花紋板浪形的控制措施

王宇陽，劉東冶，邵 健

（1．馬鞍山鋼鐵股份有限公司第四鋼軋總廠，安徽 馬鞍山 233241；2．北京科技大學高效軋制國家工程研究中心，北京 100083）

花紋板因其花紋高度高且具有一定的防滑耐磨效果，廣泛應用于汽車、機械、建筑等行業[1]。目前市場上主流的花紋板寬度規格在1 000～1 500 mm的范圍內[2]。一般來說，客戶作為使用方，對花紋板力學性能、機械性能要求不高，但是對花紋板的板形有一定要求。花紋板板形的好壞直接影響熱卷開平、橫切等下游加工工序的生產平順性以及最終產品的質量。

目前花紋板板形的研究主要集中在精軋板形控制、輥形設計優化、層流冷卻控制模式和花紋板平整工藝這四個方面[1]。某熱軋2250帶鋼生產線對花紋板浪形的控制側重于層流冷卻控制模式和溫度工藝制度兩個方面。

1 軋后板形缺陷概述

1.1 花紋板浪形異議概況

熱軋2250產線生產的花紋板異議缺陷主要有浪形、紋高不符、氧化鐵皮等，其中浪形缺陷問題最為突出，其比例占到花紋板質量異議總量的90%以上。

熱軋2250產線的花紋板浪形質量異議主要集中在厚度為4.5 mm規格以下的產品中，寬度規格方面沒有特異性?？蛻艋蚴褂梅椒答伒幕y板浪形問題主要為開平過程中出現的通卷雙邊浪形（見圖1），雙邊浪的浪高達到30 mm/m，甚至50 mm/m以上，不滿足客戶使用要求。

圖1 花紋板浪形實物形貌

1.2 精軋出口浪形與成品浪形的對應性

經調查，熱軋2250產線的花紋板的精軋出口浪形與客戶提報的異議浪形沒有對應關系，如表1所示。帶鋼出口浪形的平直度均值在10 IU以下，但開平后仍存在整卷嚴重雙邊浪形。

表1 精軋出口平直度檢測值與實物浪形嚴重程度的對應關系

由表1分析可知，開平過程中出現的浪形不是由精軋過程產生的，而是軋后冷卻過程中產生的浪形，且均為雙邊浪形。

2 冷卻浪形的影響因素分析

邵健[3]認為帶鋼軋后出現的橫斷面溫度差異、層流冷卻模式、卷取后空冷、客戶開平條件等問題，均易導致精軋出口浪形與最終成品浪形不符，造成板形質量異議。

帶鋼的冷卻過程實際為其內部熱應力、應變與組織演變相互耦合的過程[4]。層流冷卻過程中，溫度分布不均會導致帶鋼內部存在殘余應力，當殘余應力超過材料屈服極限時，帶鋼表現為宏觀板形缺陷[5]。

Yoshida[6]用有限差分方法建立了熱軋帶鋼冷卻過程中溫度、熱應力、相變的數值模型，對軋后冷卻的板形不良問題進行了分析，認為在帶鋼冷卻后，由于精軋出口帶鋼寬度方向上的溫度分布不均以及橫向冷卻速率不均，導致了邊浪出現。

蔡正[7]依據帶鋼在冷卻過程中的溫度、相變、應力的耦合關系，建立了描述帶鋼殘余應力和最終板形演變行為的數學模型，從計算結果可看出，帶鋼在冷卻后邊部會產生較大的壓應力，當壓應力超過臨界條件時就會導致邊浪缺陷。

蘇艷萍[8]通過建立帶鋼層流冷卻過程的溫度、相變、應力應變耦合有限元模型，對帶鋼軋后冷卻過程中的溫度場、相變、應力場進行耦合求解，得出帶鋼層流冷卻過程中板形存在邊浪趨勢，與異議花紋板的實際浪形種類一致。

以上學者通過機理分析和理論計算，得出的浪形種類與熱軋2250產線花紋板異議浪形種類一致。但是以上研究結果中并沒有給出實際熱軋生產過程中能夠快速應用且直接有效的浪形調整手段。為降低帶鋼在層流冷卻過程中的冷卻水對橫向溫度的影響，提出了通過調整冷卻水總流量的方式來對橫向冷卻的均勻性進行控制。

冷卻過程中冷卻水量越大，在花紋板帶鋼上表滯留的冷卻水量越多，致使帶鋼上下表面產生橫向內應力不均，從而導致開平時的冷卻浪形。其次，花紋板自身的紋高也會影響層冷側吹的吹掃效果，冷卻水淤積在花紋板表面，加重了冷卻浪形。因此，冷卻水量為冷卻浪形的主要影響因素。

