热轧平整机组平整工艺研究.doc

热轧平整机组平整工艺研究摘 要：介绍了攀钢热轧平整机组的产品定位、机组功能、辊型优化和平整模型建立，并进行了平整工艺对带钢力学性能影响的研究，认为：平整延伸率控制在1.2%2.0%较为适宜，平整后带钢上下屈服点波动范围减小，基本可以消除屈服伸长，抗拉强度略有增加，延伸率略有下降，幅度均不大。平整延伸率过小（0.8%），对带钢性能影响很小或根本没有影响，过大（3.0%）则出现了明显的加工硬化，很大程度上恶化了带钢的综合性能。关键词：热轧；平整；辊型；延伸率；平整模型热轧平整的目的是改善热轧产品结构，提高带钢板形质量，增强热轧产品的市场竞争能力。攀钢热轧平整机组于2003年建成投产，年平整和分卷能力为80万t，其中平整、分卷各占50%。机组采用了先进、适用的技术和装备，在常温下对热轧碳素钢及低合金钢卷进行平整，提高带钢表面质量和板形，改善力学性能，也可作为钢卷分切线使用。在平整机组建设调试、生产过程中，相应开展了平整工艺研究。经过几年的努力，热轧平整工艺研究经历了平整产品定位分析、机组选型；平整机功能完善；平整机组技术规程及操作规程编写；平整机组平整模型建立等阶段；进行了平整工艺对带钢性能的影响研究及平整机辊型优化研究。笔者对此进行了总结。1 平整机组产品定位及设备选型1.1 平整机组产品定位分析通过市场需求调查，结合热轧工艺、平整工艺发展的趋势，攀钢平整机组产品定位除了扩大薄规格产品产量外，还需大力发展汽车车轮钢、集装箱用耐候钢、热轧酸洗板等高附加值产品。结合热轧线实际情况及分卷需要，平整机组成品参数确定为：钢 种：碳钢、低合金钢等；带钢抗拉强度：Rm650 MPa；带钢屈服强度：ReL500 MPa；平整带钢厚度：1.56.35 mm；分卷带钢厚度：1.512.0 mm；钢卷重量：723 t ；钢卷放置方式：卧式或立式。1.2 平整机组生产工艺流程确定及主要设备选型热轧平整机组在具备基本的功能外，还力求轧制线短，工序少，既降低出现产品质量缺陷的概率，又减少操作人员数量。攀钢平整线开卷机到卷取机卷筒中心线只有18 m，达到了轧制线短的要求。同时为了提高生产作业率及方便钢带表面质量检查，在入口1、2步进梁之间增设钢卷准备站，将带钢头部不规则部分切除，在横切剪后设钢卷表面检查位置，进行带钢表面质量检查。平整机组设备选型在满足工艺要求，产品质量达到国内先进水平的基础上，力求投资省，装备水平较高，便于维护。因此，机组速度选择了三档速度范围，达到速度与张力的最佳匹配；平整机选择四辊液压平整机，带弯辊及液压压下系统；卷取机选择四斜楔液压胀缩式卷取机，便于快速更换舌板，且卸卷容易，卷形保证能力高。2 平整机组功能设置及完善2.1 步进梁钢卷宽度对中功能由于钢卷上料时不能完全对中，相对于放置标记有误差，地辊站剪刃长度有限，为保证带钢头部顺利切除，钢卷位置误差可借助位移传感器和光电管组成的调整装置来补偿。2.2 开卷机钢卷宽度自动对中功能（CPC功能）平整线开卷机设有钢卷宽度自动控制功能，防止钢卷在开卷过程中跑偏，钢卷宽度自动对中功能分检测部分和控制部分。即开卷机出口带钢运行下部安装高频光源，上部安装高频光接受装置，高频光源发射出平行光，接受装置通过接受光的情况来判断带钢的宽度及位置。开卷机卷筒悬臂轴和传动减速齿轮轴用滚动轴承安装在活动机架中，整个机架可沿卷筒轴线方向在开卷机底座上进行滑动。生产时，根据检测的带钢位置，活动机架由带钢对中控制装置操纵机架移动油缸动作，以对正和调整带钢在机组宽度方向上的位置，保证带钢对中。CPC功能调节范围为150 mm。2.3 卷取张力控制平整分卷机组在生产过程中，无论是平整或是重卷，均要求保持稳定的带钢张力，使带钢卷取紧密、抑制塔形，同时，使带钢运行平稳，为平整机的轧制力控制、延伸率控制等提供基础。