（材料加工工程专业论文）双机架热轧中厚板坯料与规程优化设计.pdf

摘要 摘要 对于中厚板生产，提高成材率和轧机利用率是节省能源与资源、降低成本的重 要手段在众多提高中厚板成材率的技术中，坯料设计和规程设计是在企业现有的 生产设备和技术水平的基础上，从中厚板坯料的设计与轧制规程入手，不须设备和 控制仪器等硬件投资，对企业的节约增效具有重要的现实意义。 针对双机架中厚板生产线的生产情况，以研究中厚板坯料和规程的优化设计为 目标，通过科学的坯料设计和剪切工艺、合理的变形规程设计、轧机负荷的研究， 利用计算机v i s u a l b a s i c 语言编制坯料计算和规程设计计算的程序，最大限度发挥设 备能力和提高成材率及生产效率。主要结论如下： 利用本研究给出的坯料设计方法，能根据订单给出成品规格所需的坯料断面及 长度尺寸，还能给出下料块数和剪切倍尺数可最大程度的减少成品钢板的剪切 量，从而提高产品的成材率；对双定尺板可提高成材率达l - 1 4 ；对单定尺板可 提高正品率达8 ，从而既减小了库存压力，又减少了坯料投入量。 利用本研究设计的轧制规程，可明显地提高生产效率，由于对变形规程的优 化，缩短了轧制周期，减少了轧制道次，提高了轧机的小时产量约1 7 1 3 。 对中厚板生产轧制负荷的模拟计算时，考虑再结晶不充分导致的残留应变对变 形抗力及轧制压力的影响。再结晶软化越不充分给计算结果带来的偏差越大。考虑 再结晶软化不充分对轧制负荷的影响后，预报值和实测值符合更好 图3 0 表7 参5 5 关键词：中厚板；坯料设计；轧制规程；轧制负荷 分类号lt g 3 3 5 5 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h em i d d l et h i c kp l a t ep r o d u c t i o n ，t h ei m p o r t a n tm e a n so fs a v ee n e r g ya n d 爬s o u i 倪a n dr e d u c ec o s ti si n c r e a s i n gy i e l da n dt h eu t i l i z a t i o nr a t eo fr o l l i n gm i l l i n n u m e mu st e c h n n l o g yo fr a i s i n gm i d d l et h i c kp l a t ey i e l d ，s l a ba s s i g n m e n ta n dr u l e sd e s i g n a r eo nt h ef o u n d a t i o ni nt e c h n i c a ll e v e la n dt h ep r o d u c t i o ne q u i p m e n to f e x i s t i n ge n t e r p r i 罅, f i o mi tr o l l i n gr u l e sa n dt h ed e s i g no ft h i c kb o a r dp r e f o r ms t a r tw i t h ，n o tm u s tt h e h a r d w a r ei n v e s t m e n t ss u c ha se q u i p m e n ta n dc o n t r o li n s t r u m e n t , 衙e n t e r p r i s ee c o n o m i z e s y n e r g i s mh a v ei m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n g a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o no ft h i c kb o a r dp r o d u c t i o nl i n ei nt w of r u i t s ， w i t hr u l e sd e s i g na n dt h ep l a t es l a bd e s i g ni nr e s e a r c hf o rg o a l t h ep r e f o r mt h a ta t t e m p t s t op a s st h r o u g hs c i e n c ed e s i g n sa n dc u t st h er e s e a r c ho ft e c h n o l o g y , r e a s o n a b l ed e f o r m e d r u l e sd e s i g na n dt h el o a do fr o l l i n gm i l l ，d e s i g n st h ep r o g r a mo fc a l c u l a t i o nu s i n gt h e c o m p u t e rv i s u a l b a s i