取向硅鋼可逆軋制過程中溫度控制方法研究

徐巖松，谷春陽 ，賈志偉，張海利

（1.鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

冷軋是取向硅鋼生產(chǎn)的重要工序，其生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品質(zhì)量有著不可忽視的影響。然而，取向硅鋼特有的成分及工藝特點(diǎn)決定了其材具有脆硬特性，在冷軋過程中容易產(chǎn)生邊裂甚至斷帶事故，限制了成材率和生產(chǎn)效率的提高。如何通過調(diào)整冷軋軋制工藝參數(shù)避免或減輕邊裂和斷帶事故成為取向硅鋼冷軋工藝的主要研究方向。文獻(xiàn)[1]指出，冷軋時(shí)效軋制工藝已在取向硅鋼生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。通過將鋼卷預(yù)熱到80～100℃，前幾道次采用粗面工作輥軋制、大壓下率、軋機(jī)出口關(guān)閉乳液及快速軋制等方法提高帶鋼溫度，從而達(dá)到改善磁性及成材率的目的。但軋制溫度的提高同時(shí)會(huì)帶來軋輥磨損加劇、產(chǎn)品表面質(zhì)量和板形惡化等負(fù)面影響。因此，合理的軋制溫度應(yīng)在避開軋制脆性區(qū)，并保證良好的產(chǎn)品質(zhì)量。通過對取向硅鋼可逆軋制過程中軋件傳熱過程的分析求解，獲得冷軋軋制溫度模型，進(jìn)而為其時(shí)效軋制過程中的溫度控制、軋制工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 取向硅鋼可逆軋制過程中的傳熱模型

圖1為取向硅鋼在可逆軋制過程中的熱交換過程，導(dǎo)致帶鋼溫度變化的主要因素包括：入口帶鋼與空氣、乳液之間的熱交換，變形區(qū)內(nèi)帶鋼所吸收的變形功和摩擦熱，以及出口帶鋼與空氣、乳液之間的熱交換。據(jù)此，可以依照不同階段的換熱特點(diǎn)建立冷軋過程中帶鋼溫度模型。

圖1 取向硅鋼可逆軋制過程中的熱交換過程

1.1 帶鋼與空氣、乳液間的熱交換

帶鋼與周圍環(huán)境介質(zhì)之間傳熱的微分方程如式（1）所示：

式中，ρs為帶鋼密度，kg/m3；Cs為帶鋼比熱，J/(kg·K)；V 為帶鋼體積，m3；T 為帶鋼溫度，℃；τ為時(shí)間，s；K為帶鋼與空氣之間的熱交換系數(shù)，W/(m2·K)；A為環(huán)境介質(zhì)與帶鋼接觸面積，m2；T為軋件溫度，℃；T∞為空氣溫度，℃；

假設(shè)在冷軋過程中，溫度在帶鋼寬度、厚度及長度方向上均勻分布，且環(huán)境溫度保持不變，則溫度是關(guān)于時(shí)間τ的函數(shù)。根據(jù)集總參數(shù)法[2]將式（1）對時(shí)間τ進(jìn)行積分整理，得出帶鋼溫度的方程為式（2）：

式中，T∞為空氣溫度，℃；T0為帶鋼入口溫度，℃；KS-A為帶鋼與空氣之間的熱交換系數(shù)，W/（m2·K）；l為特征長度，m；h為帶鋼厚度，m；v為軋制速度，m/min。

考慮到帶鋼與乳液之間熱交換所導(dǎo)致的乳液溫度變化，對乳液溫度進(jìn)行如下修正：

式中，z為乳液溫度修正系數(shù)；ΔTs為帶鋼溫降，℃；TL為乳液溫度，℃；ΔTL為乳液溫升，℃；ρL為乳液密度，kg/m3；CL為乳液比熱，J/（kg·K）；W 為帶鋼寬度，mm；Flow 為乳液流量，L/min。

