熱軋平整機(jī)組。

結(jié)合國(guó)內(nèi)不銹鋼生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況和工藝特點(diǎn)，對(duì)熱軋不銹鋼平整工藝分析研究、歸納總結(jié)，找到一條適合熱軋200／300／400系列不銹鋼平整操作的工藝路徑。為機(jī)組的產(chǎn)品質(zhì)量提升和工藝操作的模塊建立提供理論研究的依據(jù)和支撐。本文主要在設(shè)備組成與軋制工藝的理論結(jié)合方面做淺顯的研究分析。

2 問(wèn)題提出

熱軋鋼卷均帶有氧化鐵皮，如何在平整／重卷過(guò)程中避免氧化鐵皮的干擾成為機(jī)組的一個(gè)難題。平整機(jī)工作輥／支撐輥通常會(huì)裝有擦輥器，有很多不銹鋼平整機(jī)組的擦輥器在使用后大多取消，可見(jiàn)不銹鋼平整機(jī)組的工藝是區(qū)別于普碳鋼和優(yōu)特鋼等平整機(jī)組的工藝。如何建立短平快且高效達(dá)產(chǎn)的熱軋不銹鋼平整機(jī)組是一個(gè)需要深入探討和研究的課題。平整機(jī)組立體直觀圖見(jiàn)圖1。

圖1 平整機(jī)組立體直觀圖

2.1 平整機(jī)概述

平整機(jī)組的基本功能是提高板材表面質(zhì)量、改善板形及其機(jī)械性能，并可作為鋼卷分切線使用。通常分為三段：入口段、平整段、出口段，鑒于設(shè)備繁多，本文不做贅述。根據(jù)主線“開(kāi)卷-平整／重卷-卷取”運(yùn)行所實(shí)現(xiàn)的核心功能，其主要設(shè)備組成有：壓緊輥深彎輥、開(kāi)卷機(jī)、夾送直頭機(jī)、平整機(jī)、液壓切分剪、夾送張力裝置和卷取機(jī)等，如圖2所示。其中開(kāi)卷機(jī)和卷取機(jī)在重卷模式下通過(guò)張力和速度合理匹配控制實(shí)現(xiàn)鋼卷的重卷和分卷，開(kāi)卷機(jī)、平整機(jī)、卷取機(jī)在保持上述功能的同時(shí)，利用平整機(jī)的軋制力及彎輥力和速度控制，實(shí)現(xiàn)不銹鋼卷的板型改善和延伸率（3%左右）。

圖2 機(jī)組主剖設(shè)備組成

生產(chǎn)過(guò)程可大致分為：重卷、平整、換輥三種操作模式，在具體的作業(yè)線運(yùn)行模式中又可分為常規(guī)運(yùn)行：包括加減速、恒速及穿帶過(guò)程；點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行：包括單動(dòng)、成組傳動(dòng)及維護(hù)運(yùn)行，其中維護(hù)運(yùn)行的速度大致為5m／min；停車：緊急停車、快停及常規(guī)減速停車。

