热轧高强钢板形控制技术开发_带钢板形控制技术
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热轧高强钢板形控制技术开发
东北大学 2011年4月6日
热轧高强钢板形控制技术开发
一、影响热轧带钢轧后板形的因素分析及改进的技术措施
热轧带钢的厚度精度、板形精度和表面质量是衡量其产品质量的重要指标，其质量好坏对下游工序的产品质量和生产工程的进行具有十分重要的影响，因而得到热轧带钢生产企业及其用户的高度关注。在轧制技术高速发展的今天，厚度控制已经达到了很高的水平，而板形控制技术仍待进一步提高，特别是高强钢板带的板形控制问题亟待解决。由于影响热轧带钢板形的因素很多，且很多因素是不确定的和不可测量的，导致板形控制是个困扰生产的持续难题，而且将一直伴随企业产能增加、品种拓展、技术进步的整个过程。为此，需要现场技术人员对板形问题具有一定的分析能力、解决能力，为企业可持续性发展做好技术贮备。
关于变形不均匀引起的板形问题，已经进行了大量的研究，并开发了各种板形控制手段，实际应用已经取得明显的效果。近年来，控制冷却技术广泛应用，冷却温度向低温区发展，冷却速率提高，不同组织结构的高强钢应运而生。控制冷却技术受到了人们越来越多的重视。与此同时，由于冷却不均带来的板形问题，对板带钢质量产生了很大的负面影响，对高强钢的生产和应用影响更大，已经受到广泛关注。例如汽车制造使用的大梁板，由于冷却不均带来潜在板形缺陷，虽然表面上看起来轧后带钢平直，但是用户分割切条之后却发生翘曲，以至于影响用户的使用。这一问题在国内各个热轧带钢厂均有不同程度的反映。在X70以上级别管线钢等高强钢种开发中，也常常由于高冷却速率带来的板形问题而影响这些产品的开发和生产。可以说，高冷却速率情况下的板形控制,已经成为利用TMCP技术进行高强钢开发的瓶颈问题。
大量研究表明，轧后轧制过程中板带材边部和中间部分的冷却条件有一定的差异，冷却速度不同。通常边部比中间部分温度低，温度差值可以达到60~80℃。当由这样一个温度分布冷却到室温时，边部和中间部分会产生不同的冷却收缩量，边部收缩量较小，而中心部分收缩量较大。如果钢板冷却之前是平直的，则冷却到室温后，会产生一定的边部浪形(或潜在边部浪形)，有时可以造成1%以上的翘曲度。
板带材冷却过程中，在厚度方向上会有一个温度分布。冷却过程中，上下表面冷却速度较高,温度较低;心部冷却速度较低,温度较高。从表面到中心的温度梯度与边界条件及材料的热传导特性有关。从板形的角度考虑，希望维持上、下表面到心部的温度分布以板带钢厚度中心线为对称线互相对称。这样可以防止板带材发生翘曲。实际上，带钢上、下表面的冷却条件不同。上表面积水的排出需要一定的时间，积水和钢板的热交换又与沸腾状态有关；下表面水喷射到钢板表面后会离开钢板而散落下来。因此，为了达到相同的冷却效果，往往需要在钢板的下表面采用更大的冷却水量。也就是说，上下表面的冷却水量需要按照钢板厚度以及冷却条件，调节其比例，以维持上下两部分冷却的对称性。上下表面冷却水比例是控制钢板平直度的十分重要的参数。
控制板带材板形的冷却技术 生产操作技术—微中浪控制技术
如前所述，轧后平直的带钢经过层流冷却至室温后，将可能发生双边浪。这一问题在我国几个重要的薄带生产厂均发生过。为了解决这一问题，采用了所谓的微中浪轧制技术，即在精轧机的出口处，通过板形控制机构的调整作用，使带钢发生一定程度的微中浪。也就是说，使带钢中间部分发生一定程度的过延伸，过延伸的量应能够恰好补偿由于温差造成的边部与中间部分的长度差。
