帶鋼熱軋智能竄輥策略的研究

崔席勇，馬 濤，張 偉，王 強

(中冶賽迪重慶信息技術有限公司， 重慶 401120)

熱軋帶鋼產品板形質量包括凸度、平直度、斷面形狀等指標。熱軋產品板形質量的影響因素眾多：從生產管理角度講，設備、工藝、控制和操作都會對產品板形產生影響；從生產工藝角度講，精軋及其之前的所有軋線工藝段都會對熱軋產品的板形產生影響；甚至對于某些高強鋼，層冷也會對產品板形產生影響。因此，熱軋板形問題一直是一個十分復雜的研究課題。隨著經濟的發展、生活水平的提高、工業產品的豐富和質量的提高，熱軋產品的下游用戶對熱軋產品的質量要求，尤其是板形質量的要求越來越苛刻。在保證凸度和平直度的基礎上，良好的斷面形狀已成為一些高端產品的質量要求[1-4]。產品斷面形狀的板形缺陷主要有“貓耳”狀局部高點、邊部減薄等，如圖1、2所示。

圖1 “貓耳”型斷面形狀

圖2 邊部減薄斷面形狀

對板形質量要求比較高的產品，如冷軋料和硅鋼等，若斷面形狀質量較差，會影響后續再加工的產品質量。冷軋原料產品容易出現“貓耳”狀局部高點，在冷軋時容易出現“邊鼓”狀缺陷[5-7]。硅鋼是一種高附加值的共能材料，對斷面形狀要求更高，出現局部高點、邊部減薄等缺陷時會嚴重影響產品的使用性能[8-9]。

上述板形缺陷形成的主要原因是精軋工作輥的不均勻磨損或局部磨損嚴重。因此，對軋輥磨損機理進行研究，開發可以均勻化軋輥磨損的竄輥策略，是板形研究的一個重點。

1 軋輥磨損形成原因及計算方法

熱軋生產中，軋輥的磨損是不可避免的。軋輥的磨損可分為化學磨損、熱磨損和機械摩擦磨損3種。其中，化學磨損是由于軋輥輥面與輥面周圍環境因素(如水、溫度、大氣、乳化液等)的相互作用，使軋輥表面產生氧化膜、氧化膜脫落等狀態造成。熱磨損是由于軋輥的實際溫度超過安全使用溫度或者軋輥表面溫度劇烈波動導致的磨損。機械摩擦磨損是由于在軋鋼過程中，由于軋制力和軋輥轉動的作用，支承輥與工作輥之間有接觸應力和一定的相對運動，工作輥與帶鋼之間有接觸應力和相對運動，這些都會對工作輥產生機械摩擦的作用，從而產生磨損[10]。3種情況的軋輥磨損中，機械摩擦磨損占比最大。針對機械摩擦磨損，由于整個精軋輥系的受力狀態、每個機架軋制力沿帶鋼寬度方向上的分布是不均勻的，所以工作輥磨損沿軋輥長度方向上的分布也是不均勻的[11]。

精軋工作輥的磨損，不僅會影響軋輥的使用壽命，而且直接影響有載輥縫形狀，并最終影響產品的板形質量[11]。精軋工作輥的磨損主要與軋制力分布、帶鋼寬度、軋制時間、軋制速度、前滑系數、帶鋼壓下量、軋輥材質、帶鋼材質等因素有關[12]。工作輥磨損的計算可用如下公式計算：

ΔRw(z)=f(F(z),w,v,f,Δh,t,c1,c2)

式中：ΔRw(z)為軋輥磨損分布；F(z)為軋制力分布；w為帶鋼寬度；v為軋制速度；f為前滑系數；Δh為壓下量；t為軋制時間；c1為軋輥材質影響系數；c2為帶鋼材質影響系數。

同時，精軋工作輥2個邊部磨損較中間部位磨損要大，其主要原因有：

1) 相對于帶鋼中部，帶鋼邊部的溫度較低，屈服強度較大，對軋輥邊部的磨損相應也較大。

2) 相對于帶鋼中部，帶鋼邊部金屬流動的自由度更大。金屬不僅有長度方向上的流動，還有寬度方向上的流動。這種寬度方向上的金屬流動會對軋輥產生一個切削的作用，使軋輥邊部磨損加重[13]。

3) 由于整個軋機輥系的受力狀態，在帶鋼邊部與工作輥接觸區域會產生一個有害彎矩，該彎矩會使工作輥與帶鋼邊部接觸區域產生應力集中。該應力集中會使軋輥邊部磨損加重。

4) 帶鋼同寬公里數過大，工作輥的竄輥步長過小，會使工作輥與帶鋼邊部接觸區域長時間比較固定，缺乏變化，那么該固定區域的磨損就會越來越嚴重[11]。

某熱軋廠精軋在軋制60 km后，F1-F7的精軋工作輥的磨損計算如圖3所示。

圖3 軋輥磨損計算

2 智能竄輥策略

均勻軋輥磨損，優化產品斷面質量有兩種方法。其中一種是對生產計劃進行合理性優化，盡量安排較多種類的產品鋼種或尺寸、盡量安排不同寬度規格的產品、盡量降低同寬軋制公里數等[9]。以上方法的主要目的是使帶鋼與工作輥的接觸區域盡可能發生變化，特別是邊部接觸區域，以降低軋輥邊部磨損的嚴重程度。但是這種方法執行難度較大，熱軋廠往往受訂單和原料的影響很難實現具有較高技術要求的合理的生產計劃編排[14-15]。