2.2 速度控制

（1）普碳鋼常規(guī)機(jī)組速度設(shè)定

機(jī)組穿帶／甩尾速度：max.30m／min

機(jī)組生產(chǎn)速度：

普碳鋼： max.600m／min

機(jī)組速度范圍：

帶鋼厚度1.2mm～3.0mm，max.600m／min

帶鋼厚度3.0mm～4.5mm，max.450m／min

帶鋼厚度4.5mm～6.35mm，max.300m／min

帶鋼厚度6.35mm～8.6mm，max.200m／min

機(jī)組加速度：50m／min／s

機(jī)組減速度：50m／min／s

機(jī)組快速停車減速度：90m／min／s

機(jī)組緊急停車減速度：160m／min／s

（2）優(yōu)特鋼常規(guī)機(jī)組速度設(shè)定

機(jī)組穿帶／甩尾速度：max.25m／min

機(jī)組生產(chǎn)速度：

優(yōu)特鋼：max.400m／min

機(jī)組速度范圍：

帶鋼厚度1.2mm～3.0mm，max.400m／min

帶鋼厚度3.0mm～4.5mm，max.300m／min

帶鋼厚度4.5mm～6.35mm，max.200m／min

帶鋼厚度6.35mm～8.6mm，max.150m／min

機(jī)組加速度：40m／min／s

機(jī)組減速度：40m／min／s

機(jī)組快速停車減速度：75m／min／s

機(jī)組緊急停車減速度：150m／min／s

（3）不銹鋼常規(guī)機(jī)組速度設(shè)定

機(jī)組穿帶／甩尾速度：max.20m／min

機(jī)組生產(chǎn)速度：

不銹鋼：max.200m／min

機(jī)組速度范圍：

帶鋼厚度1.2mm～3.0mm，max.200m／min

帶鋼厚度3.0mm～4.5mm，max.150m／min

帶鋼厚度4.5mm～6.35mm，max.100m／min

帶鋼厚度6.35mm～8.6mm，max.70m／min

機(jī)組加速度：20m／min／s

機(jī)組減速度：20m／min／s

機(jī)組快速停車減速度：35m／min／s

機(jī)組緊急停車減速度：80m／min／s

通過(guò)不同鋼種的速度設(shè)定，可看出不銹鋼的機(jī)組速度是最慢的，材料性能決定其軋制機(jī)理和平整速度。除此之外，前后張力及軋制力的合理投入對(duì)不銹鋼鋼卷板型的影響也是主要考慮的工藝因素。

2.3 材料分析

不銹鋼主要是在鐵（Fe）中加入鉻（Cr）、鎳（Ni）合金而成的鋼鐵材料。該材料是在空氣中或化學(xué)腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，具有美觀的表面和耐腐蝕性能（Cr≧12%），不必經(jīng)過(guò)鍍色等表面處理，而發(fā)揮不銹鋼所固有的表面性能。在Cr含量一定的情況下，Ni是強(qiáng)烈形成并穩(wěn)定奧氏體且擴(kuò)大Y相的元素，Y相區(qū)隨Ni含量的增大而擴(kuò)大，形成奧氏體不銹鋼。同時(shí)也隨Ni的含量增大而粘性增大，增加了奧氏體系列不銹鋼深加工的難度系數(shù)。不銹鋼按化學(xué)成分分類見(jiàn)圖3。

圖3 不銹鋼化學(xué)成分分類

在軋制、剪切過(guò)程中容易出現(xiàn)粘輥和粘剪刃的現(xiàn)象，平整機(jī)的工作輥和支撐輥的輥面尤為凸顯。輥面氧化鐵皮及其粘輔物過(guò)多造成鋼卷板面質(zhì)量凹凸不平，光澤度及板型質(zhì)量下降，剪刃粘附雜質(zhì)對(duì)剪刃壽命和切口光滑的程度有很大影響，如何克服這些現(xiàn)象背后存在的問(wèn)題，成為機(jī)組工藝研究的必要選擇。

3 研究路徑

3.1 控制模式

機(jī)組分為平整和重卷兩個(gè)模式，平整工藝采用“開(kāi)卷＋直頭＋平整＋增張＋卷取”的小張力開(kāi)卷、大張力卷取工藝配置。開(kāi)卷機(jī)采用張力控制、夾送直頭機(jī)采用正反控制、平整機(jī)速度控制（本身具有軋制力及彎輥力等功能）、液壓切分揀板尾夾送輥采用正反控制、張力裝置采用正反控制、卷取機(jī)采用速度控制（在平整模式下可與開(kāi)卷機(jī)張力控制互換）。詳細(xì)見(jiàn)平整機(jī)組主線馬達(dá)控制模式，如圖4所示。

圖４ 平整機(jī)組主線馬達(dá)控制模式圖

目的是通過(guò)合理的工藝電控，使機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、產(chǎn)品質(zhì)量有所提升，避免不銹鋼卷卷層間的挫傷幾率、能更好的改善帶鋼平直度，消除屈服平臺(tái)，提高鋼卷上屈服極限和整個(gè)卷形質(zhì)量。

3.2 工藝流程

平整機(jī)組簡(jiǎn)要流程：上料準(zhǔn)備→上卷→穿帶（速度≤30m／s）→張力建立→平整／分卷→甩尾→卸卷稱重→打捆噴印及運(yùn)輸，關(guān)鍵工藝流程如圖5所示。

圖5 平整機(jī)組關(guān)鍵工藝流程圖

主要操作流程：鋼卷庫(kù)信息入庫(kù)、天車上料、入口鋼卷旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向（根據(jù)需要）、入口步進(jìn)梁運(yùn)輸機(jī)送料、鋼卷準(zhǔn)備站切頭準(zhǔn)備、入口鋼卷小車對(duì)正上卷、開(kāi)卷機(jī)開(kāi)卷、壓緊輥和深彎輥輔助開(kāi)卷、夾送直頭機(jī)直頭直尾、入出口側(cè)導(dǎo)輥對(duì)中、平整機(jī)軋制力板型控制、人工檢查臺(tái)板材表面質(zhì)量視覺(jué)查看、液壓切分剪進(jìn)行試樣及廢料收集、夾送張力裝置重卷模式張力補(bǔ)償及協(xié)助收卷、卷取機(jī)和鋼卷壓緊輥結(jié)合收卷、出口鋼卷小車卸卷送卷、出口步進(jìn)梁運(yùn)輸鋼卷并在此過(guò)程中完成稱重、打捆及噴印等工藝操作流程。詳細(xì)操作聯(lián)鎖邏輯流程，如圖6所示。