cl a n g u a g ep r e f o r mc a l c u l a t i o na n dr u l e so fa u t h o r i z e ds t r e n g t h ，t r y h a r di nh i g hl i m i td e v e l o pe q u i p m e n ta b i l i t ya n dr a i s i n gp r o d u c t i v i t y t h i sp a p e rg e t s f o l l o w i n gc o n c l u s i o n ： t h i sp a p e rh a v ea n a l y s e di n f l u e n c et h ef a c t o ro fy i e l d i tc a ng i v en e e d e dp r e f o r m s e c t i o na n dl e n g t hs i z ea c c o r d i n g1 0t h es p e c i f i c a t i o n so ff i n i s h e dp r o d u c to fo r d e ru s i n g t h es l a bd e s i g nm e t h o dt h a tr g a r c hg i v e sa n dc a ns t i l lc a tt i m er u l e rn u m b e rt on e x t m a t e r i a lp i e c en u m b e ra n dt h ed e c r e a s i n go fb i g g e s tl e v e lt h es t e e l p l a t eo ff m i s h e d p r o d u c tc u tq u a n t i t y 。s or a i s ep r o d u c tb e c o m eu s e f u lt ol e a d ；t h ep r a c t i c es h o wt h a ti t 啪 i m p r o v ey i e l da b o u t1 1 4p e r c e n ti n “d o u b l ef i xr u l e rp l a t e ”a n dt h eq u a l i t yg o o d sa b o u t8 p e r c e n ti n “s i n g l ef i xr u l e rp l a t e ”i ti sl i t t l et or e d u c et h ep r e s s u r ei ns t o c k , h a v ea g a i n r e d u c e dp r e f o r mi n p u tt om e a s u r e c a r r yo u tr o l l i n gu s i n gt h eml l i n gr u l e so ft h i sr e s e a r c hd e s i g nc a nr a i s ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c yo b v i o u s l y i ta l s oh a ss h o r t e n e dr o l l i n gp e r i o d , h a sr a i s e dt h eh o u ro u t p u to f z o l l i n gm i l la b o u t1 7 1 3p e r c e n t bt h es i m u l a t e dc a l c u l a t i o no fm i d d l e - t h i c kb o a r dp r o d u c t i o nr o i l i n gl o a d t h i sp a p e r c o n s i d e r a t i o nr e e r y s t a l l i z a t i o nn o te n o a g hc a u s er e m a i ns t r a i nt h a ti n f l u e n c ef o r c ea n d r o l l i n gp r e s s u r e d i s c o v e r , i nh o tr o l l i n g t h i c kb o a r d p r o d u c t i o n ，i t i s b i g t h a t r e c r y s l a l l i z a t i o ns o f t e nt h ed e v i a t i o nt h a td o e sn o tb r i n gf u l l ya sar e s u l tt oc a l c u l a t i o nt h e 一 一一一 些! ! 