利用調質機工輥凸度消除430不銹鋼屈服平臺

蒲嘉亮，徐向東，莫偉堅

（鞍鋼聯眾不銹鋼股份有限公司冷軋廠，廣東 廣州510760）

鞍鋼聯眾冷軋退火酸洗機組主要生產200系、300系、400系冷軋2B不銹鋼卷材。作為生產2B冷軋帶鋼最后一道工序的平整工藝段，其主要設備有表面調質精整機（下稱SPM）及拉力矯直機（下稱TLL）。然而，冷軋退火酸洗機組運行速度較快，當速度超過150 m/min時，TLL的工輥會使帶鋼表面產生刮鑿痕，影響產品品質。現場在生產430鋼種時，必須使用TLL，因為原設計工藝是通過TLL張力拉矯的方式給予鋼帶約0.5%～4%的延伸率，以消除帶鋼的屈服平臺，否則430鋼種的機械性能不達標，無法給下游客戶使用。因此，通過優化生產工藝，實現只采用SPM，而不采用TLL也能消除430鋼種的屈服平臺，本文對此加以介紹。

1 平整工藝要求及SPM優化思路

1.1 帶鋼平整工藝要求

圖1為帶鋼平整工藝加工前后的應力應變曲線示意圖，由圖1可知，帶鋼冷軋后經過退火再結晶，消除了加工硬化組織，但力學性能和加工性能變差。此時，430鋼種的應力應變曲線具有明顯的上屈服極限，并且在下屈服極限出現屈服平臺，見圖1（a）；通過平整工藝加工的帶鋼，隨著伸長率的增加，屈服極限升高,消除了屈服平臺，獲得較好的延展性，消除輕微邊浪、中浪，改善了板形，見圖1（b）。從變形量來看，平整工藝加工實質是一種小壓下率（0.5%～4%）的二次冷軋變形［1］。

圖1 帶鋼平整工藝加工前后的應力應變曲線

1.2 SPM優化思路

對430鋼生產時SPM工輥情況進行測試，當沿用原設計工輥凸度0.15 mm，軋制力為3 800 kN,出現各種無法消除的邊浪（邊部過軋）、中浪（中部過軋）等質量缺陷，鋼板缺陷照片如圖2所示。因此，需要尋求一種可通過軋制力求出相應工輥凸度的辦法，一方面在生產430鋼種時不但要消除其屈服平臺，而且延伸率也要達到要求；另一方面需解決鋼帶的板形問題，滿足現場生產質量的要求。經生產現場反應測試，要消除430鋼帶屈服平臺，鋼帶厚度需滿足變形率0.5%～1.2%的要求，經過軋制數模計算，對應的SPM軋制力需達到4 300～8 600 kN。表1為鋼帶厚度、軋制力、變形率對應表，由表1可以看出，軋制力跨度較大。

圖2 鋼板缺陷照片

表1 鋼帶厚度、軋制力、變形率對應表

擬通過有限元分析的方式，計算中部工輥在不同受力情況下的最大變形量，其變形量即為在該軋制力下所需凸度，同時使鋼帶各接觸點的受力一致且足夠，以達到優化目的。

2 有限元法計算與建模

2.1 工輥建模計算

SPM是通過凸度來彌補大軋制力下產生的SPM工輥形變，使整個鋼帶板面受力均勻。通常情況下，凸度的大小由SPM的軋制力決定，大軋制力采用大凸度，小軋制力采用小凸度。

理想鋼帶(無邊浪、中浪，截面為矩形)通過時，只有SPM工輥沿鋼帶寬度方向上的受力均勻，鋼帶各處延伸率才能保持一致。理想鋼帶與工輥的受力如圖3所示。若有板形問題，可參照理想狀態對其進行微調，由實際操作經驗可知，若出現邊浪缺陷，要消除邊浪，則需增加彎輥力，減小軋制力。

圖3 理想鋼帶與工輥的受力

采用反求法，假設工輥是直輥(無凸度)，以兩側壓下機構為支點，向輥面施加3 800 kN的均布力，求出中心位置產生的變形量，即工輥的凸度為中心位置產生的變形量。根據工輥材質，選取對應的機械性能參數見表2，并根據Solid works軟件輸入分析要素，定義輥面受力和網格單元大小，建立數學模型，SPM工輥建模如圖4所示。建模后計算位移量，位移量計算結果見圖5。