卷取机的张力控制方式可分为闭环张力控制和开环张力控制两大类。开环张力控制具有张力平稳、控制灵活的优点，攀钢热轧平整机组采用开环方式进行张力控制，通过控制张力设备（开卷机、卷取机等）电机转矩的方式实现。基本理论公式为：T = 式中， T 为带钢张力；M为电机转矩；i为减速机的减速比；D为钢卷直径。根据当前的钢卷直径，调节电机输出转矩，即可控制带钢张力。2.4 平整机位置控制（GAP）平整机在穿带、甩尾、停车及分卷作业时，为防止轧辊的碰撞，液压压下系统处于辊缝控制方式。辊缝控制通过位置闭环控制实现，位置反馈来自安装在压下液压缸上的位置传感器。2.5 平整机恒压力控制恒压力控制可消除轧辊偏心的影响，提高产品的平直度，并且对带钢的表面光洁度和带钢的机械性能也有一定的改善。恒压力控制为闭环控制，压力反馈来自液压压下系统的压力传感器。通过闭环控制，对液压缸内的压力进行调节，以达到控制的目的。2.6 平整机液压弯辊控制在平整机上，工作辊和支承辊之间安装有弯辊缸，正、负弯辊缸均采用比例阀控制其弯辊力的大小，每个比例阀都带一个压力传感器，以形成正、负弯辊力的闭环控制。弯辊力控制可改善平整带钢板形以及补偿由于轧制力变化而引起的有载辊缝变化。2.7 平整机延伸率控制延伸率定义为平整后的带钢长度与平整前的带钢长度之差与平整前的带钢长度之比。改变带钢的延伸率，可采用控制张力和控制轧制力两种基本方式。前者适用于一定厚度以下的薄带钢，带钢越薄，张力调节延伸率的控制效果越好；后者则适用于处理较厚的带钢。2.8 卷取机带钢边部控制功能（EPC功能）卷取机钢卷边部控制功能也称EPC，主要目的是防止钢卷在卷取过程中产生塔形，EPC分检测部分和控制部分。带钢宽度方向位置检测装置是在卷取机入口带钢运行下部安装高频光源，带钢运行上部安装高频光接受装置，高频光源发射出平行光，接受装置通过接受光的情况来判断带钢的宽度及位置。卷取机卷筒悬臂轴和传动减速齿轮轴用滚动轴承安装在活动机架中，整个机架可沿卷筒轴线方向在开卷机底座上进行滑动。生产时，根据检测的带钢位置，活动机架由带钢对中控制装置操纵机架移动油缸动作，以对正和调整带钢在机组宽度方向上的位置，保证带钢对中。通过检测装置检测钢带实时位置与初始位置比较来控制卷取机轴向浮动，保证钢卷卷形整齐。投入EPC功能后钢卷塔形可控制在15 mm以内。3 平整机辊型研究3.1 平整辊辊型主要影响因素3.1.1 轧辊热膨胀对辊缝形状的影响在平整过程中，因变形、摩擦和高温带钢产生的热量都会使轧辊中部温度升高，而轧辊两端温度较低，导致轧辊产生热凸度Dt。轧辊热凸度可按公式计算：式中 t轧辊辊身中部和边部表面温度差， oC； D 轧辊辊身直径，mm；a 热膨胀系数，对于钢轧辊，a=0.000013； m考虑轧辊心部与表面温度不均匀的系数，可取m=0.9 。实际生产中，来料温度大致分为两个区间，一是室温60oC ， 二是60120 oC。在两温度区间内分别平整10卷带钢实测轧辊温度见表1。轧辊直径取极大值(520 mm)和极小值(470 mm),代入公式可得Dt,见表2。表1 平整辊实测温度来料温度/ oC轧制卷数/卷轧辊中部平均温度/oC轧辊边部平均温度/oCt/oC室温60102825360120 10403010表2 平整辊热凸度辊身表面温度差t/ oC轧辊直径/mm热膨胀系数a不均匀系数m热凸度D/mm34700.0000130.90.0164975200.01825210 4700.0000130.90.054995200.06084由表2可见，当轧辊初始辊型为平辊，轧辊温升达到一定温度时，辊型就由平辊变成了凸辊，辊凸度1660 m不等。此时若不考虑轧制力和弯辊力作用的轧辊弯曲挠度，则辊缝形状为中部小于两端，平整后的带钢将产生中间浪。