連退平整機(jī)組高溫料延伸率評估方法*

王 濤，胡萬通，李學(xué)通

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039；2.燕山大學(xué) 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 引言

平整處理在冷軋板帶生產(chǎn)工序中占有非常重要的地位，近年來隨著高品質(zhì)帶鋼用戶對產(chǎn)品的要求越來越復(fù)雜多樣，也推動了一系列關(guān)于延伸率控制與評估的技術(shù)與方法[1,2]。

目前已有許多通過調(diào)整軋制力、張力等單因素調(diào)控延伸率的方法，如：干思權(quán)、程鵬等[3,4]給出了張力與軋制力調(diào)整模式與方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)延伸率的有效控制；張殿華等[5]針對在平整過程中變速導(dǎo)致的延伸率波動問題提出了解決策略；秦大偉、石旭等[6,7]針對延伸率波動問題提出速度前饋軋制力預(yù)控以及總軋制力控制的方案。

但是縱觀已有文獻(xiàn)，對于雙機(jī)架平整機(jī)組軋制高溫料的延伸率控制與評估仍有待于進(jìn)一步研究和探索，退火溫度高的原料變形抗力小，如果不對其工況進(jìn)行評估，實(shí)際延伸率往往容易超出預(yù)估。因此提出一套能結(jié)合軋制穩(wěn)定性，在消除板形缺陷和保證潤滑的基礎(chǔ)上保證帶鋼表面質(zhì)量的延伸率評估技術(shù)具有重要的意義。

1 軋機(jī)穩(wěn)定性與最小延伸率的關(guān)系

軋機(jī)的剛度是重要的性能參數(shù)，其并非是純線性的，這主要是由于軋機(jī)各部分的彈性變形以及間隙的存在而導(dǎo)致的，隨著軋制力逐漸增加，當(dāng)超過某一定值后彈性變形曲線就會非常接近直線，此時的軋機(jī)剛度可視為定值[8]。軋機(jī)的彈性變形曲線如圖1所示。其中，hN為軋件的厚度(mm)，PN為軋出相應(yīng)厚度軋件的軋制力(kN)，S0為空載輥縫值(mm)，K為軋機(jī)剛度系數(shù)(kN/mm)，Δp為軋制力變化量(kN)，Δf為軋機(jī)彈跳變化量，即輥縫變化量(mm)，Pmin為保證軋機(jī)穩(wěn)定軋制的最小軋制力(kN)。

圖1 軋機(jī)彈性變形曲線

由圖1可以看出，要保證平整軋制過程中的穩(wěn)定性，必須保證軋機(jī)的剛度為定值，也就是說保證彈性變形曲線在線性范圍內(nèi)，所以現(xiàn)場軋制時必須保證軋制力大于軋機(jī)穩(wěn)定軋制所需要的最小軋制壓力Pmin。

本文針對某鋼廠的連退平整機(jī)進(jìn)行軋機(jī)剛度試驗(yàn)，在正式試驗(yàn)之前，首先對1#機(jī)架和2#機(jī)架“校零”,記錄校零壓力、輥縫值(ROLLGAP)以及各軋輥輥徑值，如表1所示。

表1 軋機(jī)剛度試驗(yàn)時軋輥及輥縫數(shù)據(jù)

在試驗(yàn)過程中，起步軋制壓力為200 t空轉(zhuǎn)，速度為30 m/min，通過測量某一特定軋制壓力下的輥縫值來反映機(jī)架的剛度，也就是將軋制壓力從200 t逐漸增加到1 400 t，然后再慢慢地調(diào)回200 t以下，依次記錄所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)。所得剛度試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

為了直觀地表示相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，將1#、2#機(jī)架的剛度用曲線表示出來，如圖2和圖3所示。

圖2 1#機(jī)架剛度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 2#機(jī)架剛度試驗(yàn)結(jié)果

由圖2、圖3可以看出，對于高溫料機(jī)組而言，在軋制壓力200 t以上時，軋機(jī)剛度的線性程度很好。所以保證此雙機(jī)架連退平整機(jī)現(xiàn)場軋制穩(wěn)定所需的最小軋制力為Pmin=2 000 kN。

考慮到不同平整機(jī)組的設(shè)備工藝特點(diǎn)與實(shí)際工況，在羅伯茨平整軋制壓力模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)白振華等[9]提出的結(jié)合工程數(shù)據(jù)的軋制壓力模型來進(jìn)一步推斷，在來料參數(shù)、設(shè)備參數(shù)以及工藝潤滑制度特定的情況下，軋制過程中，軋制壓力P和前、后張力設(shè)定值T1、T0會成為高溫料延伸率的主要影響因素，此時各機(jī)架的延伸率可以表示為：

ε0=f(P,T1,T0).