圖6 平整機(jī)組操作聯(lián)鎖邏輯流程圖

3.3 操作重點(diǎn)

機(jī)組生產(chǎn)不同鋼種時(shí)尤其要特別關(guān)注不銹鋼卷，由于其材料特殊性，要在上料之前進(jìn)行嚴(yán)格的篩選和判斷，不符合上料條件的電控通訊與L2及時(shí)聯(lián)系，撤卷重新排產(chǎn)，天車負(fù)責(zé)吊離入口鋼卷旋轉(zhuǎn)臺(tái)。避免在生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)特殊故障情況。簡(jiǎn)要分兩段做介紹：

（1）入口地輥站切頭準(zhǔn)備

按生產(chǎn)計(jì)劃，用吊車把臥式存放的鋼卷從鋼卷庫(kù)吊放到平整分卷機(jī)組旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，由旋轉(zhuǎn)臺(tái)完成鋼卷180°回轉(zhuǎn)（根據(jù)鋼卷帶頭是否符合上開(kāi)卷?xiàng)l件），鋼卷旋轉(zhuǎn)臺(tái)和入口步進(jìn)梁運(yùn)輸機(jī)存在動(dòng)作先后及位置聯(lián)鎖關(guān)系，滿足聯(lián)鎖條件后，由入口步進(jìn)梁運(yùn)輸機(jī)將鋼卷從旋轉(zhuǎn)臺(tái)上取走并運(yùn)往鋼卷準(zhǔn)備站，見(jiàn)圖7所示。

圖7 鋼卷切頭準(zhǔn)備地輥站

人工對(duì)來(lái)料檢查核對(duì)：

1）來(lái)料鋼卷是否與生產(chǎn)計(jì)劃符合；

2）來(lái)料鋼卷溫度是否低于60°C；

3）來(lái)料鋼卷是否按要求放置在回轉(zhuǎn)臺(tái)鞍座或步進(jìn)梁運(yùn)輸機(jī)鞍座中心位置的±200mm（根據(jù)不同技術(shù)要求設(shè)定）范圍內(nèi)及確認(rèn)帶鋼頭部的方向；

4）來(lái)料鋼卷內(nèi)圈是否卷繞緊密，無(wú)明顯的松卷及塌卷現(xiàn)象；

5）來(lái)料鋼卷不得有嚴(yán)重的浪形或翹曲，其塔形在35mm內(nèi)。

當(dāng)以上各項(xiàng)中有任何一項(xiàng)不滿足要求時(shí)，該鋼卷不能進(jìn)入機(jī)組進(jìn)行生產(chǎn)，須調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃、重新吊放或吊走不合格鋼卷。

滿足初步條件后，入口步進(jìn)梁運(yùn)輸機(jī)把鋼卷送到地輥站打開(kāi)進(jìn)行切頭準(zhǔn)備，相應(yīng)的做二次復(fù)檢。帶鋼頭部打開(kāi)后可以檢查的更直觀，如果遇到頭部裂變嚴(yán)重或者長(zhǎng)度過(guò)大的，也要做相應(yīng)的計(jì)劃調(diào)整。

（2）平整機(jī)的操控

四輥平整機(jī)主要用于改善帶鋼板形、機(jī)械性能及表面質(zhì)量，使熱軋帶鋼的屈服強(qiáng)度降低，深沖性能提高，即可消除帶鋼深加工時(shí)的呂德斯帶。整個(gè)機(jī)組的核心控制是平整機(jī)的操控。目前國(guó)內(nèi)平整機(jī)主要有兩種結(jié)構(gòu)性形式，一種是斜楔調(diào)整在下面，AGC缸在上面的結(jié)構(gòu)形式；另一種恰好相反。還有就是傳動(dòng)形式分類，單工作輥傳動(dòng)與雙工作輥傳動(dòng)及支撐輥傳動(dòng)等。本文主要研究平整機(jī)與不銹鋼之間軋制的合理工藝結(jié)合點(diǎn)。

