鋼錠楔形軋制法在特厚板寬度控制中的應(yīng)用

丁敬國，曲麗麗，胡賢磊，劉相華

(1.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實驗室，遼寧沈陽110819;2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)設(shè)備有限責(zé)任公司遼寧沈陽110041)

近年，隨著大型汽輪發(fā)電機(jī)組、海洋石油平臺、軍艦和坦克裝甲板、核電站、大型模具鋼等特殊用途部件需求不斷增加，特厚板市場需求量也越來越大.在特厚板生產(chǎn)中，對于生產(chǎn)厚150 mm以下的鋼板可采用連鑄坯，但對150 mm以上的特厚板生產(chǎn)，如從軋件到成品的壓縮比較小，對某些規(guī)格和鋼種會出現(xiàn)鋼板內(nèi)部疏松壓合、偏析消除等方面達(dá)不到質(zhì)量要求的情況［1-4］，造成鋼板內(nèi)部質(zhì)量無法保證，因此國內(nèi)外在大力發(fā)展連鑄的同時仍保留了一定量模鑄用以生產(chǎn)扁鋼錠，以便生產(chǎn)特殊鋼板和特厚板.在鋼錠軋制特厚板生產(chǎn)中，展寬軋制完成后，若按照正常情況轉(zhuǎn)鋼90°進(jìn)行終軋，因頭尾錐度易使產(chǎn)品頭尾產(chǎn)生較大燕尾形［5-8］，造成切損增加.本文提出鋼錠楔形軋制法，在展寬軋制之前的道次，計算鋼錠頭尾展寬后的寬度差異，在考慮側(cè)邊雙鼓形及邊部摺疊對成材率影響的基礎(chǔ)上，采用從鋼錠大頭采用壓下量逐漸減小的方式進(jìn)行楔形變厚度軋制，從而達(dá)到展寬道次鋼錠小頭展寬量大于大頭展寬量的效果，增加終軋產(chǎn)品的矩形度，提高產(chǎn)品的成材率.

1 頭尾寬度變化分析

鋼錠生產(chǎn)特厚板過程中，先經(jīng)除鱗箱除鱗后的鋼錠被送到立輥軋機(jī)軋制，消除部分寬度方向的錐度，再送給四輥軋機(jī)，大頭咬入縱軋，消除部分厚度方向的錐度，然后進(jìn)入展寬階段進(jìn)行展寬軋制.由于立輥消錐度過程中所產(chǎn)生的狗骨狀隆起部分，經(jīng)過平輥軋制后產(chǎn)生回復(fù)［9-11］，因此在進(jìn)入展寬階段前，頭尾寬度差已發(fā)生較大變化.根據(jù)寬度形狀函數(shù)可計算出沿著長度方向上第i個點(diǎn)的狗骨回展量以及自由寬展量之和ΔRBi為

式中:Bi為鋼錠進(jìn)入立輥前沿著長度方向上第i個點(diǎn)寬度，mm;bi為鋼錠立輥出口沿著長度方向上第i個點(diǎn)寬度，mm;ΔBi為沿著長度方向上第i個點(diǎn)立輥壓下量，mm;Hi為軋件沿著長度方向上第i個點(diǎn)入口厚度，mm;hi為軋件沿著長度方向上第i個點(diǎn)出口目標(biāo)厚度，mm;Re為立輥直徑，mm.

在鋼錠軋制過程中，鋼板入口側(cè)的寬厚比對橫向流動因子αk有著非常重要的影響，寬厚比越大，橫向流動因子αk越小，實際生產(chǎn)過程中，針對不同展寬比的產(chǎn)品實測寬度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，其關(guān)系曲線如圖2.取寬厚比與橫向流動因子進(jìn)行指數(shù)擬合得

式中:k1、k2為擬合系數(shù);B0為軋件寬度，mm;h為軋件厚度，mm.

可得多道次大壓下量展寬系數(shù)為

式中:h0為入口厚度，mm;h1為出口厚度，mm;在展寬軋制后，大頭寬度為

式中:Bh0為頭部入口寬度，mm;hh0為頭部入口厚度，mm;hh1為頭部出口厚度，mm.小頭寬度B't為

式中:Bt0為尾部入口寬度，mm;ht0為尾部入口厚度，mm;ht1為尾部出口厚度，mm.

2 楔形軋制法

為了提高成材率，一些特定的平面形狀控制方法被引入特厚板生產(chǎn)中，如舞鋼4 200 mm厚板廠開發(fā)了咬邊返回軋制法和留尾軋制法，使成材率提高近3%.留尾軋制是由于錠身有錐度，錠尾有圓角，軋成鋼板的頭尾寬度不一，因而增加切邊量.故在軋件縱軋至一定厚度，軋件軋制到尾部時，留一段錠尾不軋，軋輥反轉(zhuǎn)退出，轉(zhuǎn)90°進(jìn)行寬展軋制，消除軋件頭尾寬度的不等，該方法能滿足提高鋼錠軋制特厚板成材率的生產(chǎn)要求，可將鋼板的魚尾和頭中尾寬度差得到一定程度的降低，減少切頭、切尾、切邊，從而提高了厚板成材率，但上述方法均需要在手動軋鋼模式下完成，對操作人員操作水平要求較高，增加勞動強(qiáng)度，同時會造成轉(zhuǎn)鋼困難.由留尾軋制法得到啟示，在轉(zhuǎn)鋼前一道次采用楔形軋制法，由大頭至小頭壓下量逐漸減小的方式進(jìn)行軋制，如圖3所示，然后轉(zhuǎn)鋼后進(jìn)行展寬軋制，使得小頭的展寬量大于大頭的展寬量，從而得到了矩形度較好的終軋產(chǎn)品.