(1)

當(dāng)軋制壓力取得軋制穩(wěn)定所需的最小軋制力Pmin時，為了保證帶鋼的正常軋制，就要對前、后張力進(jìn)行調(diào)整，此時，取前、后張力允許設(shè)定的最小值分別為T1min、T0min。將Pmin和T1min、T0min代入到文獻(xiàn)[9]中的軋制壓力計(jì)算公式中，就可以反算出延伸率，從而得到如式(2)所示的保證高溫料軋制穩(wěn)定情況下的最小延伸率εmin1：

εmin1=f1(Pmin,T1min,T0min).

(2)

2 帶鋼表面質(zhì)量與最小延伸率的關(guān)系

2.1 消除來料板形缺陷的最小延伸率

消除來料板形缺陷的方法之一就是使得平整帶材延伸率設(shè)定值超過來料的浪形相對長度差。根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]可知，要消除來料的板形缺陷所需的延伸率ε*為：

(3)

其中：x0為入口板帶浪形的最大撓度，mm；x1為出口板帶浪形的最大撓度，mm；n為浪距，mm。

因此，在來料板形確定的情況下，為了使出口板形達(dá)到良好預(yù)期，高溫料平整過程的最小延伸率εmin2就要滿足如下關(guān)系：

εmin2≥ε*.

(4)

此時我們可以取εmin2=ε*作為消除來料板形的最小延伸率。

2.2 表面粗糙度與最小延伸率的關(guān)系

為了使成品帶鋼表面粗糙度滿足下游工序要求，在來料確定的情況下帶鋼需要一定的延伸率來改善表面粗糙度。根據(jù)相關(guān)研究成果可知，連退雙機(jī)架平整機(jī)組成品板面粗糙度預(yù)報模型為：

Ras=f2(h,k,Ras0,ψ,εi,L1,L2).

(5)

其中：Ras為平整機(jī)機(jī)組成品板面粗糙度，μm；h為帶鋼入口厚度，mm；k為帶材平均變形抗力，MPa；Ras0為來料板面粗糙度，μm；ψ為延伸率分配系數(shù)；εi為機(jī)組設(shè)定延伸率,i為機(jī)架編號；L1、L2分別為1#機(jī)架和2#機(jī)架軋制公里數(shù)，km。

顯然，由式(5)可知，對于特定厚度、特定強(qiáng)度的帶材而言，在1#與2#機(jī)架工作輥原始表面粗糙度、1#與2#機(jī)架工作輥軋制公里數(shù)以及1#與2#機(jī)架延伸率分配系數(shù)等確定的前提下，其成品板面粗糙度主要取決于冷軋來料板面粗糙度與總延伸率ε，可以表示為：

Ras=g(Ras0,ε).

(6)

來料板面粗糙度的增加會使得高溫料成品板面粗糙度也隨之增加，而且隨著高溫料延伸率的增加，成品板面粗糙度也隨之增加。這樣，根據(jù)上面的研究可以知道，保證成品板面質(zhì)量所需要的最小延伸率εmin3可以表示為：

εmin3=g-1(Ras0min,Rasmin).

(7)

其中：Rasmin為平整機(jī)機(jī)組成品板面粗糙度所允許的最小值，μm，；Ras0min為來料板面粗糙度的最小值，μm。

3 保證帶鋼防銹能力的最小延伸率

從高溫料平整軋制的工藝潤滑制度來說，所謂保證帶鋼防銹能力的最小延伸率是指在給定軋制壓力、前后張力情況下，通過調(diào)整平整液的潤滑性所能達(dá)到的最小延伸率。在此，可以使用成品帶鋼的單位面積潤滑液含量δ來表示防銹指標(biāo)，即：

(8)

其中：w為潤滑液的流量；C為潤滑液的濃度；v為帶鋼運(yùn)行速度；B為帶鋼寬度。

對單一鋼種而言，當(dāng)軋制工藝參數(shù)確定后，防銹能力只與乳化液的流量和濃度有關(guān)，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，每個鋼種有其各自的防銹指標(biāo)δ*。在相同軋制工藝參數(shù)下，乳化液含量越大，軋制過程中的摩擦因數(shù)越小，延伸率也就越大。所以，在評估機(jī)組的最小延伸率時，只要保證帶鋼上單位面積潤滑液含量δ>δ*即可，這樣就得出摩擦因數(shù)最大時所對應(yīng)的乳化液流量和濃度的最小值wmin和Cmin。

由軋制壓力模型可得帶鋼的延伸率表達(dá)式：

ε=f3(P,T1,T0,k,h,μ).