推上方式的平整機(jī)主要由牌坊、地腳板、收集槽、工作輥彎輥裝置、AGC壓上裝置、軋線斜楔調(diào)整裝置、支撐輥換輥裝置、工作輥換輥裝置、防皺輥、軋輥傳動(dòng)及傳動(dòng)連接軸、機(jī)上配管等部件組成。在平整模式下，卷取機(jī)卷取鋼卷帶頭開(kāi)始建立張力、升速，平整機(jī)有穿帶位置控制切換為恒壓力控制，見(jiàn)圖8所示。

圖8 平整機(jī)軋制力控制

恒壓力控制可消除軋輥偏心的影響，提高產(chǎn)品的平直度，并且對(duì)帶鋼的表面光潔度和帶鋼的機(jī)械性能也有一定的改善。恒壓力控制為閉環(huán)控制，壓力反饋來(lái)自液壓壓上系統(tǒng)的壓力傳感器。通過(guò)閉環(huán)控制，對(duì)液壓缸內(nèi)的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到控制的目的。在平整過(guò)程中根據(jù)板形狀況需要加載彎輥力和傾斜軋制力，目的確保平整板形效果良好。

工作輥和支撐輥之間安有彎輥缸，正、負(fù)彎輥缸將采用比例閥控制其彎輥力的大小，每個(gè)比例閥都帶有一個(gè)壓力傳感器，以形成正、負(fù)彎輥力的閉環(huán)控制。彎輥力控制可改善平整帶鋼板型以及補(bǔ)償由于軋制力變化而引起的有載輥縫變化。在平整過(guò)程中，操作人員可手動(dòng)改變彎輥力的大小，見(jiàn)圖9所示。

圖9 平整機(jī)正負(fù)彎輥狀態(tài)

改變不銹鋼帶鋼的延伸率，可采用控制張力及控制軋制力兩種基本方式。張力控制方式調(diào)節(jié)延伸率，適用于一定厚度以下的薄帶鋼，帶鋼越薄，張力調(diào)節(jié)延伸率的控制效果越好；軋制力控制方式控制延伸率則適用于處理較厚的帶鋼。

延伸率控制采用閉環(huán)控制，把測(cè)量的實(shí)際延伸率與設(shè)定的延伸率進(jìn)行比較，利用比較后的差值信號(hào)去調(diào)節(jié)軋制力及張力的大小，如圖10所示。

圖10 平整機(jī)延伸率控制

在平整機(jī)操作的過(guò)程中，平整操作方式主要是恒軋制力控制，軋制力的大小根據(jù)不銹鋼帶卷的材質(zhì)（200、300、400系列）及其規(guī)格（主要是寬厚、厚度值）做相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值調(diào)整，通常在L2數(shù)據(jù)庫(kù)建立好模型，直接輸入就可以進(jìn)行成品軋制。

（3）人工檢查功能

不銹鋼的加工難度大于其他鋼種，在帶鋼成型過(guò)程中，除了頭尾在機(jī)組地輥站切頭準(zhǔn)備和甩尾過(guò)程中可見(jiàn)可剪切之外，最難要屬中間段。在平整機(jī)和液壓橫切剪之間，通過(guò)連接梁與平整機(jī)兩側(cè)的牌坊相聯(lián)，通過(guò)伸縮氣缸控制，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)導(dǎo)板的打開(kāi)和關(guān)閉，可進(jìn)行人工檢查帶鋼板面質(zhì)量的功能，分地下和地上兩個(gè)觀察位置，見(jiàn)圖11。

圖11 人工檢查臺(tái)和液壓切分剪

這個(gè)功能設(shè)計(jì)很有必要，在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)特殊情況，特別是熱軋不銹鋼的裂邊和板面質(zhì)量有缺陷的這種現(xiàn)象，進(jìn)行停機(jī)人工檢查，判斷下一步如何操作，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量把控和設(shè)備的保護(hù)都有積極的效果。

4 研究分析

熱軋不銹鋼平整工藝在各個(gè)不同設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、生產(chǎn)階段進(jìn)行初步研究，經(jīng)歷平整產(chǎn)品定位分析、機(jī)組選型；平整機(jī)功能完善；平整機(jī)組技術(shù)規(guī)程及操作規(guī)程編寫；平整機(jī)組平整模型建立等階段；從理論到實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行了平整工藝對(duì)不銹鋼帶鋼性能的影響研究及平整機(jī)輥型優(yōu)化和剪切及張力分配等多方面的研究。

