道次間冷卻工藝對軋制力的影響分析

田 勇 張 田 王丙興 王昭東 王國棟

(東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819)

TMCP技術是軋鋼生產中重要的開創(chuàng)性技術，其重要特征之一就是在軋鋼生產過程中對溫度進行控制，以提高產品的強韌性。除了對軋后冷卻的溫度控制來進行研究和產品開發(fā)外，近年來，軋鋼工作者們圍繞軋制過程中的溫度控制展開了研究，這項技術即為軋制和冷卻耦合的溫控- 形變工藝[1]。溫控- 形變工藝的一個重要作用是在軋制道次間施加冷卻，實現板坯厚向的大溫度梯度軋制，即軋制過程中邊強冷，邊軋制，溫降來不及深入到軋件內部，在板坯厚度方向上形成上下表層低溫，中心層仍維持高溫的大溫度梯度[2]。這樣在軋制時，板坯上下表層溫度低于中心，變形抗力大，不易變形，而中心溫度高，容易變形。這種大溫度梯度軋制會促使變形深入到軋件心部，有利于消除板坯內部缺陷，為鋼材性能的改進提供了新的空間，同時可減少軋件側向的雙鼓形缺陷，避免邊部折疊等缺陷，減少邊部切損，提高成材率等[3]。通過溫控- 形變工藝還可提高控制軋制的冷卻效率，同時，由于冷卻過程分配到各個道次上，可以與軋制過程相配合，進行軋制過程中的精細化冷卻路徑控制。

由于在軋制過程中增加了強制冷卻，必然影響軋制控制系統(tǒng)的精度，如鋼板溫度分布、軋制力和出口鋼板厚度等，但對以上參數的影響程度仍存在一定的認識差異。本文通過對軋制模型的分析，結合實驗室軋制試驗和國內某中厚板廠溫控- 形變耦合軋制的力能參數測試，研究了道次間冷卻對軋制模型控制精度的影響，為溫控- 形變工藝的實施提供理論依據和試驗參考。

1 軋制計算的幾個關鍵數學模型

在軋機控制系統(tǒng)中，有幾個關鍵的數學模型，如軋機彈跳、軋制力模型和變形抗力模型等直接影響著模型的厚度控制精度[4]，其表達式分別為：

變形抗力σ：

σ=σ0exp(a1T+a2)·f(ε)·g(c)

(1)

熱軋軋制力F：

F=σ·Ld·b·QF

(2)

式中：σ為平均變形抗力，Ld為接觸弧長度，b為軋件寬度，QF為應力狀態(tài)影響函數。

彈跳曲線方程：

(3)

式中：K為軋機剛度，S為輥縫，F為軋制力，F0為零點軋制力，Δwidth、Δwear、Δexpand分別為寬度補償項、軋輥磨損補償項和膨脹補償項。

從式(1)可以看出，在確定熱軋變形抗力時，主要考慮變形溫度和變形速度的影響，其中溫度的影響最直接[5]。通常，在鋼的奧氏體溫度區(qū)軋制時，變形溫度越低，變形抗力越大。從式(2)可以看出，軋制力與變形抗力直接相關。工程計算軋制力的方式有兩種：一是采用軋件的平均溫度計算變形抗力，二是根據鋼板厚向溫度分布，劃分成多層，綜合計算變形抗力[6- 7]。從式(3)可以看出，在軋制工況一定的情況下，鋼板出口厚度與軋制力直接相關，即軋制力越大，出口厚度越大。采用道次間冷卻時，鋼板表面溫度大幅度下降，變形抗力則大幅增加，軋制力也明顯增大，從而使出口鋼板厚度增加，最終造成厚度控制精度的偏差[8]。

實際上，在粗軋道次采用道次間冷卻后，由于鋼板厚度較大，很難在較短的時間內將板坯徹底冷透。圖1為200 mm×90 mm×250 mm(厚×寬×長)鋼坯在電阻爐內加熱至約1 050 ℃后，取出水冷過程中厚度方向上各點的溫度變化曲線。冷卻參數為：鋼坯出爐后水冷10 s，開啟5組集管，單根上集管流量為(3±1) m3/h。冷卻過程中雖然1/8和1/4板厚位置溫度下降，但鋼板心部溫度依然較高。隨著鋼坯厚度的增加，鋼板表層以下未冷透層厚度隨之增加[9- 10]。根據最小阻力定律——塑性變形體內有可能沿不同方向流動的質點只選擇阻力最小的方向流動，道次間冷卻時，變形傾向于發(fā)生在鋼板厚向溫度較高的位置[11]。所以不能單從局部溫度降低引起局部變形抗力增加，從而認定道次間冷卻時軋制力大幅增加。