3.1.2 轧辊的磨损对辊缝形状的影响工作辊与轧件以及工作辊与支承辊的相互摩擦均会使轧辊产生磨损。影响轧辊磨损的因素较多，主要有轧制压力的大小及分布、轧制速度、轧辊表面硬度、带钢表面氧化铁皮、支撑辊与工作辊的接触状况等。因为轧辊磨损较复杂，建立模型计算磨损量难度较大，但可以实测下机轧辊辊径计算磨损量，通过改变轧辊接触状况来改善轧辊的磨损。就攀钢热轧平整机工作辊下机辊型磨损曲线看，辊身中部约500600 mm，磨损较均匀，两端距端部约300 mm处，呈沟痕状磨损，且磨损深度大于中部约3040m（见图1）。此时辊缝呈“”形，这就是工作辊使用到末期增加轧制力，负弯辊力调整到最大，也无法消除中间浪的原因所在，同时造成支撑辊啃肩掉肉。0.01620.00810.000000731462202933664395125866597328058789521025109811711244131813911464-0.008-0.016-0.024-0.032-0.040-0.048-0.056-0.064-0.072-0.0810.0243图1 轧辊下机后的磨损曲线3.2 平整机辊型优化曲线由于平整机的延伸率较小，一般情况下为0.3% 3%，因此需要一个不同的轧制压力模型去描述平整轧制过程。建立模型时不但要考虑轧辊的弹性变形，而且要考虑轧件的弹性变形。具体说，即在计算过程中不仅考虑轧辊弹性压扁的塑性变形区长度，而且要考虑轧件出入口弹性变形区长度，并计算与之对应的塑性变形区单位压力及弹性变形区单位压力，从而建立适合于平整机轧制的较准确的轧制压力模型。同时，由于被平整带钢的原始凸度大小分布波动范围比较大，优化过程中必须同时考虑到小凸度和大凸度、宽料与窄料、厚料与薄料等情况，建立相关辊型优化模型。根据优化结果，工作辊采用如图2所示辊型曲线：yxOLD图2 工作辊辊型曲线示意辊型曲线方程写成：支撑辊采用如图3所示辊型即可满足要求：yxDlz支承辊辊身长；支承辊直径；，辊型优化后支承辊削肩长度与深度图3 支承辊辊型曲线示意辊型曲线方程可以写成：0.0600.0400.0200.0000070140210280350420490560630700770840910980105011201190126013301400-0.020-0.040-0.060-0.080-0.100-0.120-0.140-0.160-0.180-0.200 3.3 平整辊辊型优化运用及效果通过试验分析，影响板形的主要原因是工作辊及支撑辊的不均匀磨损，造成不均匀磨损的原因是应力集中，为此运用辊型曲线方程对支撑辊的两端进行了长150 mm、高0.20 mm的倒角（见图4），防止轧制过程中因应力集中造成支承辊的边裂、边部掉肉缺陷及工作辊的不均匀磨损。一般情况下，常轧规格带钢边部接触处工作辊磨损最严重。攀钢热轧平整机工作辊辊型优化经历了三个阶段：最初工作辊采用-0.05 mm的余弦曲线辊型(见图5)，在实际生产中由于原料板凸度较大和轧辊温升较高，轧辊热凸度较大，同时弯辊调整范围较小，带钢平整后出现中浪。在原料有横折缺陷时，为了保证带钢表面质量良好，平整过程中需用较大的轧制力和弯辊力，这样轧辊的磨损愈发严重，磨损也更不均匀，影响了轧辊的使用周期。同时弯辊调整范围小（0 -490 kN），工作辊使用周期短，带钢轧制长度只有28 km。 采用-0.07 mm的余弦曲线辊型后，弯辊调整范围有所提高，达到+25 -490 kN；工作辊使用周期延长，带钢轧制长度达到49 km。但是工作辊不均匀磨损仍然存在，使用周期仍然达不到要求。为此，进一步加大工作辊负凸度，采用凸度-0.13 mm辊型曲线，在使用过程中弯辊的调节范围大大提高，达到+490-490 kN；带钢轧制长度提高到79 km左右，达到设计的使用周期。