堕 l g l o l i ti sc o n s i d c r e dt h cf o r e c a s tv a l u ea f t e rr c c r y s t a l l i z a f i o ns o f t e n st h cn o ta m p l c i n f l u e n c ef o rr o l l i n gl o a dw i t ht h ev a l u eo f a c t u a ! m e a s u r e m e n ti ss u i t a b l em o g o o d f i g u r e3 0 , t a b l e7 r e f e r e n c e5 5 i 畸w o r d s ：m i d d l ct h i c kp l a t e ，s l a ba s s i g n m e n t 。p a s ss c h e d u l e ，r o l l i n gl o a d c h i n e s el i b r a r y 协- 唱：t g 3 3 5 5 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：必日期：丑年j 月业日 关于论文使用授权的说明 本入完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：鎏缉导师签名：嶂 日期：鲨王年旦月卫日 引言 引言 中厚板轧制是我国冶金工业的薄弱环节之，随着企业日j 竞争的同趋激烈，企 业的经营者日益注重产品的成本，降低成本增加经济效益成为事关企业生死存亡的 首要大事。在中厚板生产中，提高成材牢是节省能源与资源、降低成本的重要手 段。在众多提高中厚板成材率的技术中，坯料设计是在企业现有的生产设备和技术 水平的基础上，从中厚板坯料的设计与轧制规程设计入手，不须设备和控制仪器等 硬件投资，对企业的节约增效具有重要的现实意义 目前我国绝大多数的中厚板生产线采用二辊、四辊的双机架配置，从而为控制 中板的产品质量及提高生产率、成材率提供了硬件上的有利条件。但由于中厚板品 种多、规格多、订单多，却准确下料难、准确定尺难、计划安排难。这“三多、三 难”导致中板生产的成材率、生产率及产品质量均受到一定影响。研究针对双机架 配置的中厚扳生产线，分折影响成材率、生产率及产品质量的成因，在此基础上通 过合理的坯料设计与剪切工艺以及科学的变形规程设计，提高中厚板生产的成材 率、生产率及产品质量。 变形规程设计是在一定的理论模型计算的基础上，结合现场生产实际，在保证 设备安全的前提下，以高成材率高尺寸藕度和高性能，快节奏为目的所进行的工 艺设计。众所周知，为保证钢板尺寸精度，减少成品板厚度余量( 即成品厚度和公 城厚度的差值) 需要在变形规程设计时，尽可能地提高轧制压力的预报水平，以 充分发挥轧机能力，提高轧机产量。 针对双机架中厚扳生产线的实际生产情况，通过科学的坯料设计和剪切工艺、 合理的变形规程设计，轧机负荷的研究，来达到进一步提高中厚板生产线的正品 率、生产率、成材率、尺寸精度和轧机的利用率本研究将为中厚板生产线带来显 著的经济与社会效益。 河北理工大学硕士学位论文 1 1 中厚板生产现状 1 文献综述 中厚板用途非常广泛，品种极为繁多。它广泛应用与造船、大直径输送管道、 锅炉、压力容器、桥梁及工具等部门。由于这些部门的迅速发展，使得中厚板的需 求量不断增加，目前世界中厚板的年产量约为9 0 0 0 万t ，占世界钢材总产量的1 3 8 左右 随着我国中厚板生产技术的迅速发展，三辊劳特式轧机已不适应目前的生产， 不适应用户提出的更高要求这种轧机的主要缺点是轧机尺寸小，生产钢板宽度太 窄，坯料单重轻，钢板尺寸偏差大，轧机刚度低，板形差，各种消耗及成本高，经 济效益不好而且升降台维修量大，需要较大的技术改造。我国现有轧机的能力和水 平远远满足不了产品性能和精度方面的要求，生产的中厚板，尺寸精度与国外有相 当的差距，我国大多数中厚板轧机无控制冷却手段，产品的冶金质量和物理性能只 能满足一些低档次的需要，高精尖和高附加值产品只占极小的比例，并且高压水除 鳞装置压力低、寿命短、设置的点数少，所以产品表面质量和外观与国外产品相距 甚远。 近年来，我国中厚板轧机在品种开发、轧机改造、研究新工艺和新技术以及使 用连铸坯等方面取得了较大的成绩，而且现有的轧机中现代化的大规格轧机少，装 备水平较低的小规格轧机多；中厚板轧机多宽厚板轧机少：低性能轧机多高性 能轧机少。所以目前我国中厚板的产量、品种和质量水平仍与发展需求差距较大。 增加我国中厚板的产量和品种，提高钢板质量仍是一项艰巨的任务。我国已基本淘 汰了落后的三辊劳特式轧机，形成了以四辊轧机为主的格周1 1 i 。到目前我国已拥有 中厚板轧机束看1 2 - 5 1 ，从轧机尺寸上来分，2 3 0 0 m m 一3 0 0 0 m m 占大多数，有2 0 套，约占，3 1 0 0 m m 一0 0 0 m m 有3 套，另外有4 3 0 0 m m 级3 套，即鞍钢 4 3 0 0 r a m ，浦钢4 2 0 0 3 5 0 0m m 及舞钢4 2 0 0 r a m 。