为了能够对发生的边浪进行适度的补偿，以保证冷却后带钢平直，对轧机设定模型(FSU)和板形控制模型(ASC)应当进行改进，充分考虑边部与中间部分的温差造成的双边浪，在精轧机实现微中浪轧制，以抵消温差造成的双边浪。几个板带厂实行此种技术后，带钢成品板形质量得到明显改善。
超快速冷却技术
近几年超快速冷却(UFC-Ultra-Fast Cool-ing)技术的开发及应用，大大推动了超细晶钢、先进高强钢(AHSS)的开发进程。比利时科克利尔厂采用CRM开发的轧后超快速冷却装臵，开发了一种细晶粒高强度汽车用复相钢板，屈服强度450 MPa、抗拉强度650~800 MPa。
边部温度控制技术
如前所述，带钢出精轧机之后横向温度分布不均，造成带钢的双边浪缺陷。如果对带钢的边部温度能够进行控制，保证边部和中间部分温度一致，则可以较好地提高带钢的板形质量，同时又可以保证横向组织和性能的均一性。为此，对板带材广泛采用了边部温度控制技术。例如，边部加热技术和边部冷却水遮蔽技术。
所谓边部加热技术，是利用感应加热方式，对处于粗轧机和精轧机之间的中间料实施边部补热，使进入精轧机组之前的中间料横向温度均匀。对硅钢等产品,边部加热对防止边部裂纹具有重要的作用。我国宝钢1580热连轧机、马钢新近引进的2250热连轧机也引进了这项技术。
边部遮蔽技术是在层流冷却系统设臵挡水装臵，通过对钢板边部一定范围进行遮蔽，使精轧机组轧出的带钢横向温度均匀分布。这项技术对宽幅的中厚板和热轧带钢具有重要作用。
平坦度闭环控制系统
热连轧带钢平坦度闭环控制系统包括目标平坦度的设定、平坦度的测量、平坦度缺陷的模式识别以及平坦度控制执行机构的调整。
在平坦度闭环控制系统中，一项很重要的工作是制定目标平坦度曲线。所谓目标平坦度曲线即平坦度控制系统调节带钢平坦度所要达到的目标。目标平坦度曲线是平坦度在线控制的标准，通过目标平坦度曲线与实测平坦度的偏差确定平坦度控制各执行机构的控制量。目标平坦度曲线在理论上应是一条直线，但实际控制时，由于带钢精轧后横向散热条件不同，其横向温度分布不均匀，导致沿横向出现不均匀的热延伸，如果不能对此进行修正，尽管平坦度控制系统将平坦度偏差调整到零，仍然不能获得良好平坦度的带钢。因此，目标平坦度设定应考虑对带钢精轧后横向温度分布不均的温度补偿。
平坦度仪通常安装在精轧机组出口处，对带钢平坦度进行测量。平坦度信号的模式识别是整个平坦度控制系统中最关键的一环，必须建立一个能准确反映当前所轧制带钢平坦度状况的平坦度缺陷识别模型。平坦度控制系统通过工作辊的倾斜，构成楔形辊缝，从而控制非对称的平坦度缺陷；通过调整弯辊力改变辊缝的凸度，实现对称平坦度缺陷的控制。
通过对不同规格的带钢横向温度的跟踪测量所获得的数据进行分析可知，从精轧末机架经由层流冷却到卷取机入口的过程中，由中部到边部的温度差最高可达60~80℃。因此，带钢在精轧后温度阶梯效应很大，一定要对精轧出口板形平坦度控制目标进行温度补偿，以使带钢获得良好的平坦度。
平坦度控制目标设定的温差补偿模型
在平坦度闭环反馈控制系统中，通过设定的控制目标与平坦度实测信号的偏差确定执行机构的调节动作方向和调节量，使得平坦度评价函数J达到最小，从而完成平坦度控制过程，其中，评价函数J为: Jf()
tm(l)式中，t为设定的平坦度值，m为平坦度仪实测的平坦度值。
对于热轧带钢，离开精轧末机架后，由于横向散热条件不同，其横向温度分布不均匀，通常中间温度高，两边温度低。由于不同的温度将引起不同的热膨胀，即不同的热伸长。所以轧后带钢横向各点的纵向延伸必然不同，从而产生附加温差平坦度信号。