(9)

其中：μ為摩擦因數(shù)。

根據(jù)潤滑理論可知，在平整軋制過程中，摩擦因數(shù)μ可以寫成軋輥參數(shù)、軋制工藝參數(shù)以及潤滑制度參數(shù)的函數(shù)，即：

μ=f4(P,T1，T0,h,Rar0,L,η0,C,w,t).

(10)

其中：Rar0為工作輥的原始粗糙度；L為工作輥換輥后的軋制公里數(shù)；η0為平整液的特性潤滑參數(shù)，取決于平整液的品種；t為平整液的初始溫度。

由式(9)、式(10)可以看出，當(dāng)軋制工藝參數(shù)和軋輥工藝參數(shù)給定的情況下，帶鋼的延伸率只取決于工藝潤滑制度的參數(shù)。隨著平整液的特性潤滑參數(shù)、濃度和流量的減小，摩擦因數(shù)增大，延伸率對應(yīng)減小；隨著平整液溫度的增加，摩擦因數(shù)增加，延伸率對應(yīng)降低。在確定了保證防銹功能的最小乳化液流量wmin和濃度Cmin后，再根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況確定可用的最小平整液的特性潤滑參數(shù)η0min和最大乳化液溫度tmax。這樣，就可以求出滿足防銹功能的最小延伸率εmin4：

εmin4=f5(η0min,Cmin,wmin,tmax).

(11)

4 高溫料延伸率控制能力綜合評估研究

綜合考量平整機(jī)組的設(shè)備與高溫料生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，在保證軋制穩(wěn)定性和防銹能力的基礎(chǔ)上，改善板形與帶材的表面粗糙度，提出高溫料平整軋制過程中延伸率控制能力評估技術(shù)。高溫料平整軋制過程中延伸率最小值可表示為：

εmin=max{εmin1,εmin2,εmin3,εmin4}.

(12)

5 現(xiàn)場應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證連退機(jī)組高溫料延伸率評估技術(shù)的實(shí)用性，進(jìn)行了延伸率評估技術(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)。

現(xiàn)場試驗(yàn)選取0.253 mm×835 mm規(guī)格的帶鋼，技術(shù)試驗(yàn)前產(chǎn)品的延伸率主要在2.0%左右，根據(jù)高溫料延伸率評估技術(shù)的優(yōu)化方法，對軋制過程的工藝潤滑制度以及軋輥原始表面表面粗糙度等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，開展了上線的試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4所示。在保持軋制穩(wěn)定、粗糙度復(fù)印率以及板形良好的基礎(chǔ)上，將原有的維持在2.0%的延伸率成功控制在1.3%左右。

表4 延伸率評估技術(shù)上線試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

同時，我們將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用評估技術(shù)前同規(guī)格產(chǎn)品比較后發(fā)現(xiàn)，帶鋼表面粗糙度偏差也有較大的改善，如圖4所示。延伸率評估技術(shù)應(yīng)用前，帶鋼表面粗糙度偏差大約在1.5%左右，高溫料延伸率評估技術(shù)應(yīng)用后帶鋼表面粗糙度偏差在0.5%～1.0%之間。

圖4 延伸率評估技術(shù)應(yīng)用前、后帶鋼粗糙度偏差對比

6 結(jié)論

(1)結(jié)合成品帶鋼延伸率的多項(xiàng)影響因素建立了綜合模型，開發(fā)了一種能結(jié)合軋制穩(wěn)定，在消除板形缺陷和保證潤滑的基礎(chǔ)上，保證帶鋼表面質(zhì)量的延伸率評估技術(shù)方法。

(2)將該技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場生產(chǎn)后，解決了原有的延伸率控制技術(shù)問題，使得現(xiàn)場的高溫料延伸率得以控制在生產(chǎn)計(jì)劃所規(guī)定的1.2±0.2%的范圍內(nèi)，證明該技術(shù)擁有進(jìn)一步推廣的價值和意義。