从轧机形式上分：单机架有1 3 套，其中四辊式有1 0 套，三辊劳特式还有3 套i 双机架有1 3 套，其中二辊加四 辊式有6 套，三辊加四辊式有5 套、四辊加四辊式有2 套，即浦钢4 2 0 0 3 5 0 0 m m ，天津中板厂2 4 0 0 1 2 4 0 0 m m 。从轧机性能上看，经过多年的改造和新建工作， 采用了许多新技术，轧机刚度大大提高。如新建2 4 5 0 m m 3 0 0 0 m m 四辊式轧机刚 度都达5 0 0 0k n m m 以上，有1 6 套轧机配备了液压a g c ，有5 套实现了区域计 2 一 1 文献综述 算机控制，有5 条配备滚切式双边剪和滚切式定尺剪，有两座步进梁式加热炉，有 两座无氧化热处理辊底式炉，有4 台盘辊式冷冻和一台步进式冷床，有一台先进的 快冷装置，一套在线多通道超声波自动探伤装置。有一些厂已实现自动打印喷字操 作。另外，测压、测厚、测宽、测长测扳形、表面质量检查及测平直度等仪表都 在逐步完善中。但废边收集与取试样等操作仍处于人工繁重负担之中。 国内的各企业成材率逐年都有不同程度的提高，而且各企业提高成材率的程度 不均衡嘲。这与各企业的品种结构，产品厚度规格、设备状况、人员素质及管理水 平等有关，即影响中厚板成材率的因素是多方面的。故要提高成材率，不但要抓好 “负公差”轧制、板形控制和减少废品，合理的坯料设计也是提高成材率的重要措 施。 1 2 我国中厚板生产与国外的差距 我国中厚扳的产量近年来也有所提高，而且在全国钢材总产量中占有较大的比 重。正是由于中厚板生产量大，因此提高中厚板的成材率就显得尤其重要。我国中 厚板成材率过去直很低，随着国外先进设备的引进及原有老设备的更新改造，我 国的中厚板生产水平也在不断提高，中厚板成材率也随之逐年有所提高。总体来 看，我国中厚钢板生产水平与先进国家相比，技术相对比较落后。当前，国内大部 分中厚板厂还采用传统的轧制方法，致使平面形状不良，切头尾和切边量较大，成 材率仍在较低水平。 厚板生产具有多品种、小批量特点，多张成品子板组合在一块板坯上因受批量 及设备能力等条件限制，无法靠人工方式谋求最大板坯单重来进行子板( 尤其是不同 规格子扳) 的最佳组合，获得高成材率因此国外现代化厚板厂均采用计算机进行板 坯晟佳化设计：( 1 ) 按板坯和轧制尺寸确定命令成材率公式的各项计算机系统对控 制精度、质量实绩进行统计分析，开发了动态优化成材率公式各项技术。( 2 ) 以获得 单块板坯高成材率及以最大的板坯单重为日标。实现成品子扳的最佳组合( 3 ) 合理 编制连铸出钢炉数，尽可能减少余坯的发生量。( 4 ) 合理使用库内余坯。国内中厚板 厂仍普遍采用人工进行扳坯设计，不仅浪费大量人力，而且无法实现板坯最佳化设计， 造成原料库内余坯比例高，有些倍尺坯无法经二次切割后一次用完，增加资金积压，也 影响成材率。 合理的轧制规程是轧钢生产规范化、科学化的首要问题，也是轧钢工作者长期 研究探索的问题之_ 1 i - 9 1 由于该问题的复杂性，它与设备条件、轧件原始条件和目 3 一 河北理工大学硕士学位论文 标要求，加工过程中物理力学性能变化等因素直接相关，各因素之间也有相互作用 和影响，故古典的轧制规程制订主要是经验或能耗曲线分配方法。计算机应用于轧 钢过程分析、控制以来，压下规程的制订方法有很大发展。中厚板轧机的计算机控 制发展较晚，一方面是它的产量比热连轧机小；另一方面是它的复杂性，轧制节奏 快，品种规格多，多道次返复在一个轧机上轧制，温度等测量难且不准确，就压下 规程制订来讲比热连轧机要困难得多【“。 年代前，热轧机组负荷分配主要用人工设定的经验方法。随着电子计算机在 板带钢热轧机组中的引入。轧制规程的设定逐渐采用计算机进行设定。6 0 年代初， 日本今井一郎提出了能耗模型的简化公式；北京钢铁研究总院的张进之教授等人提 出了综合等储备负荷分配原理的轧制规程设计。7 0 年代末，粱国平摇出轧制负荷函 数方法。 从7 0 年代起中厚扳计算机控制才开始发展，当时主要是程序压下，给定几种 辊缝值表，由操作工选择，这样操作起来复杂，而对于快速多变的中厚板轧制。程 序压下的效果往往达不到人工压下水平，所以发展了中厚板轧制规程模型设定方 法。主要方法有1 1 7 i ：最大限度利用轧机能力方法；等比例凸度方法和联合控制板凸 度一平直度方法。上述三种方法中联合控制板凸度平直度方法晟好。国外主要有 德国西门子的a 、b 角设定法；日本永岛厚板厂的比例凸度修正法；瑞典、芬兰的 断面一形状矢量法等。我国创建的综合等储备函数法能实现最佳板凸度平直度控 制【”。在计算速度、使用的方便性等方面均优于国外的几种方法。它先在太钢八辊 可逆式冷轧机计算机控制系统上应用；其后在重钢五厂2 4 5 0 四辊中厚板轧机上应 用。同对开发了中厚板轧制影响系数法，实现了在一般工业p c 机上在线设定优化 轧制规程，并已在天津中板厂，上海浦钢2 3 5 0 中板轧机上成功地应用。 近几年来我国对中厚板轧机的技术改造给予了高度的重视。前几年我国一些中 厚板厂改造主轧机时欲引进国外二手设备，其优点是投产快，技术性能比现有轧机 较为先进。但是二手设备，届于国外淘汰设备，改造起来需要花费一些力量，而且 备件来源较困难。 