除了機(jī)組工藝速度之外，軋輥輥型的研究也很重要。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)其輥型的影響系數(shù)主要有：軋輥熱膨脹對(duì)輥縫形狀的影響和軋輥的磨損對(duì)輥縫形狀的影響。平整機(jī)的延伸率較小，通過(guò)一個(gè)不同的軋制壓力模型去描述平整軋制過(guò)程。建立模型時(shí)考慮軋輥的彈性變形和軋件的彈性變形。并在計(jì)算過(guò)程中不僅考慮軋輥彈性壓扁的塑性變形區(qū)長(zhǎng)度，而且要考慮軋件出入口彈性變形區(qū)長(zhǎng)度，并計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的塑性變形區(qū)單位壓力及彈性變形區(qū)單位壓力，從而建立適合于平整機(jī)軋制的較準(zhǔn)確的軋制壓力模型。被平整帶鋼的原始凸度大小分布波動(dòng)范圍比較大，優(yōu)化過(guò)程中必須同時(shí)考慮到小凸度和大凸度、寬料與窄料、厚料與薄料等情況，建立相關(guān)輥型優(yōu)化模型。

根據(jù)輥型曲線方程：

工作輥和支撐輥輥型曲線分別如下：

圖12 工作輥輥型曲線示意

圖13 支撐輥輥型曲線示意

通過(guò)輥型優(yōu)化后的試驗(yàn)分析，影響板形的主要原因是工作輥及支撐輥的不均勻磨損，造成不均勻磨損的原因是應(yīng)力集中，為此運(yùn)用輥型曲線方程對(duì)支撐輥的兩端進(jìn)行了長(zhǎng)150mm、高0.20mm的倒角，防止軋制過(guò)程中因應(yīng)力集中造成支承輥的邊裂、邊部掉肉缺陷及工作輥的不均勻磨損。再進(jìn)一步加大工作輥負(fù)凸度，采用凸度-0.13mm輥型曲線，在使用過(guò)程中彎輥的調(diào)節(jié)范圍大大提高，軋輥磨損均勻、壽命增加、降低消耗。

熱軋不銹鋼平整機(jī)組在具備優(yōu)特鋼平整的基本功能外，還力求開(kāi)卷至卷取的軋制線短，操作工序少等方面的研究探索，這樣既降低出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷的概率，又減少操作人員數(shù)量，節(jié)約成本并提高自動(dòng)化作業(yè)率。新建項(xiàng)目和搬遷改造項(xiàng)目抓住機(jī)組核心，一樣可以升級(jí)工藝設(shè)備性能。比如某鋼廠熱軋平整項(xiàng)目搬遷，舊機(jī)組的設(shè)計(jì)最大開(kāi)卷張力是10t，最大卷取張力25t，導(dǎo)致入口和出口張力不匹配，出現(xiàn)帶鋼抖動(dòng)和卷不齊現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)開(kāi)卷機(jī)張力的增高，減少熱軋不銹鋼帶鋼翹曲和局部裂邊現(xiàn)象，從而提高熱軋不銹鋼帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著熱軋市場(chǎng)向高質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)高要求的變革，對(duì)平整機(jī)組生產(chǎn)工藝要求也越來(lái)越高，只有保證工藝時(shí)刻革新，設(shè)備功能先進(jìn)，才能保證生產(chǎn)出高規(guī)格高質(zhì)量的熱軋不銹鋼鋼卷。

平整工藝對(duì)帶鋼組織性能和使用有很大的影響，根據(jù)熱軋平整機(jī)組產(chǎn)品大綱要求，除熱軋不銹鋼之外，需重點(diǎn)考慮的鋼種還有：低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、普通碳素鋼、汽車車輪鋼、焊接氣瓶用鋼、集裝箱用鋼以及部分低合金高強(qiáng)度鋼等。需要工藝技術(shù)人員多進(jìn)行了相關(guān)生產(chǎn)跟蹤式的試驗(yàn)和研究，才能根據(jù)不同材料特性的機(jī)組總結(jié)出先進(jìn)的相匹配的工藝技術(shù)。每個(gè)不同的鋼種在平整過(guò)程中都會(huì)有略微差別的工藝細(xì)節(jié)，只有制定針對(duì)性的工藝綱領(lǐng)才能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。熱軋平整機(jī)組的生產(chǎn)工藝技術(shù)在伴隨著產(chǎn)品的性能規(guī)格提升而改進(jìn)。舍棄舊工藝，引入新工藝，才能明顯的提高機(jī)組的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量。這也會(huì)促使熱軋不銹鋼平整機(jī)組的研究及工藝探索工作將隨著不銹鋼熱軋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而持續(xù)發(fā)展。