同时轧辊磨损均匀（见图6），降低了轧辊消耗，轧辊消耗量由优化前的0.00275 mm/km减少到0.0008 mm/km。图4 支撑辊倒角曲线0.04870.04390.03900.03410.02920.02440.01950.01460.00970.00490.000000761512263023784535286046807558309069821057113212081284135914341510-0.004-0.009-0.014-0.019-0.024-0.029-0.034-0.039-0.043-0.048图5 -0.05 mm的余弦辊型曲线0.01760.01170.00590.000000761512263023784535286046807558309069821057113212081284135914341510-0.005-0.011-0.017-0.023-0.029-0.035-0.041-0.046-0.052-0.058图6 优化辊型使用后磨损曲线4 平整工艺对带钢性能影响研究为明确平整工艺对带钢组织性能和使用的影响，进行了相关试验研究。根据热轧平整机组产品大纲要求，重点考虑的钢种有：低碳铝镇静钢、普通碳素钢、汽车车轮钢、焊接气瓶用钢、集装箱用钢以及部分低合金高强度钢；平整带钢厚度为：1.56.35 mm；最大延伸率为：4%。将机加工后的标准试样进行拉伸试验，测试其上屈服点Reh、下屈服点ReL、抗拉强度RM、延伸率A，并计算平整前后的屈服点差值、抗拉强度和延伸率的变化情况，具体结果见表3。表3 力学性能检验结果钢质规格/mm延伸率/%RehReLReLRmRmAA屈服平台STW221.5*10500387352-2417+531-2略有减小未消除1.0388350422292.0*10000325300+25380+2044.5-7.5消除4.3532532540037.0Q235B2.0*10000392360-22483+531-4消除1.8340338488272.5*11200382347-9473+939-6消除1.232833848233HP2953.0*11550377355-13485+5340未变化0.834034249034P380CL2.9*12500368338+2449+4370未变化0.636734045337P510L5.0*10500405380+65505+1531.5-4.5消除3.444544552027.0注：表中延伸率为0是指未平整。由表3可见，带钢平整后性能变化主要表现为以下几个特点：(1)当延伸率小于0.8%时，平整工艺对带钢性能的影响很小，或者说没有影响。带钢平整后，上下屈服点波动范围较大，屈服平台仍然存在，延伸率没有变化。(2)当延伸率控制在0.8%1.2%时，平整工艺对带钢性能有一定的影响。带钢平整后，上下屈服点波动范围仍然较大，但屈服点伸长减小，带钢的抗拉强度略有增加，延伸率略有降低，幅度均不大。(3)当试样的延伸率控制在1.2%2.0%之间，带钢力学性能得到了改善。带钢平整后，上下屈服点波动范围减小，基本可以消除屈服点伸长，带钢的抗拉强度略有增加，延伸率略有降低，幅度均不大。(4)当延伸率大于3.0%时，完全可以消除屈服点伸长。但带钢出现了明显的加工硬化现象，抗拉强度有较大幅度的增加，延伸率有较大降低，很大程度上恶化了带钢的综合性能。（5）平整后抗拉强度均有所升高；延伸率均有所降低；延伸率小于2.0时屈服强度有所降低，延伸率大于3.0时屈服强度升高。5 平整模型研究5.1 平整规程研究为建立平整模型，提高带钢平整质量，需要对平整的各规格制订平整规程。通过平整机调试及长时间的生产，在支撑辊、工作辊各个时期的不同规格形成了相对固定的平整工艺参数。经过长期的摸索总结，制订了支