將式（3）代入式（1），并對時(shí)間 τ進(jìn)行積分處理，得到式（4）：

式中，KS-L為帶鋼與乳液之間的熱交換系數(shù)，W/（m2·K）。

1.2 變形區(qū)內(nèi)的變形熱及摩擦熱

軋件在變形階段吸收的變形熱（Wp）和摩擦熱（Wf）是軋件溫度升高的主要原因，其表達(dá)式為[3]：

式中，h2為帶鋼出口厚度，mm；R為軋輥半徑，mm；K（h）為軋件變形抗力，MPa；φ表示板厚為咬入角，rad；μ為摩擦系數(shù)；vr為軋輥與軋件的相對速度的絕對值，m/min；v2為軋件出口速度，m/min；p（φ）為軋制壓力的法向分量，N/mm。

1.3 模型精度檢驗(yàn)

表1為鞍鋼某牌號(hào)取向硅鋼冷軋工序軋制溫度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比，現(xiàn)場實(shí)測其它溫度如下：來料溫度為50℃，乳液溫度為45℃，環(huán)境溫度為32℃。

表1 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

采用Romberg法對式（5）進(jìn)行求解，結(jié)合式（2）和式（4）帶鋼在環(huán)境介質(zhì)冷卻作用下的溫度方程，對上述生產(chǎn)環(huán)境下各道次帶鋼溫度變化進(jìn)行了模擬。對比發(fā)現(xiàn)：模擬結(jié)果能夠與實(shí)測值較好的吻合，其計(jì)算誤差均控制在10%以內(nèi)，具有較高的計(jì)算精度。

2 取向硅鋼冷軋軋制溫度控制方法

在表1工藝條件下，第1道次不同傳熱階段溫度模擬結(jié)果見圖2。

圖2 第1道次不同傳熱階段的帶鋼溫度變化

帶鋼經(jīng)入口空氣和乳液冷卻，溫度由50℃降至46.18℃；變形區(qū)內(nèi)帶鋼溫度驟升至157.07℃，摩擦熱導(dǎo)致的帶鋼溫升僅為9.03℃，可以忽略不計(jì)；隨后在空氣的冷卻作用下，其出口溫度降至149.56℃。其他道次帶鋼溫度變化過程與之相似，區(qū)別在于入、出口乳液流量的增加導(dǎo)致了較高的溫降。因此，變形熱是導(dǎo)致帶鋼溫度升高的主要因素，摩擦熱的影響相對較?。痪铜h(huán)境介質(zhì)的冷卻作用而言，乳液冷卻效果明顯強(qiáng)于空氣。

取向硅鋼冷軋壓下率分配除保證軋制溫度之外，還受鋼種、軋機(jī)能力、板形調(diào)整、邊裂控制及打滑等因素限制，而乳液流量的調(diào)整導(dǎo)致了壓下率調(diào)整窗口的進(jìn)一步減小。因此，取向硅鋼冷軋溫度控制方式應(yīng)在固化冷軋壓下率的前提下，以原料溫度、乳液分配及軋制速度的匹配優(yōu)化為主要手段。

2.1 原料溫度的影響

圖3為不同原料溫度對帶鋼出口溫度的影響，在采用“高速、閉乳、大變形量”方式進(jìn)行軋制的第1道次，原料溫度對第1道次帶鋼出口溫度的影響較為明顯。這是由于在上述軋制方式下，入口乳液冷卻產(chǎn)生的帶鋼溫降較小，影響帶鋼溫度變化的主要因素為變形量及原料溫度，因而出現(xiàn)了帶鋼溫度相差較大的現(xiàn)象。隨著其它道次乳液冷卻作用的不斷增強(qiáng)，原料溫度的影響隨之減弱，這種由不同原料溫度帶來的道次間帶鋼溫度差異不斷減小，并趨于一致。

圖3 不同原料溫度對帶鋼出口溫度的影響

2.2 乳液流量的影響

圖4為乳液分配對第1道次帶鋼溫度的影響，圖4（a）中，入口乳液流量由500 L/min增加至2 000 L/min時(shí)，帶鋼溫降僅為2℃左右，入口乳液流量對帶鋼溫度影響較小，因?yàn)槿橐簻囟扰c來料溫度之間的差異較小、入口乳液冷卻段特征長度小等因素導(dǎo)致乳液與帶鋼之間熱交換量偏低。圖4（b）中，出口乳液流量由0（出口閉乳控制）增加至2 000 L/min時(shí)，帶鋼溫降高達(dá)70℃，此時(shí)變形熱、摩擦熱導(dǎo)致的帶鋼溫升增加了帶鋼與乳液之間熱交換量，且乳液流量增加等因素進(jìn)一步增加了帶鋼溫降。