。这里 这些附加信号的存在使得平坦度的实际测量值由m转化为mm（2）m因为横向温差的存在(中间高，两边低)，对己经平直的带钢而言，其平坦度检测信号将表征为中间松弛，两边拉紧的板形缺陷；相反，对平坦度检测信号表征为平直的热轧带钢，当其冷却至室温时，其真实平坦度将呈现为中间拉紧，两边松弛的板形缺陷。为避免带钢平坦度测控过程中上述假象的存在，对带钢横向温差所致的附加平坦度干扰信号必须在平坦度闭环控制过程中予以补偿。
一般而言，在平坦度测量系统中进行补偿比较困难，能够实施的补偿形状较为单一，且不易调整，而通过控制目标设定模型进行补偿可与附加温差平坦度干扰信号相吻合，且调整灵活，所以对附加温差平坦度干扰信号的补偿度放在平坦度控制目标中进行，即
*在原设定的目标平坦度的基础上加上对附加温差平坦度T的补偿量T，将式(2)代入式(l)，此时: *tmTT（3）
热轧层流冷却的目的是通过适度调整和控制温度以调整和控制带钢的温度场、显微组织场和应力(应变)场，使得带钢获得所需要的显微组织、力学性能和较小的残余应力及残余形变。层流冷却过程中存在温度—相变—内应力三者耦合的关系。
研究表明，在相变之前应力主要受温度分布影响，尤其是在带钢进入水冷区后，由于上表面直接受到冷却水的冲击，温度迅速下降，从而使上表面温度低于中心面的温度，热胀冷缩的作用使得带钢宽度方向中部上表面受拉应力，而带钢边部受压应力。但是在奥氏体向铁素体的相变开始后，相变过程中有相变潜热的释放以及发生相变膨胀，导致相变应力的产生。在相变和冷却的相互作用下，残余应力变化趋势和热应力变化趋势不同。由于带钢上表面的温度一直低于中心面的温度，此时上表面首先发生相变，这样就使得在相变过程中上表面先发生膨胀。层流冷却结束时，带钢边部上表面残余应力为压应力（可达-187 MPa），而只考虑热应力时其压应力仅仅可达-42 MPa，前者在数值上是后者的4.5倍；带钢中部上表面残余应力为+18 MPa的拉应力，而热应力仅仅为-2.9 MPa的压应力。由此可见，带钢在冷却过程中由于温度和相变的耦合作用导致产生很大的残余应力，甚至改变应力状态。
带钢宽度方向温差、整体厚度方向温度梯度、带钢头尾厚度方向温度差与长度方向上的温差造成带钢呈现边浪和弓形等不同形式的板形缺陷。研究表明，在整个冷却过程中，带钢上表面和中心面的应力变化规律不同，但在水冷结束以后，上表面和中心面的残余应力值逐渐趋于一致。
带钢从精轧机出口到水冷开始时刻(2.11 s)为空冷阶段，此时带钢仍处于奥氏体区，没有相变发生。但由于带钢边部和中部初始温差的存在，沿带钢宽度各点轧向应力不同，边部局部区域呈现微小的压应力状态，中部为拉应力，轧向应力的数值不超过15 MPa。当带钢进入水冷区时，由于受到冷却水的冲击，带钢冷却速率达到一个极大值，带钢上表面温度迅速下降，上表面快速收缩，厚度方向的中心面温度随后降低，厚度中心面的温度大于上表面的温度。而且随着温度的降低，奥氏体向铁素体相变开始，相变的过程会释放一定的相变潜热，并且相变过程还将发生体积膨胀。水冷使得带钢温度快速下降时，带钢边部上表面首先发生相变，但由于刚开始相变时相转变量少，其带来的体积膨胀和释放的相变潜热抵消不了水冷带来的体积收缩量，因此此时带钢边部和中部的上表面都为拉应力状态，其数值在50 MPa左右。
随着边部相变量的增加，带钢边部逐渐进入压应力状态。随着温度的进一步降低，带钢中部也发生铁素体相变，中部的拉应力也逐渐下降。当边部铁素体相变速率达到最大值时(7.18 s时)，其轧向压应力达到最大值-191 MPa，此时带钢中部也进入了压应力状态。而后中部相变速率增加，边部的相变速率减小，当中部相变速率达到最大值时，中部的压应力也达到最大值-10 MPa。随后边部和中部的相变速率都逐渐减小。