冷卻水量的計算公式如式（1）所示。

式中：Vm為冷卻水量，m3/h；b為層流冷卻水噴水寬度，m；h為帶鋼厚度，mm；v為帶鋼運行速度，m/s；ρb為帶鋼的密度，t/m3；Cb為帶鋼的比熱容，kJ/（kg·℃）；Δb為帶鋼的溫降，℃；ρw為水的密度，t/m3；Cw為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；Δw為水的升溫，℃。

根據式（1）以及熱軋2250產線的實際情況，從帶鋼的溫降、帶鋼的運行速度等方面開展對照試驗。

3 花紋板浪形控制對照試驗

3.1 對照因素的選取

由于客戶對花紋板力學性能、機械性能要求不高，因此熱軋2250產線在生產花紋板時，混合各類成份不同的板坯組產，板坯鋼種除普碳鋼外，高強鋼和IF鋼（無間隙原子鋼）等也占一定比重，IF鋼由于存在相變點，對終軋溫度要求較高，一般將終軋溫度控制在900℃以上。為減小冷流冷卻溫降，只能通過提高目標卷取溫度來實現。因此，將高、低目標卷取溫度作為第一對照組。

為保證相同的冷卻效果，隨著精軋穿帶、軋制運行速度越快，在卷取溫度控制模型的調控下，層流冷卻水流量變大。因此，將帶鋼高、低軋制速度作為第二對照組。

從工藝過程參數中選取目標卷取溫度及帶鋼運行速度開展對照試驗。

3.2 開展對照試驗

試驗的輸出變量以花紋板熱軋成卷后開平的實際浪形情況為準，分頭、中、尾3段進行試驗觀測。試驗記錄中，OS表示單邊操作側，DS表示單邊傳動側。

目標卷取溫度的對照試驗結果如表2所示。

表2 目標卷取溫度對照試驗結果

帶鋼軋制速度的對照試驗結果如表3所示。

表3 帶鋼穿帶速度、軋制速度的對照試驗結果

卷取溫度和帶鋼速度的綜合對照試驗結果如下頁表4所示。

表4 綜合對照試驗結果

開平浪形的實物對比情況如下頁圖2所示。

圖2 開平浪形的實物對比情況

3.3 對照試驗結果分析

1）目標卷取溫度越高，花紋板開平后浪形嚴重程度越輕。

2）軋制速度越快，冷卻浪形越嚴重，尤其是帶鋼尾部的浪形，受軋制速度影響較中部和頭部更嚴重。10 m/s的最大精軋出口速度為出現嚴重雙邊浪的分界點，對帶鋼尾部浪形影響極大。

4 改善措施和應用效果

根據以上分析和對照試驗，為減少因冷卻不均造成的花紋板浪形問題，開展如下工作：優化卷取溫度工藝制度，提升花紋板的目標卷取溫度，并在相關的工藝執行文件和制造系統中進行固化；通過調整精軋模型參數，限制花紋板的最大軋制速度；進一步避免冷卻水量的影響，將層流冷卻的前段冷卻模式切換為稀疏冷卻模式；為避免溫升對花紋板卷形的影響，調整卷取機的紋高補償系數，以降低花紋板塌卷的可能性。

將上述措施應用到國內某2250熱軋產線，花紋板的開平浪形缺陷有了極大的改善。截至目前，2.8～4 mm厚度規格的花紋板開平后無浪形。工藝優化后的開平實際浪形記錄情況如表5所示?；y板開平板形的實物驗證如圖3所示。

表5 工藝優化后的開平實際浪形

圖3 花紋板開平板形的實物驗證

5 結論

1）通過分析花紋板精軋出口浪形與實際開平浪形之間的對應關系，發現質量異議中的花紋板成品浪形，實際為層流冷卻后產生的冷卻附加邊浪。

2）層流冷卻過程中，冷卻水量的均勻性是影響花紋板浪形的重要因素。而在實際生產過程中，由于各種工藝約束，設備能力、環境條件的限制，減少帶鋼接觸到的冷卻水量是最為直接的控制思路。

3）通過優化卷取溫度工藝制度以減小帶鋼溫降、限制最大軋制速度以減少冷卻水流量等手段，可有效改善花紋板的開平浪形缺陷。

4）根據試驗結果制定并固化了相關措施，措施實施后，花紋板浪形導致的質量異議發生率下降了86.44%，提升了該產線花紋板的客戶滿意度和市場競爭力。