另一種方法就是利用工作輥的竄輥來周期性地改變軋輥與軋件的接觸區域，以達到均勻軋輥磨損的目的[16]。通過研究與生產實踐，成功研發出如下3種竄輥策略。

2.1 智能循環竄輥功能

針對負凸度平輥的工作輥輥型，一般采用循環竄輥功能來均勻軋輥磨損。常規的以固定步長在固定竄輥范圍的循環竄輥策略，考慮的因素較少，已不能滿足生產的需求。

合理的竄輥策略需要考慮如下因素[15,17-19]：

1) 在保證合理的板形控制要求的凸度控制范圍內，每個機架的最大和最小竄輥范圍應盡可能大。

2) 開軋時，考慮軋制穩定性，采用較小竄輥區間和步長。

3) 開軋穩定后，為了使精軋各個機架的工作輥快速建立起穩定的熱凸度，使工作輥整個長度方向上的輥面都得到均勻升溫，應該采用較大竄輥步長和較大竄輥行程。

4) 軋制計劃中期，為了軋輥均勻磨損，同時為了重點產品的軋制穩定性，采用較小竄輥步長和較大竄輥行程。

5) 軋制計劃后期，軋輥邊部磨損較嚴重，為了避免帶鋼與軋輥邊部接觸，采用較小竄輥行程，同時為了軋制穩定性，采用較小竄輥步長。

基于以上規則的竄輥策略示意圖如圖4所示，其中不同階段的竄輥步長和竄輥行程可以根據實際生產情況和要求方便配置。

圖4 智能循環竄輥策略

圖5 軋輥磨損比較

經計算，使用該智能循環竄輥策略和不使用循環竄輥策略的軋輥磨損對比如圖5所示。該竄輥策略能顯著降低軋輥邊部局部磨損嚴重程度，提升產品斷面質量。

2.2 智能竄輥擾動功能

在精軋工作輥使用SmartCrown、CVC、CVC-Plus等“S”型輥型時，竄輥對板形的控制能力較大，竄輥一般用來與彎輥配合對輥縫形狀進行控制，以達到控制板形的目的。在實際生產中，當遇到相同鋼種和相同尺寸的產品連續生產，且數量較多時，竄輥可能會長期在某一固定位置附近，缺乏變化，導致軋輥邊部磨損嚴重，影響產品斷面質量。

板形控制模型必須考慮上述情況下竄輥的控制策略。為此開發出智能竄輥擾動功能，控制策略如圖6展示。

圖6 智能竄輥擾動功能

當連續2塊帶鋼竄輥設定的偏差小于“擾動功能投用判定標準”時，該竄輥擾動功能觸發。以固定擾動步長，在一定擾動設定范圍內，對竄輥原始計算位置進行擾動修正。修正后的竄輥設定值即圖中紅點，且以周期性連續設定。同時，彎輥力做相應計算修正，彌補有載輥縫凸度變化。

生產實踐表明，該竄輥擾動功能滿足同鋼種同規格產品軋制40 km，且產品的斷面形狀良好。

2.3 精細化竄輥限幅

在精軋工作輥使用SmartCrown、CVC、CVC-Plus等“S”型輥型時[20]，除了上述考慮軋輥磨損外，還需要考慮如下因素：

1) 每個機架塊與塊之間竄輥步長不能太大，否則容易導致生產不穩定。如果竄輥步長過大，與帶鋼接觸的工作輥的溫度分布狀態就會發生較大變化，影響傳動和操作兩側的輥縫差，進而影響板形。

2) 每個機架塊與塊之間的竄輥步長也不能太小，否則竄輥對板形的控制能力就不能充分發揮，計算出的彎輥力就會波動很大，影響產品質量。

3) 對于超薄極限材生產，軋制穩定性是第一位的，此時竄輥盡量不動，以保證極限材的穩定生產。

基于以上3個因素，開發出精細化竄輥限幅控制策略，策略內容如下：

1) 每個機架的竄輥極限都做限幅，且根據不同鋼種和尺寸規格分層。

2) 針對換輥后首塊軋制，竄輥極限做限幅，且該限幅值根據鋼種和尺寸規格分層，以保證軋制穩定性和首塊板形質量。

3) 針對生產過程中的竄輥變化，變規格軋制時的竄輥步長做限幅，且該限幅值根據鋼種和尺寸規格分層。

4) 針對相同鋼種和尺寸規格的連續軋制時的竄輥步長做限幅，且該限幅值根據鋼種和尺寸規格分層。

根據鋼種和尺寸規格限幅的以上竄輥極限值和竄輥步長限幅值，可通過界面實現簡易配置。根據實際生產經驗，同種鋼種，厚度越薄，以上極限限幅值和步長限幅值越小。

通過以上精細化竄輥限幅控制，可同時保證產品板形質量和保證生產穩定，可實現熱軋板形的精細化控制和精細化生產。

3 結束語

針對常規熱連軋精軋工作輥的不均勻磨損或局部磨損嚴重對產品斷面形狀質量造成的影響，對軋輥磨損機理進行研究，開發出可以均勻化軋輥磨損的循環竄輥功能、竄輥智能擾動功能、精細化彎竄限幅等智能竄輥策略，有效提高產品的斷面形狀，延長一個計劃軋制公里數至80 km。