当边部与中部的铁素体转变量之差达到最大值以后，随着转变量之差的减小，中部的逐渐转向拉应力状态，并趋于稳定。边部的压应力先减小后增大，这主要是因为边部铁素体转变完成以后，将发生珠光体转变，而中部此时还没有发生珠光体转变，中部和边部的珠光体转变量之差逐渐增加，因此边部的压应力又逐渐增加。最终，层流冷却结束时，带钢边部为-187 MPa的压应力，中部为+18 MPa的拉应力。带钢边部受压、中部受拉的应力分布形式。
轧后带钢的初始温度分布不均匀，在带钢边部有一温度降，随着冷却进行，这种温度降一直存在。这种非均匀的温度分布是造成带钢内部相变不均的主要内因。相变行为的主导因素为温度和冷却速率，带钢横向温度分布的不均导致相变行为在带钢横向存在着差异。由于带钢边部存在温降，相变行为首先在带钢边部发生。相变产生的体积膨胀和相变的不同时性，以及相转变量的差异，最终会导致带钢板形朝着边浪的方向变化。
因此，在层流冷却设备和工艺参数不变的条件下，为克服热轧带钢冷却过程可能产生的板形边浪趋势，在轧制过程中，控制精轧出口带钢板形为带一定程度的中浪，保证最终板形平直。
二、梅钢开展热轧高强钢板形控制技术开发的立项必要性
1）随着梅钢产品结构的调整，高强钢的比例逐年上升，产品的性能也趋于稳定，但用户时常提出翘曲的质量抱怨，翘曲包括带钢宽向(C翘)与长度方向(L翘)，在生产时通过板形仪或肉眼都难以观察，待用户使用时即冷卷打开后便会出现上述问题。因市场要求，目前曲服强度>500MPa的B600高强钢也正在开发之中，随着强度的提高会随之带来一些列问题，如板形问题、厚度精度问题、产品的性能问题、表面质量及卷形问题等等，而板形问题会是最为突出问题；
2）随着梅钢高强板酸洗线2011年的投产，对高强薄规格的大量需求，就会碰到高强钢的板形及相关质量问题，因此有必要对高强钢的板形缺陷提前进行研究；
3)梅钢1780mm生产线将于2012年4月份投产，作为一条定位为高水平的热连轧生产线，1780mm将成为梅钢新的增长点和生命线。随着现代工业的发展，下游用户对热轧带钢的产品质量提出了越来越高的要求，市场激烈竞争的现实进一步加剧了产品质量的竞争。为新线(1780产线)生产更高强度高强板(大于700MPa)作技术贮备。
项目目标或达到的技术水平
由于高强钢大部分用于汽车结构件，有的将来用于酸轧后镀锌及镀铝锌，带钢厚度较薄，因此对产品的各项指标要求都极高。通过该项目的研究，针对新线产品大纲的80%的强度范围 500MPa
1）提高高强钢在后道工序的成形性，避免冲压时发生翘曲(C翘与L翘)现象，特别是满足对冷轧酸洗板直接出厂的板形及其它质量要求；
2)降低薄规格生产时的浪形缺陷； 3）提高高强钢生产时的成材率。
三、主要研究内容
1)高强钢在热轧不同工艺控制温度下的材料特性与变形机理的研究 2)针对高强钢在模型中采取相对应的控制策略 3)针对高强钢穿带稳定采用特定的生产工艺 4)优化精轧辊型以满足高强钢生产的需要 5)轧后控制冷却过程中的温度场分析； 6)不同钢种冷却过程中的内应力分析；
7)对高强钢的翘曲原因进行分析与采取相应措施。
四、合作方介绍
东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室是我国轧制领域唯一的国家重点实验室，长期从事轧制技术及过程控制方面的科研开发及工程应用研究，取得了丰富的研究成果。在板形控制研究方面具有多年的工作积累，与宝钢、梅钢等钢铁企业有长期的合作历史。所承担的梅钢项目“F4~F6CVC辊型曲线模型开发”2006年结题，开发了CVC辊型曲线设定软件，并投入实际应用，有效地提高了板形和板凸度质量，每年可为梅钢创造经济效益800多万元。