圖3 楔形軋制法示意Fig.3 W edge rolling

在楔形軋后的展寬階段，由于其邊部金屬存在一定程度的橫向流動，隨著軋制厚度的變化，邊部形狀呈現(xiàn)雙鼓形狀并發(fā)生摺疊現(xiàn)象.因此為了達(dá)到火切后的目標(biāo)寬度，需要考慮雙鼓形及摺疊對目標(biāo)寬度的影響.

在特厚板軋制過程中，由于不同軋件的表面摩擦狀態(tài)，如軋件表面的溫度高低或氧化鐵皮的殘留比例等，會導(dǎo)致不同金屬流動規(guī)律和不同的側(cè)鼓形，而幾何尺寸對特厚板側(cè)鼓形的影響主要體現(xiàn)在變形滲透性，壓下率與其滲透性近似呈正比例關(guān)系，壓下率越大，則變形滲透越深，而且不同的變形區(qū)產(chǎn)生的變形滲透程度也不同，因此需要分析并計算特厚板側(cè)邊的金屬單元應(yīng)變速率以及塑性功，然后建立側(cè)邊雙鼓形形狀函數(shù)以及邊部摺疊深度函數(shù).

對于軋件塑性變形需要滿足體積不變條件，并且速度場的散度等于零.因此，塑性變形問題可認(rèn)為是無源場，采用流函數(shù)速度場進(jìn)行上界法進(jìn)行解析.平輥輥面與軸無關(guān)，則其流面函數(shù)為ψ1(x，z)，而軋件側(cè)自由表面因有鼓形與x，y和z有關(guān)，則其表面流函數(shù)為φ1(x，y，z)，如圖4所示，速度矢量可由2個流面的交線組成，為v=?ψ·?φ，采用流函數(shù)表示的三維速度場為根據(jù)體積不變原理，vx=v0h0b0/(b(x)h(x))，取ψz=v0h0/h(x)，φy=-b0/b(x)，分別進(jìn)行積分并由邊界條件z=0時，ψ=0，當(dāng)y=0，φ=0.

由式(9)～(11)，基于流函數(shù)的三維速度場為

圖4 平板軋制分析示意Fig.4 plate rolling analytical graph

軋件側(cè)邊鼓形的寬度形狀函數(shù)應(yīng)滿足如下條件，當(dāng)b0/h0＜0.5，邊部將出現(xiàn)單鼓形，否則會出現(xiàn)雙鼓形，其寬度形狀函數(shù)為

式中:f=1-4z/h，b0是入口寬度，mm;b1是軋件出口平均寬度，mm;l是軋件接觸弧長，mm;x是軋件變形區(qū)長度，mm.

由于特厚板的側(cè)邊鼓形主要取決于寬厚比b0/h，而影響展寬率εb=(b1-b0)/b0的主要因素是輥徑和坯厚的比值R/h0.根據(jù)生產(chǎn)實驗數(shù)據(jù)邊部凹入趨勢如圖5.

圖5 側(cè)邊凹入量趨勢Fig.5 Tendency chart of side indentation

在展寬軋制過程中，需要計算側(cè)邊摺疊深度函數(shù)，從邊部鼓形寬度形狀函數(shù)可計算摺疊深度函數(shù)如下

式中，αk橫向流動因子.

在軋制設(shè)備能力允許的前提下，設(shè)定尾部的壓下量為 Δht，則

由式(16)、(17)可計算出楔形度:

楔形軋制需要實現(xiàn)軋制過程軋件微跟蹤，利用實時反饋主電機(jī)實際速度和軋制過程中實時計算的前滑率，建立軋制過程中的微跟蹤模型.在軋制時間t內(nèi)軋件軋出長度和輥面弧長具有如下關(guān)系:

式中:l為軋件軋出長度，lR為轉(zhuǎn)過的輥面弧長，f為前滑率，在計算機(jī)控制算法中將式(11)離散化，

式中:i為控制序列.楔形軋制的壓下量不斷變化，壓下率ri是壓下量Δhi的函數(shù)，軋輥壓扁半徑Ri＇也是壓下量Δhi的函數(shù)，因此前滑模型可以表示為

由于中厚板軋制過程軋件溫度很高，軋件與軋輥的摩擦系數(shù)很大，可以采用全粘著條件的西姆斯前滑公式:

式中:kl為自學(xué)習(xí)系數(shù);hi為軋件出口厚度，mm;R為軋輥半徑，mm;ri為軋制過程的壓下率.