1 3 金属再结晶行为的研究进展 对c - m n 钢的再结晶行为的研究，再结晶的研究最初主要是以提高中板的 组织性能为目的。近些年来，由于控轧控冷技术的发展及低温轧制工艺的实 施，再结晶软化不充分对轧制力能的影响越来越受到人们的关注。因此，对再 4 1 文献综述 结晶的定量化研究就成为修正轧制压力计算模型并准确预报轧制力能的重要依 据。再结晶的计算从与板带钢热轧有关的国外资辩中可以发现系统描述中厚 板、板带的描述。在应变速率达到1 0 0 s o 和其它热轧条件下，轧制过程中微观 组织的变化以及产生动态回复、动态再结晶、次动态再结晶和静态再结晶的机 理及与其相关参数的各种计算模型f 1 8 0 1 在文献中均有报道。 动态再结晶的发生需要一定的条件：当变形过程中应变值达到甚至超过临 界应变量c c 和z 因子( z e n e r h o l l o m o n 参数) 小于临界z 因子两个条件同时满 足时，动态再结晶才能发生。在温度范围为9 0 0 c - 1 1 0 0 c 。变形速度在l o s 1 试 验条件下对低碳钢圆柱体试样进行压缩变形，同时对其微观组织模型进行了研 究。二十世纪八十年代，s e l l a m 等首先完成了对c - m n 钢和合金钢及铁素体不锈钢 热轧板带生产过程中显微组织演变的定量描述曙4 ”：r r l 。他们在大量热模拟实验的基础 上，开创性地提出了一套比较全面的静态、动态再结晶的预测模型。s e l l e r s 提出了 除微合金钢的所有钢在热变形中有关动态再结晶的表达式和用a v r a m i 方程描述 的静态再结晶动力学i ，而且指出静态再结晶是大量位错相互抵消的过程。在 发生动态再结晶的临界应交e p 的表达式中，z e n e r - h o l l o m o n 参数的指数范围是 0 1 5 - - 0 1 7 5 ，这个数值随钢中碳的百分含量而变化 有的文献i 扫l 就典型平板轧制过程进行了探讨，其变形条件是平均应变为 0 1 0 4 ，应变速率为l s 4 2 0 s 4 和间隙时间为5 s l o o s 研究者作了大量的试 验，所用到的实验设备是具有大应变和较短间隙时间的轧机，并在此基础上并 提出了一些计算模型，所需要的一些数据足通过扭转实验获得的。在研究组织 方面除了已经发生变形的组织外发生静态再结晶是主要的组织变化过程。然 而，热轧中厚板厂，有可能产生很高的变形速率( 1 0 0 0s - 1 ) ，很短的间隙时问 ( l o s ) 和高的积累应变( 4 o ) 。在上述的工作条件下，使动态再结晶可能发 生。如果有真正的动态再结晶发生和随后的软化产生，则次动态再结晶也可能 发生。静态再结晶模型是建立在s a l l e r s 修改a v r a m i 方程的基础上，并给出了和 包含0 0 6o - 0 2 5 c ，0 3 一1 7 m n 的c m n 钢有关的一些常数，这些常数是 通过对不同范围的原始晶粒尺寸( 4 0 um 一1 5 0 u - m ) ，应变和温度的c m n 钢样 品进行扭转实验测得的 1 a 残留应变对金属变形抗力的影响 在中厚板的变形规程设计中，轧制压力计算是最基本也是最重要的部分。研究 - 5 河北理工大学硕士学位论文 各种轧制条件下轧制压力的分布规律和变形区金属的流动特性，是控制板厚和板形的 需要，它是热轧生产设备配置的基础，生产工艺优化的依据，产品开发的指导参数。目 前。利用显式动力学有限元方法对轧制压力分布、轧制力计算的研究已有很多，刘立忠 等对轧制过程中轧制压力双峰值进行了分析i “，谢红飙等分析了压下率、板宽对板带 轧制压力分布的影响，孙哲等分析了平辊轧制中轧制力和摩擦应力变化 3 0 l 。在模拟过 程中他们都没有考虑前一道次轧件变形对下一道次的影响。本研究中考虑了残留应 交和再结晶软化对变形抗力以及轧制压力的影响。 传统的变形抗力模型及有关计算公式几乎都是指一道次变形条件下钢的变形抗 力的大小，而在实际的多道次轧制过程中，尤其是控制轧制、低温轧制等新工艺的 开发与推广，“残留应变”的影响越来越受到广泛的关注。传统的力能预报模型给 出的结果其精度远远不能达到现代对钢材精度的要求。有人对低碳含铌钢的变形抗 力进行了测定m l ，并且进行理论上的研究与计算，将计算值和实测值加以比较后， 发现在9 0 0 ( 2 以上变形时，实测值与计算值有良好的一致性，说明在较高的奥氏体 温度区内道次变形抗力与前道次变形基本无关，而在9 0 0 以下变形时，随着变形 温度的降低，两者2 闻的差别愈趋明显，到7 5 0 c 附近时实测值己达到计算值的两 倍以上，这说明前道次变形引起的加工硬化在道次b j 隙时间之内没有完全的软化， 还有一部分残留下来，从而明显地影响到下面道次的变形抗力。 f i 圣辽 p 盯 十“1 - 7 ；砖毗 7 b 5 d ， _ ，一 型黑 一，7 j 一 - _ 一 一 一6 一 多 。蕊k 么 o - i i b 5 0 义 二壬一= 一7 5 0 # f 匡嚣ll 1 文献综述 道和第二道之间的软化率随着变形量的增大而变大，这主要是由于残留应变的存在 影响着下一道次的“实质应变”所致。 