圖1 鋼板冷卻過程中厚向各點的溫度變化曲線Fig.1 Temperature variation curves at different positions of plate along thickness during cooling

2 實驗室軋制試驗

在東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室φ450實驗軋機上進行了溫控- 形變形耦合軋制試驗。試驗坯料為取自國內某中板廠的Q345鋼，規(guī)格為100 mm×120 mm×180 mm(厚×寬×長)。采用兩種軋制工藝進行對比：一是常規(guī)工藝(1號)，出爐后直接進行單道次軋制；二是溫控- 形變工藝(2號)，出爐后先經過強水冷再進行單道次軋制。兩種工藝軋后均空冷至室溫，軋制工藝參數見表1。軋前在鋼板側向1/8、1/4厚度處和中心層處測溫，軋后在鋼板縱向正中間處沿橫向剖開，以觀察鋼板軋制變形后的橫斷面輪廓。軋前將坯料在箱式爐內加熱至1 150 ℃，保溫4 h。

圖2為兩種工藝軋制的坯料在軋機出口沿厚度方向溫度變化。分別采用DEFORM有限元軟件模擬和熱電偶測量軋機出口鋼板斷面中心線上的溫度分布?？梢钥闯?，2號坯料在1/8和1/2厚度處的溫差較大，可以實現溫控- 形變耦合軋制工藝。

表1 軋制工藝參數Table 1 Parameters of rolling process

圖2 經兩種工藝軋制的鋼板在軋機出口的厚向溫度分布Fig.2 Temperature distributions along thickness of steel plate rolled by two processes at exit of rolling mill

圖3為鋼板軋后橫斷面的金屬流動情況。從圖3(a)可以看出，常規(guī)工藝下的金屬橫向位移量主要集中在鋼板1/4厚度層，表層和中心層金屬流動量相對較少，導致側邊輪廓形成明顯雙鼓形，鼓峰和鼓底的最大差值約2 mm。從圖3(b)可以看出，溫控- 形變工藝下鋼板側邊輪廓無明顯凸度，說明厚向的變形比較均勻，表層金屬橫向位移量較小，中部金屬發(fā)生平行變形，中心層和表層橫向位移差約1 mm。對比兩種工藝金屬變形結果可知，溫控- 形變工藝促進了軋件內部的金屬流動，整個厚向的金屬變形更加均勻，從而促使軋件側邊輪廓由雙鼓形轉變成近單鼓形，即變形傾向于發(fā)生在鋼板厚向的高溫位置。圖4為常規(guī)工藝與溫控- 形變工藝的軋制力峰值。可見，在本文試驗條件下，溫控- 形變軋制的軋制力相比常規(guī)軋制的增加了約17%。

圖3 鋼板軋后橫斷面金屬橫向流動Fig.3 Transverse flow of metal at cross- section of steel plate after rolling

圖4 兩種軋制工藝下的軋制力峰值Fig.4 Maximum rolling force under two rolling processes

常規(guī)軋制時，鋼板心部的晶粒尺寸較大，溫控- 形變軋制時相同部位的晶粒明顯細化，組織分布也更加均勻，如圖5所示。可見，溫控- 形變軋制能明顯改善鋼板厚度方向變形和組織的均勻性。

圖5 鋼板經兩種工藝軋制后心部的顯微組織Fig.5 Micrographs at the core of steel plate rolled by two processes

鋼板經兩種工藝軋制后從表面到心部的硬度分布如圖6所示?？梢钥闯觯瑴乜? 形變軋制的鋼板厚向不同位置處的硬度均明顯提高，其中1/4厚度處提升最為明顯。

圖6 鋼板經兩種工藝軋制后從表面到心部的硬度變化Fig.6 Change in hardness from surface to core of steel plate rolled by two processes