3 楔形軋制法實際應(yīng)用

在楔形軋制過程中，通過增加厚度計模型的精度，避免了由軋制力模型誤差所造成的軋制厚度誤差的問題.過程控制級提供目標(biāo)厚度和預(yù)設(shè)定輥縫，由基礎(chǔ)自動化調(diào)整軋出厚度到目標(biāo)厚度，軋輥的輥縫到設(shè)定輥縫［12］.在基礎(chǔ)自動化級，厚度控制AGC和位置控制APC構(gòu)成雙閉環(huán)控制的變厚度控制系統(tǒng)，APC是內(nèi)環(huán)控制，AGC為外環(huán)控制，圖6是變厚度軋制過程實際應(yīng)用控制圖，實際應(yīng)用中考慮油膜厚度補(bǔ)償、軋輥偏心補(bǔ)償和手動干預(yù)輥縫補(bǔ)償，將補(bǔ)償量加到輥縫輸出上，然后由HGC完成輥縫調(diào)節(jié).

圖6 楔形軋控制結(jié)構(gòu)Fig.6 Diagram of wedge rolling control

以國內(nèi)某4 300 mm厚，35 t錠型為例，其規(guī)格尺寸(大頭×小頭×長)為(2 140 mm×960 mm)×(2 090 mm×780 mm)×3 025 mm，鋼種為 Q345B，生產(chǎn)成品規(guī)格為200 mm×2 600 mm(厚×寬)的產(chǎn)品，切邊量為100 mm，熱態(tài)目標(biāo)寬度為2 730 mm，四輥軋機(jī)最大軋制力為80 000 kN，立輥軋機(jī)最大軋制力為9 000 kN.

特厚板在變厚度軋制過程中的軋件微跟蹤需要計算各道次的動態(tài)設(shè)定點(diǎn)，計算各設(shè)定點(diǎn)的設(shè)定值，它包括各設(shè)定點(diǎn)的設(shè)定厚度hi(i=1，2，3…)、設(shè)定輥縫、預(yù)報軋制力和相鄰設(shè)定點(diǎn)之間的距離li(i=1，2，3…).將 hi、li數(shù)據(jù)代入式(12)，最后得到各個設(shè)定點(diǎn)的前滑率.

楔形軋制過程輥縫進(jìn)行帶載動態(tài)壓下，通過軋制過程的微跟蹤確定設(shè)定點(diǎn)位置，設(shè)定點(diǎn)處的輥縫以目標(biāo)厚度計算輥縫為準(zhǔn)，將設(shè)定點(diǎn)間的輥縫線性化，按照控制周期離散化設(shè)定點(diǎn)間的總輥縫變化量，沿長度方向輥縫實測曲線對比如圖7.采用楔形軋制技術(shù)前后寬度實測值對比曲線如圖8.

從圖8可以看到，楔形軋制技術(shù)投用后，沿著長度方向的實測寬度指標(biāo)比投用前大幅度提高，在特厚板實際生產(chǎn)過程中，不同目標(biāo)寬度在不同楔形度時所對應(yīng)的成材率提高幅度如圖9.

從圖9可以看到，隨著楔形度的增加，特厚板成材率均有增大的趨勢，而當(dāng)楔形度達(dá)到一定值后，成材率開始趨于穩(wěn)定;在同一楔形度條件下，鋼板厚度越薄，鋼板的成材率越高，這是因為鋼板厚度越厚，金屬向邊部流動的趨勢越大，發(fā)生邊部摺疊的趨勢也就越大，從而增大了切邊量，降低了成材率.采集特厚板軋制一個月的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，楔形軋制投用后成材率可提高3%～4%.

圖7 輥縫對比曲線Fig.7 Contrast curves of gap

圖8 寬度為2 600 mm的實測寬度對比曲線Fig.8 Contrast curve of measured width of 2 600 mm

圖9 楔形度與成材率提高對比Fig.9 Contrast of wedge and yields increase percentage

4 結(jié)束語

本文主要針對鋼錠軋制特厚板軋制中頭尾錐度產(chǎn)生的寬度偏差，提出了楔形軋制方法.通過對鋼錠軋制中的頭尾寬度變化分析，建立了最佳矩形度條件下的楔形函數(shù)及微跟蹤方法.得到的主要結(jié)論如下:

1)軋件越厚且壓下量越小，越容易形成雙鼓形并產(chǎn)生邊部摺疊，在盡量減小邊部摺疊的同時，可調(diào)整楔形度來保證因側(cè)邊摺疊差異造成的過切損問題.

2)相對于咬邊返回軋制法和留尾軋制法，特厚板楔形軋制法更容易實現(xiàn)軋件的精確微跟蹤控制，成材率也更高.

3)特厚板楔形軋制方法在不增加設(shè)備成本和工藝成本的前提下，有效的提高了產(chǎn)品的成材率，具有良好的應(yīng)用價值.

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