圖4 乳液分配對第1道次帶鋼出口溫度的影響

2.3 軋制速度的影響

軋制速度對帶鋼出口溫度的影響主要通過減少環(huán)境介質(zhì)與帶鋼熱交換量和改善變形區(qū)潤滑條件（即減少摩擦熱）實(shí)現(xiàn)的。由圖2可知，摩擦熱對帶鋼溫升的影響較小，因此帶鋼出口溫度隨著軋制速度的提高而增加。圖5為軋制速度對帶鋼出口溫度的影響，如圖5所示，當(dāng)軋制速度由30 m/min提高至300 m/min時(shí)，帶鋼出口溫度由113.89℃升高至147℃，且溫度升高程度逐漸減小。

圖5 軋制速度對帶鋼出口溫度的影響

3 軋制溫度控制措施及實(shí)施效果

在不改變道次壓下率分配的前提下，通過來料溫度、軋制速度以及乳液流量的優(yōu)化調(diào)整，亦能避免取向硅鋼的脆性區(qū)軋制，同時(shí)提高冷軋成材率和產(chǎn)品質(zhì)量。據(jù)此，取向硅鋼冷軋軋制溫度控制的基本方法如下：

（1）原料溫度的選擇應(yīng)從保證軋制過程穩(wěn)定性和改善產(chǎn)品質(zhì)量的角度出發(fā)，并在設(shè)備能力允許的前提下，盡量提高原料上線溫度，進(jìn)而保證帶鋼的韌性區(qū)軋制。若原料溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，則易導(dǎo)致產(chǎn)生邊裂，甚至斷帶事故，破壞了整個(gè)軋制過程的穩(wěn)定性；反之，帶鋼溫度過高容易造成軋制設(shè)備燙傷、軋輥磨損加劇、板形惡化等不良后果?？紤]現(xiàn)場鋼卷加熱設(shè)備的實(shí)際能力以及生產(chǎn)過程中帶鋼邊部溫降較快等情況，將原料溫度控制在80～90℃較為合理。

（2）適當(dāng)增加乳液流量是提高軋制溫度的有效方法之一。增加乳液流量會(huì)在一定程度上降低帶鋼溫度，但是改善潤滑條件以及減輕軋輥磨損程度，會(huì)使板形控制效果得以改善，抑制邊部裂紋的萌生與擴(kuò)展，有利于保持軋制過程穩(wěn)定性和提高軋制速度。

（3）結(jié)合板形、邊裂控制情況，在不破壞軋制穩(wěn)定性的前提下適當(dāng)提高軋制速度，有利于提高帶鋼溫度以及生產(chǎn)效率。

表2為取向硅鋼冷軋軋制溫度控制方案及實(shí)施效果，其中原料溫度選定為80℃，環(huán)境介質(zhì)溫度如前所述?，F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果表明：各道次帶鋼出口溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值相吻合，且優(yōu)化后的帶鋼溫度高于軋材韌脆轉(zhuǎn)變溫度，保證了軋制過程穩(wěn)定性。與此同時(shí)，由于軋制速度的提高，相應(yīng)累計(jì)軋制時(shí)間約減少15 min，提高了生產(chǎn)效率。

表2 取向硅鋼冷軋軋制溫度控制方案及實(shí)施效果

4 結(jié)論

（1）利用集總參數(shù)法建立了帶鋼與周圍環(huán)境介質(zhì)間的熱交換模型，并對冷軋過程中變形熱、摩擦熱導(dǎo)致的帶鋼溫升進(jìn)行了近似求解。模型具有較高的計(jì)算精度，可以為工藝制定及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

（2）取向硅鋼可逆軋制過程中的溫度調(diào)整應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際情況，以原料溫度、乳液分配及軋制速度的匹配優(yōu)化為主要手段。

（3）冷軋?jiān)蠝囟葹?0～90℃情況下，適當(dāng)提高乳液流量和軋制速度能夠有效避免在脆性區(qū)軋制，有利于提高該牌號(hào)取向硅鋼冷軋成材率及生產(chǎn)效率。