有关残留应变对变形抗力影响的计算。日本的斋藤研究了低碳s i m n 钢和含铌 钢在8 0 0 和9 0 0 时实质应变和变形后保温时间对残留应变率 的影响，但这不但 对多道次轧制来说远远不够而且对窄带热连轧的实际变形条件也相差甚远。残留 应变率2 不仅变形后保温时间有关，还与变形温度和变形量密切相关。当变形温度 降低、道次间隔时阃变短时，2 值呈现非线性单调上升。随着变形程度的增大， 值 先升后降，出现峰值旧。a 与这三种变形参数的关系用数学模型表示为： a - d o e x p ( - - a 2 t o ) e x p ( a 3 矗) ( 1 ) 式中： 艮一前一道次的变形温度，k ： f 嘶一前一道次与本道次问的间隔时间，s 。 对式( 1 ) 采用带阻尼的高斯、牛顿法进行非线性回归分柝得到x 的数学模型整理 如下： a - 0 8 0 8 x 1 0 4 e x p 0 0 5 9 t # 弦e x p ( - - o ) 一( 2 ) 式( 2 ) 回归分析中，相关系数g = o 9 1 9 ，均方根误差0 2 2 6 ，可见该模型的相关性 较差而计算偏差却较大。更重要的是该式没有给出回归时各参量的取值范围。所有 这些均说明该模型在使用方面还存在很多的不确定因素。 1 5 研究的主要内容 1 5 1 研究的目的和意义 钢板轧制是我国冶金工业最薄弱的环节，生产过程中遇到的各种理论问题急需 解决。虽然钢扳的生产能力己经不小，生产水平也在逐渐提高，但在市场竞争目益 激烈的现状下，为提高产品竞争力。应不断采用新的研究方法，提高产品质量、提 高成材率及生产效率、降低生产成本、增加产品的科技含量。然而，尽管国内板带 材生产厂家较多，但轧机利用率，小时产量都比较低，尤其对于中厚板租轧阶段设 各利用率不够，每块钢的轧制周期太长，从而导致产能低，能耗大的情况。由于设 备的潜力没有得到充分发挥，产量得不到提高，直接影响到企业的经济效益。在轧 钢生产中通过合理的坯料设计可提高中板生产的成材率，优化轧制规程可以实现优 质、高产、低能耗，特别是在中厚扳轧制过程中合理的确定压下规程和负荷分配， 0 7 河北理工大学硕士学位论文 减少轧制道次可以使轧制时问缩短，产量提高从而达到增产增效的目的。 本课题针对文丰双机架中厚板生产线的实际生产情况，利用程序试图通过 科学的坯料设计和剪切工艺、合理的变形规程设计、轧机负荷分析，来达到进一步 提高中板生产线的正品率、生产率、成材率以及提高轧机的利用率和产量。 1 5 2 研究的主要内容 本课题结合文丰中厚板厂的生产实际主要进行了以下几个方面的研究 1 分析影响成材率的各个因素，根据成品规格与用户要求来选择轧制方式，满 足压缩与展宽比两个条件再考虑烧损、切损、定尺寸计算原料重量和成品规格等因 素，然后按尺寸优先程序选择板坯。在现有设备条件不变条件下，从坯料设计入手 来提高成材率。 2 借助于v b 程序设计语言，结合现场实际生产，在保证设备安全的前提下， 设计合理的中厚板变形规程，缩短轧制周期，提高轧机产量。 3 研究中厚板的再结晶规律，借助于理论与实验的计算模型，通过计算机模 拟来研究中厚板热轧过程中各道次奥氏体的再结晶规律，将所得到的计算结果进行 实验验证，并在实际生产中通过力能预报进行验证和修正。在此基础上进而研究中 厚板热轧过程中的再结晶软化现象对轧制负荷的影响并对变形抗力模型进行修 正，以达至g 提高力能预报精度的目的。 - 8 - 2 热轧中厚板坯料没计的研究 2 热轧中厚板坯料设计的研究 坯料设计应根据成品规格与用户要求先选择轧制方式，满足压缩与展宽比两个 条件再考虑烧损、切损、厚差、取样、定尺寸计算原料重量，然后按尺寸优先程序 选择板坯。现有设备人员不变条件下，仅从坯料设计入手提高成材率。必须对工厂 现行坯料设计中以上参数进行在线测量，以判断其合理性及工人实际控制水平，有 无进一步修改的潜力，为坯料设计参数的修改提供事实依据。 众所周知，中厚板产品的成材率对经济效益的影响至关重要。例如，对一 个年产1 0 0 万t 的中厚板生产线若成材率提高l ，则每年可减少金属损失达一 万吨，可获3 0 0 0 万元以上的经济效益但因中厚板产品具有品种多、规格多、 订单杂的特点。据粗略统计，中厚板的产品规格多达数千万，故目前我国普遍 采用的人工方法来谋求铸坯单重与不同规格子板的最佳匹配，从而获得较高成 材率几乎是不可能的。鉴于此，国内外的专家学者对此给予高度重视目前国 外高水平中厚板的成材率可达9 4 以上，而我国仅为8 6 一8 9 ( 包括非定尺板及 非正品板妒”可见，针对繁多的成品规格，研究中厚板准确的坯料设计方法是 我国众多中板企业提高经济效益重要途径。本文以我国双祝檠中厚板生产线为目 标，以提高成材率、正品率为目的利用中厚板变形规程设计的基本原理 3 4 - - 3 6 1 ，研 究了坯料计算的数学模型及基本方法。通过计算机的模拟计算，不但能根据订单给 出任一成品规格所需的坯料断面及长度尺寸，还能给出下料的块数和剪切倍尺数。 2 1 中厚板坯料设计的生产条件 本文以邯郸文丰中扳厂的生产线为例。