在辊系弹性变形研究、轧辊热凸度计算、轧辊磨损研究以及有限元在轧制中的应用方面东北大学均有很好的研究基础。已经完成了以“提高本钢1700mm热轧带钢板形精度的研究”“宝钢2050mm热轧机板形控制系统引进消化和新功能开发”、“宝钢1580mm、热连轧机组过程机软件消化”及上海梅山热轧厂“1442热连轧机组过程机软件消化”等研究课题为代表的板形控制方面的课题。同时在板形预设定和回馈控制方面也已经取得了一定的研究成果。
东北大学经过长期理论研究与实际生产经验总结，开发出了具有稳定性强、控制精度高、通用性好的冷轧板形控制系统，在实际冷轧生产应用中，取得了良好的板形控制效果。在实际生产中，带钢板形质量在控制在7I之内，板形控制效果达到了国际先进水平。研制出的一系列具有自主知识产权的控制模型和关键控制技术。
所开发出的板形控制系统具有以下突出优点：
可实现四辊（以及CVC类）、六辊（以及CVC/UC类）等常规轧机以及森吉米尔等多辊轧机的精确板形控制；
适用于单机架轧机和平整机组，也适用于连轧机上末机架的板形控制； 可用于冷轧带钢板形控制，也可用于铝/铜带轧机的板形控制； 可兼容压磁式（ABB）、压电式（BFI）以及空气轴承式板形辊。开发出的板形控制系统已应用到鞍钢1250单机架六辊可逆冷轧机生产中，在进行0.18 mm超薄规格带钢轧制过程中，板形控制系统运行稳定，带钢平直度达到国际先进板形指标，控制精度小于7I。部分研究成果业已推广到唐钢等钢铁企业的冷轧生产线升级改造项目中。另外，冷轧板形控制的相关研究成果通过了由中国工程院院士干勇、王一德、殷国茂等专家组成的省级鉴定，鉴定组专家认为，该冷轧带钢板形控制的技术成果保证精度达到优于7I的国际领先水平，填补了国内空白，打破了国外对冷轧板形控制系统的长期技术垄断，是我国冶金领域核心技术自主创新的重大进步。以“冷轧机板形控制系统核心技术自主研发与工业应用”命名的该项目荣获2010年冶金科技进步一等奖。
早在1999年，东北大学就以热轧带钢生产过程为对象，依据带钢在冷却过程中温度——相变——应力的耦合关系，建立了描述带钢残余应力和最终板形参量演变行为的数学模型，以此达到根据冷却工艺和轧制过程设定参数预测室温下的板形。提出了微中浪轧制策略补偿冷却不均造成的板形不良，并给出了不同规格带钢的最佳设定值。
截止2011年3月，东北大学室在板形控制方面所开发的软件： 1)过程控制平台；
2)CVC、PC和UC轧机板形设定模型；
3)CVC、CVC-plus和SMART Crown 辊型曲线设计软件； 4)辊系弹性变形分析计算软件； 5)工作辊和支承辊辊型曲线优化软件； 6)单机价可逆式UCM轧机板形设定软件； 7)辊缝保持代码；
8)非对称条件下轧辊弹性变形分析软件； 9)板形反馈控制代码。
东北大学在板形控制方面所承担的的科研项目： 1)宝钢2050mm热轧机组板形控制参数优化 2)本钢1700mm热轧机组板形控制参数优化 3)涟钢1720mm冷轧机组板形控制参数优化 4)本钢酸轧机组板形控制参数优化 5)首钢6H3C冷轧机板形控制与优化 6)唐钢1800mm冷轧机组轧机设定系统 7)港陆1250mm热轧机组板形控制系统 8)鞍钢冷轧机组板形控制系统
9)梅钢1422mm热轧机组F4~F6CVC辊型曲线设计与优化 10)台湾中钢热轧机组支承辊辊型曲线优化 11)济钢双机架可逆式冷轧机组板形控制与优化 12)铝合金板带箔板形控制参数优化
13)中山中粤马口铁六辊UCM可逆轧机板形设定系统
