雙機架平整兼二次冷軋機組寬展預報的研究

夏 錚，宋志明，郭曉萌，2，張 誠，2，張 冀

(1.河鋼集團 衡水板業有限公司，河北 衡水 053000；2.河北省鋼基金屬包裝材料技術創新中心，河北 衡水 053000；3.燕山大學 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著鋼材市場需求量的逐年提升,鋼材的質量和精度標準被不斷刷新和提高,這對國內各大鋼鐵企業提出了更高的要求[1]。帶鋼作為鋼材產品的重要成員,在航空航天、電子設備以及家用電器等領域中承擔著眾多角色,因此國內各大鋼鐵企業對于帶鋼的質量尤為重視[2,3]。在帶鋼生產過程中,帶鋼寬度作為帶鋼質量和尺寸精度的重要角色,往往被現場操作員和眾多科研學者認為是必不可少的控制環節[4,5]。程書鵬[6]對現有的冷軋薄帶的寬展計算模型進行了系統的分析,以SUS304奧氏體不銹鋼為研究對象,對比分析了各個寬展量計算公式的計算結果,并通過實驗分析和ABAQUS有限元模擬軟件模擬推導出了適合于冷軋薄帶的寬展計算模型。徐信等[7]針對S350GD結構鋼軋后寬展量太大的問題,分析了冷軋寬展產生的機理并提出了改善潤滑性能、調整軋輥直徑和調整張力設定等解決方案。以往學者和專家的研究為帶鋼寬展量的計算奠定了理論基礎,但二次冷軋工序作為薄帶鋼生產的后段工藝,對帶鋼寬度的控制起到決定性作用,相關理論內容的研究并不完善,本文針對此問題展開研究。

1 雙機架平整兼二次冷軋機組簡介

國內某雙機架1250平整兼二次冷軋機組既擁有雙機架平整軋制模式,也可以實現一機架大壓下量的二次冷軋模式。雙機架平整兼二次冷軋機組具有兩種工作模式可以滿足更多規格的帶鋼生產,在平整軋制模式下第一機架與第二機架工作輥尺寸為Φ480/Φ430×1 250 mm,而在二次冷軋模式下第一機架工作輥尺寸為Φ370/Φ330×1 250 mm。在二次冷軋模式下,由于工作輥輥徑的減小可以軋制更薄的帶鋼即實現更大的壓下率;在平整軋制模式下工作輥直徑較大,有效地提升了軋制過程中工作輥的橫向剛度,對于帶鋼延伸率橫向均勻分布的實現具有積極影響。

2 寬展量預報模型

2.1 二次冷軋軋制力計算模型

針對國內某雙機架平整兼二次冷軋機組而言,軋制力的計算公式不同于冷軋計算公式。由于其二次冷軋過程中摩擦力的存在,故而導致軋制過程中出現金屬流動阻力,進而引起帶鋼無法進行橫向金屬流動,最終影響帶鋼寬展量的預報。顯然軋制力越大摩擦力越大,兩者之間存在必然的影響關系,因此二次冷軋寬展量計算的關鍵首先是軋制力的計算。以此軋制特性為基礎可以確定應采用如下的二次冷軋軋制力計算公式[8]:

Pi=wσiLi.

(1)

其中:Pi為第i機架軋制力;w為帶鋼寬度;σi為第i機架變形抗力;Li為第i機架軋制變形區長度。

變形抗力是抵抗軋制過程中帶鋼變形的能力,與軋制工藝和帶鋼本身的物理性質有關,此外還應當考慮機組實際生產過程中的影響,故而使用修正系數,如式(2)所示:

(2)

其中:σs為帶鋼屈服強度;σ1i為第i機架前張力;σ2i為第i機架后張力;k1為根據現場實際工況確定的屈服強度修正系數。

二次冷軋的軋制變形區計算過程同樣應結合機組實際生產,應當添加修正系數,如式(3)所示:

(3)

其中:μi為第i機架摩擦因數;Ri為第i機架工作輥半徑;εi為第i機架壓下率;Hi為第i機架帶鋼入口厚度;k2為根據現場實際工況確定的變形區長度修正系數。

對于變形區長度修正系數k2而言,一般情況下不同機組的偏差較大,因此應當對k2進行修正,在實際的模型應用過程中,k2應當設定為一個初始值k′2,在此基礎之上針對現場的實際產品檢測數值進行修正,修正步長為Δk。

2.2 二次冷軋寬展量預報

結合現場生產實際不難得知,公式(3)中的摩擦因數是無法直接監測得到的,而其他數據可以根據工藝設定和機組監測得到,因此需要使用簡單的反算來確定軋制過程中各機架的摩擦因數。

通過上述的數據收集可以確定寬展的計算流程,如式(4)所示:

Δbi=cbicσi[0.5+0.48εi(1-εi)]·

(4)

其中:Δbi為第i機架寬展量;cbi、cσi分別為第i機架帶鋼寬度及后張力對寬展量的影響系數;hi為第i機架帶鋼出口厚度;Δhi為第i機架絕對壓下量,Δhi=Hi-hi。

式(4)中包括帶鋼的寬度和軋制后張力對寬展量的影響,其中后張力對于寬展量而言顯然是具有削弱的影響,而帶鋼寬度越大寬展量越大,因此這兩個影響因素的考慮對于寬展量預報必不可少。除此之外,帶鋼壓下率、帶鋼入口厚度、帶鋼出口厚度、工作輥半徑以及摩擦因數均對帶鋼寬展量產生影響。

帶鋼寬度是影響軋制過程中寬展量的重要因素,根據以往的實際生產經驗不難得知,帶鋼寬度對寬展量具有增大的影響趨勢,帶鋼寬度對軋制寬展量的計算影響系數如式(5)所示:

(5)

后張力的作用方向與軋制方向相反,對軋制過程中的帶鋼施加拉應力的作用,因此對帶鋼寬展量具有減小的影響趨勢,故第i機架后張力對軋制寬展量的計算影響系數如下:

(6)

綜上所述,通過軋制過程中各個機架寬展量的計算,總的帶鋼寬展量Δb計算如下:

Δb=Δb1+Δb2.

(7)

3 現場實際應用

通過預報模型并結合現場實際生產數據計算各機架的寬展量,最終給出二次冷軋軋制過程總的帶鋼寬展量,其計算流程如圖1所示。

圖1 二次冷軋寬展量預報流程圖

為了驗證帶鋼寬展量預報模型的準確性,特將本文寬展量預報模型應用于國內某雙機架平整兼二次冷軋機組。模型的應用有效地驗證了其準確性,并在很大程度上提升了機組成品帶鋼寬度預報精度。機組的寬度預報準確率判定方法為:二次冷軋軋制后的帶鋼實際測量寬度與預報寬度之差小于客戶要求最低標準。

選取機組實際生產中的典型鋼種DR8與DR9,其尺寸規格為典型的來料厚度0.23 mm、帶鋼寬度960 mm、成品厚度0.2 mm;工藝參數為軋制速度680 m/min、軋制力2 580 kN、前張力150 MPa、后張力176 MPa。跟蹤上述規格鋼種實際生產過程中寬度預報準確率,如圖2所示。2022年7月份之前為模型未應用月份,8月份之后為模型應用月份。

圖2 模型應用前后寬度預報準確率對比

4 結論

通過應用機組生產現場的實際生產數據,充分將寬展量預報模型應用于雙機架平整兼二次冷軋機組,追溯其歷史生產數據并結合模型應用后的數據表明:寬展量預報模型的應用明顯地提升了機組寬度預報的準確率,改善了機組成品帶鋼的質量,同時驗證了模型的有效性。