通過設定不同的軋制力Fn2（2000kN、3000kN、4 000 kN、5 000 kN、6 000 kN、7 000 kN、8 000 kN、9 000 kN、10 000 kN），計算相應中部變形量 X，擬合出軋制力-合力位移（變形量）曲線如圖6所示，當軋制力Fn2=3 800 kN時，輥面中部最大變形量X=2.998e-0.01mm。也就是說，當使用3 800 kN的軋制力的時候，需要使用0.3 mm的凸度的工輥，即可保證鋼帶表面均布軋延。顯然原凸度（0.15 mm）與軋制力（3 800 kN）的匹配設定不合理。

表2 SPM工輥選取機械性能參數表

圖5 SPM工輥靜態位移量計算結果

圖6 軋制力-合力位移曲線

2.2 彎輥力對工輥的凸度補償

以工輥兩側壓下機構為支撐，對兩側輥頭施加彎輥力Fb1和Fb2，模擬彎輥力示意圖見圖7，工輥發生彎曲變形，其變形量可起到凸度補償的作用。軋制不同厚度的鋼板，需要不同的軋制力，而生產過程中，為保證產線連續生產效率，無法頻繁切換工輥凸度。此外，按軋制430鋼板時軋制力（4 300 kN～8 600 kN）的要求，需配多種凸度工輥方可滿足現場生產，這無疑對現場生產條件造成困難。通過彎輥力產生變形量的能力計算，現場采用2～3種凸度，搭配彎輥力的作用，滿足了生產430鋼板各種厚度及軋制力的需求。

圖7 模擬彎輥力示意圖

SPM設備可輸出的最大彎輥力為800 kN,即單側軋制力的上限為400 kN,50%彎輥力與-合力位移曲線如圖8所示,彎輥力可使工輥中部產生最大的變形量為0.09 mm,且彎輥力與SPM工輥的變形量是線性關系。

圖8 50%彎輥力-合力位移曲線

3 結果分析與應用效果

3.1 優化參數設定

根據上述思路，若工輥凸度（研磨設定）和彎輥補償量（0～0.09 mm）能夠抵消工輥軋制過程的中部變形量,則可認為能夠得到平直的軋制接觸面,實現板面品質最優化，即凸度、彎輥補償量及工輥中部變形量滿足：

凸度±彎輥補償量=工輥中部變形量（0 mm＜彎輥補償量＜0.09 mm）

經過整理，得到的SPM軋制力和工輥凸度的速配表如表3所示。

表3 軋制力與理想凸度速配表

3.2 效果驗證

對上述結果進行優化，將SPM工輥凸度從0.15 mm改為0.39 mm，初始軋制力設定為4 800 kN,TLL不投入使用。根據來料板形狀況（邊浪、中浪）對軋制力及彎輥力進行適當調整，可得出平整的板形。切取試片進行拉伸測試，應力應變曲線見圖9，從圖中曲線可以看出，鋼帶經過SPM精整軋制后，已消除屈服平臺，機械性能符合使用要求，實現了以SPM替代TLL，并消除屈服平臺的功能，解決了產線速度高于150 m/min時，TLL產生刮鑿痕的問題，打破了平整工藝段的速度瓶頸。經測試，產速由原來的不高于150 m/min提升到230 m/min，總體品質及產速都得到提升。

圖9 應力應變曲線

除430鋼種外，還可以依據不同鋼種品質要求定義合適的參數，如延伸率（0.4%～2%）、帶鋼厚度及寬度等，通過數模計算SPM的軋制力、工輥中部變形量并選定合適的凸度。

4 結語

原設計的SPM工輥凸度（0.15 mm）對應軋制力（3 800 kN）的匹配設定不合理，工輥面各點的變形量大于凸度值，未能有效利用軋制力改善板形；按照所需變形量，利用數模計算出軋制力，在不超過設備的可操作范圍內，推出合理的凸度并加以使用，可滿足消除屈服平臺的要求。