3 工業(yè)現場軋制試驗

在國內某中厚板廠分別使用常規(guī)軋制和溫控- 形變耦合軋制工藝試制了厚度為100 mm的Q345B鋼板。兩種工藝下的軋制道次及道次變形量均保持一致。粗軋始軋溫度均為1 150 ℃，待溫厚度為160 mm，精軋始軋溫度為870 ℃，軋后水冷至680 ℃左右，其中溫控- 形變工藝在粗軋階段增加了兩次軋制道次間水冷。具體工藝參數如表2所示。

如圖7所示，溫控- 形變工藝下的平均軋制力為2.10×107N，比常規(guī)工藝提高了約15%。而且溫控- 形變工藝下的軋制力相比常規(guī)工藝下的更平穩(wěn)，頭尾未出現明顯的軋制力峰值，這是由于溫控- 形變軋制在道次間冷卻時采用了頭尾延遲溫控，使得軋件縱向溫度分布更加均勻。

表3為經兩種工藝軋制的Q345B鋼板的力學性能。由表3可見，與常規(guī)軋制的鋼板相比，溫控- 形變軋制的鋼板的強度增加的幅度并不大，斷后伸長率提高了3%,Z向性有提高了11%，從Z55提高至Z35級別。

表2 100 mm厚Q345B鋼板的主要生產工藝參數Table 2 Main manufacturing parameters of 100 mm- thick Q345B steel plate

圖8為經兩種工藝軋制的Q345B鋼板心部的顯微組織?？梢姵Ｒ?guī)軋制的鋼板心部存在明顯的帶狀組織，而溫控- 形變軋制的鋼板的心部帶狀組織得到消除，組織較均勻，這是由于粗軋過程溫控- 形變提高了軋件的厚向變形滲透，促進了心部的再結晶，減弱了成分偏析現象，從而使帶狀組織明顯減輕。但兩種工藝下的晶粒尺寸相差不大，這是由于生產過程中長時間的中間坯待溫過程，使得鋼板內部晶粒發(fā)生粗化，削弱了粗軋階段溫控- 形變的細化效果。

圖7 兩種軋制工藝下的軋制力Fig.7 Rolling force under two rolling processes

表3 經兩種工藝軋制的100 mm厚Q345B鋼板的力學性能Table 3 Mechanical properties of 100 mm- thickness Q345B steel plate rolled by two processes

圖8 經兩種工藝軋制的100 mm厚Q345B鋼板心部的顯微組織Fig.8 Microstructures at the core of 100 mm- thick Q345B steel plate

圖9為國內某中厚板廠粗軋機的軋制力與軋機彈跳量之間的關系曲線。根據圖9中曲線可以計算得出，采用溫控- 形變工藝時，軋制力增加15%后，出口厚度增加約0.3 mm。即在軋機控制系統(tǒng)不投入前饋進行輥縫補償時，采用溫控- 形變軋制引起的鋼板出口厚度增加在0.3 mm左右。在投入自適應學習算法后，該厚度誤差可完全通過后續(xù)道次修正消除[12]。但在實際工業(yè)試驗過程中，軋機過程控制系統(tǒng)并未考慮道次間水冷對出口厚度的影響，僅依靠軋機過程自動化控制系統(tǒng)檢測的軋制力變化和輥縫變化進行規(guī)程細微調整，兩塊鋼板在入庫時未檢測出厚度超差。

4 結論

通過理論分析和試驗方法研究了溫控- 形變耦合軋制工藝對軋制力的影響。實驗室軋制試驗結果表明：對于100 mm厚鋼板，采用道次間強水冷，在心表形成150 ℃溫差時軋制，軋制力增加了17%左右，軋件變形從表面向心部滲透。在國內某3 500 mm中厚板軋機上的工業(yè)試驗表明：采用溫控- 形變耦合軋制100 mm厚Q345B鋼板，軋制力增加了15%左右，該軋制力增加引起的軋機出口厚度增加了0.3 mm左右，在投入自動控制算法后，該厚度偏差可在后續(xù)道次消除。

圖9 國內某廠3 500 mm中厚板粗軋機的彈跳曲線Fig.9 Stiffness curve of roughing mill of a 3 500 mm medium and heavy plate in domestic