连铸坯一加热( 1 1 0 0 1 2 出铜) 一高压水 除鳞一2 8 0 0 m m 二辊轧机一3 0 0 0 m m 四辊轧机一热矫直一冷床冷却一表面检查修磨一 切头一切边一切定尺取样一检验台格成品入库 该厂使用炼钢厂的连铸坯，板坯在炉内确保加热均匀，上下温度差不得超过加 ，加热到1 1 0 0 1 2 5 0 c ，在通过除鳞箱时，由压力达2 0 m p a 的高压水喷除上 下表面的氧化铁皮，然后直接送至二辊租轧机，轧件在机前工作辊道上转钢9 0 。进 行宽展轧制，轧至成品的毛边宽度后在转9 0 6 进行延伸轧制阶段。 生产的品种主要有普碳系列、1 6 m u 系列、船板系列、低合金系列等数十个钢 种；产品规格：厚6 m m - 8 0 m m 、宽1 5 0 0 m m 2 7 0 0 m m 、长最大为1 8 0 0 0 0 m m ；坯料 为连铸坯，断面有：分别为厚：1 6 0 r a m 、2 0 0 r a m 、2 5 0 r a m ；宽度：1 2 0 0 r n m 、 9 河北理1 二大学硕士学位论文 1 6 0 0 m m 、1 8 0 0 m m ；长度：2 0 0 0 m m - 2 7 0 0 m m 。如何针对订单中任一品种规格进行 合理的坯料尺寸的设计，不但涉及加热能力、轧机能力、辊型、剪切、冷床等 设备条件，还与生产过程的展宽比、压缩比有关。双机架中厚板生产线的工艺布 置如图3 所示。 1 珈热炉；2 除鳞箱；3 二辊粗轧巩4 四辊持乳机；5 撕直争k6 冲床；7 翻扳机蛐壹台架；9 | 切头剪； 1 0 阿盘剪1 1 - 定尺剪；1 2 定k 由k 1 3 - 成品螃板弁： 田3 双机架中板生产线工艺布置示意田 f i 窖j s k e l e h m a p o f t e c h n i c s o f d o u b l er o l l e r 2 2 成材率的计算及其相关参数的确定 6 影响中厚板成材率的主要因素是钢板的平面形状。钢板平面形状不良造成 的损失包括切头尾与切边损失。中厚板在轧制过程中，由于没有外端的约束， 头尾部要发生不均匀塑性变形，使中厚板产生不赛的平面形状。 鼍 茬 t 口 1 a 箍直系散p 田4 展宽系数对成材率的影响 f i g | 4i n f l u e n c eo f s p r e a d i n gc o c f f i c i c n to ny i e l d 1 0 2 热轧中厚援坯搴晕没计的研究 展宽比也会影响平面形状，它决定了最终平面形状的形式。在展宽比小而 延伸比大的情况下，轧件前后端部呈凸形，而边部呈凹形；在展宽比大而延伸 比小的情况下，轧件前后端部呈凹形，而边部呈凸形。 展宽系数与成材率的关系如图4 所示p ”当展宽系数在1 4 附近时，由板 坯到成品的成材率最高，此时展宽后的板坯不均匀变形小，最接近长方形，因 而有较高的成材率。 为保证轧后的钢板能剪切成用户要求的规格尺寸，在板坯设计时，还需考 虑各方面的切损以及氧化铁皮损耗。故用于板坯设计的板坯的成材率r 计算 i ，8 】，可按下式： vi 成品板重量x b x l x n 板坯重量( 日+ a i - ) ( b + a b ) ( 工x n + a l + l ) + ( 1 一s ) ( 3 ) 式中： 日一成品钢板厚度，m m ： a h 一厚度余量，即成品厚度与公称厚度的差值，r a m ； 口一成品钢板宽度，m m l a b 一宽度余量即切边量，r a m ； 一成品钢板长度( 多倍尺轧制时，为累计长度) ，m m ： a l 一长度余量，即切头尾量，m m ； ”一试样长度，m m = 一轧制时的倍尺数： j 一氧化铁皮损耗事， 式( 3 ) 中，s 、a h 、a 口，a l 都是未知量。随着加热炉形式和燃料种类的不 同，氧化铁皮烧损量s 也不相同。a h 随着轧机装备水平和操作工人熟练程度的 不同，为简化计算也可将日看作为成品厚度，则a h 为零。缸则考虑头尾不均 匀变形带来的切损量。 2 3 坯 ! 设计中的限制条件 在进行坯科尺寸设计时必须考虑压缩比和展宽比这两个约束条件。这是保 证产品质量和提高成材率的需要。但在实际生产中很少有理想的板坯尺寸，坯 料不配套，为了设计的灵活方便，需要制定板坯的可轧厚度范围和板坯的可展 河北理工大学硕士学位论文 宽范围作为制约条件。 为了保证钢叛的成材率和合理剪切工艺。展宽比韵合理配置在坯料没计当中占 有很重要的地位。展宽轧制时，钢板展宽量的变化与展宽比之间的关系如图5 所 示。研究表明，展宽比的最佳值与生产企业的坯料尺寸和成品尺寸的组合有关，对 于文丰中厚扳厂而言，展宽轧制时，钢板展宽比在1 a 时。展宽变化量最小，终轧 后的钢板接近于矩形。小于1 4 时钢板中间里凹形，大于1 4 耐钢板中问呈鼓形，无 论哪种情况，在定尺剪切后都将导致切损增大。为了使轧后钢板成矩形，切边量最 小，通常在坯料设计时，展宽比为1 4 左右，只有使轧后钢板的形状接近于矩形， 切边及切头尾量才能最小，即得到最合理的定尺剪切工艺成材率也最高。但由于 受到坯料宽度、厚度、长度尺寸及生产条件的限制，展宽比往往不可能恰好是1 4 。 尤其是双定尺板为满足展宽比来寻求合适的铸坯尺寸十分困难鉴于此一般将 展宽比确定在某一可行范围，通常在1 o _ 1 8 之问，将此作为坯料设计的一个约束条 件，也是制约中厚板成材率提高的主要影响因素之一，显然这一范围越窄，成材率 就越高。 田5 展宽比与晨宽变化量问的关系( 来采用立辊轧边) f i g 5 c o n n e c t i o n o f e x p e n d i n g o f e x l e l r a t i o a n d e x c h a n g i n g ( n o ta p p l i c a t i o n o f s t a n d i n g t o n e 0 根据现场实际生产中的坯料的宽度和成品宽度允许的范围，为优化剪切工 艺，提高成材率，故本论文首选的展宽比为：在切边量为1 0 0 m m 的情况下，当 成品宽度为2 0 0 0 m m - 2 7 0 0 m m 时，选择坯料宽度为1 6 0 0 m m 。即此时的展宽比 为1 3 1 。1 7 6 ；当成品宽度为1 5 0 0 m m 2 0 0 0 r a m 时，选择坯料宽度为1 2 0 0 r a m ， 即此时的展宽比为1 - 3 3 1 7 5 。若满足以上展宽比所计算的坯料不能同时满足其 它限制条件，可将展宽比的值适当放宽。 在实际生产中加热炉宽度尺寸也是限制坯料设计的条件。如果得出的坯料 长度超过了加热炉宽度，即大于炉内的宽度或小于滑轨间距( 还要考虑两端的 一1 2 - t趸0v嘶掣制憾 2 热轧中厚板坯料设计的研究 余量) 。则该坯料的选择也是失败的。此外，由于租轧时常常采用展宽后纵轧 的工艺方式，故轧辊的长度也是限制坯料最大长度的条件之一 2 4 坯料设计的基本思路 中厚板的坯料设计是先根据成品规格，选择合适的定尺数，按照给定的切 边量、切头尾量规定求出原料的重量。再根据用户的要求选定轧制方式，最后 考虑制约条件，在保证产品质量和提高成材率的要求下，选出最优的坯料。 中厚板产品的坯料设计须满足多品种，小批量、多张成品“子扳”组合在 一块板坯上的特点。研究中充分考虑了加热炉、展宽比，压缩比、切损率和烧 损率等诸因素对成材率的综合影响，对各种用户订单中提到的几乎所有产品需 求，均尽可能采用“使多张成品钢板组合在一块板坯上的设计思路”为基本原 则，再考虑不同需求的变化情况，从而得到最终坯料尺寸 2 4 1 单定尺板坯料设计 单定尺板( 又称规格扳) ，即成品钢板在尺寸上除厚度以外，只对产品的 宽度进行定尺，而板的长度则在符合交货条件下尽可能的长些，以提高成材率 和经济效益。由于单定尺板的长度没有严格限制，可先估算出成品板的长度和 坯料尺寸，然后用该坯料尺寸验算是否能生产出所估计长度的成品钢板。故该 种钢板坯料设计思路是由坯料的尺寸、投入坯料的块数或成品钢板生产的计划 量、成品板的厚度、宽度和长度尺寸，来试算轧件的长度和成品钢板的长度， 以得到最佳的投入和产出对于须单定尺火切( 产品过厚，无法剪者) 的钢 板，由于成品钢板厚度过大，需采用火焰切割的方式切头尾余量，其成品长度 尺寸可以不进行输入。只输入其它参数即可按单倍尺计算出轧件的长度和成品 钢板的长度。其坯料尺寸的流程如图6 所示。 1 3 河北理工大学硕士学位论文 圈6 单定尺板坯料设计的流程田 f i g 6 c a l d u j l a t i n g f l o w c h a r lo f f b d d e s i g n o f s i n g l e f i x r u l e r p l a t e 2 4 2 双定尺板坯料设计 所谓双定只扳即在成品尺寸上不仅对成品板的厚度方向控制进行严格要 求，而且成品板的宽度和长度尺寸按照客户的需求严格地进行定尺剪切。 首先由辊道长度和成品长度计算倍尺数，利用倍尺数计算坯料总重然后 判断轧件长度是否大于辊道长度的限制，若轧件长度超过辊道长度，则倍尺数 减一重新计算坯料重量；若轧件长度小于辊道长度，则根据成品钢板的宽度确 定坯料的断面尺寸，首先选择厚度尺寸较大的2 5 0 m m x l 8 0 0 m m 规格的坯料，检 验该展宽比是否大于1 3 ，若展宽比大于等于1 3 ，则判断坯料长度是否满足加 热炉宽度的限制，若同时满足该条件，则可以输出坯料尺寸的计算结果，若坯 科长度不满足加热炉宽度的限制，则判断倍尺数的值，若倍尺数等于一，则输 出坯料试算失败的提示，否则当坯料长度大于2 7 0 0 r a m 时，倍尺数减一重新计 算坯料重量进行循环判断，坯料长度小于2 0 0 0 r a m 时，选择断面为 2 0 0 m m x l 6 0 0 m m 的坯料计算坯料长度，然后判断是否满足加热炉宽度的限制条 件若展宽比小于1 3 ，则选择断面为2 0 0 m m x l 6 0 0 m m 的坯料计算坯料长度， 然后判断是否满足加热炉宽度的限制条件，若此时满足该条件，则输出坯料试 算的结果；若坯料长度大于2 7 0 0 r a m ，则计算断而为2 5 0 m i n x l 8 0 0 m m 的坯料长 度，若坯料长度小于2 0 0 0 r a m ，则计算断面为1 6 0 m m x l 2 0 0 m m 的坯科长度，此 时