高精度軋制(課程報告)

1、高精度軋制與控制冷卻技術(shù)(課程報告)學(xué)號：S20156012姓名：李宗武專業(yè)：材料加工工程單位：北京有色金屬研究總院伴隨著人們環(huán)保節(jié)能意識的增強，企業(yè)越來越重視在生產(chǎn)中運用先進(jìn)工藝。通過對生產(chǎn)工藝的改善，一方面可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；另一方面可以減少能耗，緩解環(huán)保壓力。軋制技術(shù)作為一種傳統(tǒng)的加工工藝，過去對于我國鋼鐵行業(yè)的發(fā)展、崛起起到了巨大的推動作用。時至今日，不少鋼鐵廠家仍以軋制產(chǎn)品生產(chǎn)為自己的主業(yè)；然而我們也應(yīng)該看到，我國鋼鐵行業(yè)面臨的主要問題：品種亟待升級，布局調(diào)整緩慢，能源環(huán)境原料約束增強，自主創(chuàng)新能力不強等。在當(dāng)前這樣一個大行業(yè)整體萎靡不振的嚴(yán)峻形勢下，鋼鐵企業(yè)需要重

2、新審視自己發(fā)展戰(zhàn)略，積極通過調(diào)整來應(yīng)對困境。對于這些產(chǎn)品以軋制為主的企業(yè)來講，更需要抓住軋制工藝不斷優(yōu)化升級這樣的一個有利時機，升級工藝，重回正軌。軋制過程是由軋件和軋輥之間的摩擦力將軋件拉進(jìn)不同旋轉(zhuǎn)方向的軋輥之間使之產(chǎn)生塑性變形的過程。通過軋制可以實現(xiàn)板帶材、型材、管材的加工，各類材料對于軋制流程設(shè)計、設(shè)備構(gòu)成、軋制精度有著不同的要求。以在生產(chǎn)中所占份額較大的板帶材的軋制為例：板帶材在深加工中往往沖制成各種零部件，高的材厚度精度、優(yōu)異的板形會降低沖模損耗，延長其壽命，同時，高精度板材在深加工過程中相應(yīng)工件切削量也會減少，極大節(jié)約了原材料，減少了對于礦石能源的依賴?？梢?，總結(jié)各種可以提高軋制精

3、度的方法并逐步應(yīng)用到生產(chǎn)中去，對于企業(yè)而言是非常有必要的。在本次課程報告中，我將在課下查閱介紹軋制工藝新進(jìn)展的相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合課上朱老師所講授的內(nèi)容，對當(dāng)前階段軋制技術(shù)的發(fā)展特點加以介紹，以期為一些企業(yè)以后的生產(chǎn)提供借鑒。1. 熱軋寬帶中高碳鋼的高精度軋制技術(shù)高碳鋼中碳含量一般介于0.25%1.25%，各種強化合金元素加入使得它具有高硬度及良好的韌性、耐磨性、紅硬性等性能，熱軋高碳鋼在機械制造、航天航空以及汽車制造等領(lǐng)域都有著大量應(yīng)用。合金元素復(fù)雜，碳含量較高造成了高碳鋼軋制變形抗力大，其厚度、板形的控制不易實現(xiàn)。華南理工大學(xué)的李烈軍等人1與廣州珠江鋼鐵有限責(zé)任公司合作，在薄板坯連鑄連軋技

4、術(shù)的基礎(chǔ)上對中高碳鋼高精度軋制工藝進(jìn)行了探索，分別從鑄坯形狀控制、冷卻系統(tǒng)優(yōu)化、軋輥位置調(diào)整三個方面展開。（1）軋制過程中，高碳鋼熱軋變形抗力大，對于鑄坯形狀的敏感性較強，調(diào)整難度是比較大的。為保證高精度軋制，必須保證鑄坯的形狀穩(wěn)定。圖1、2分別是低碳鋼薄板坯、彈簧鋼50CrV4薄板坯的實測坯形曲線，經(jīng)過對比可以看出，鑄坯形狀變化較大，原有坯形曲線不再適用高碳鋼的生產(chǎn)。針對這種情況，為減少坯形對最終產(chǎn)品的影響，需定期對鑄坯進(jìn)行取樣測量，建立起一個完善的坯形數(shù)據(jù)庫。生產(chǎn)過程中及時根據(jù)鋼種、坯料厚度的改變做出及時調(diào)整，才能確保板形控制系統(tǒng)的工作效果達(dá)到最優(yōu)。圖1. 低碳鋼薄板坯的坯形曲線圖2. 彈

5、簧鋼50CrV4薄板坯的坯形曲線（2）冷卻系統(tǒng)優(yōu)化：高碳鋼軋制抗力大造成軋輥溫度較高，經(jīng)實測結(jié)果顯示溫度達(dá)到70以上（普通為5060），這樣最直接的后果就是熱凸度過大，板材質(zhì)量急劇惡化，厚度精度減小。每隔100mm為一個單位，研究人員通過分段測量軋輥溫度，合理調(diào)整冷卻水量，最終得到一個合理的冷卻工藝，表1中給出的是調(diào)整前后軋輥表面各段的溫度情況，圖3中給出了F3機架兩種情況下軋輥表面溫度的對比。表面溫度的穩(wěn)定將減少軋輥表層裂紋的產(chǎn)生及剝離，并為后續(xù)熱凸度的參數(shù)優(yōu)化過程奠定基礎(chǔ)。表1. 調(diào)整前后冷卻水量變化 %（3）軋輥配置改進(jìn)：傳統(tǒng)機架前段軋輥材質(zhì)為高鉻鑄鐵，后段軋輥為普通ICDP材質(zhì)，支撐輥

6、采取Cr2；這對于軋制負(fù)荷較高的高碳鋼是不適用的，不加改進(jìn)則會導(dǎo)致軋輥的磨損加劇，不利于降低成本。經(jīng)過在實際生產(chǎn)中的探索、總結(jié)，李烈軍等人給出了適用于高碳鋼熱軋軋制的軋輥材質(zhì)配置方案，如表2中所列。表2. 新的軋輥材質(zhì)選取方案通過采取新的配置方案，可有效解決高碳鋼軋制中面臨的問題，支撐輥噸位增加40%，前段機架工作軋輥噸位增加達(dá)到60%120%。2AGC系統(tǒng)在棒材連軋生產(chǎn)中的應(yīng)用同樣針對軋件尺寸的精確控制，內(nèi)蒙古科技大學(xué)的崔桂梅等人2給出了棒材軋制中提高軋制精度的一個方案,即通過引入基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AGC系統(tǒng)，在基于BP網(wǎng)絡(luò)的橢圓-圓孔型軋制壓力預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)棒材的高精度軋制。AGC

7、系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是彈跳方程，其控制過程為：通過將測到的厚度值與理論厚度值進(jìn)行比較，求出相應(yīng)偏差，利用偏差控制軋機下一步的壓下量，進(jìn)而實現(xiàn)對軋件厚度的控制。事實上，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識可以解決棒材軋制厚度控制延遲的問題。圖4、5給出的分別是傳統(tǒng)棒材軋制生產(chǎn)線和基于AGC系統(tǒng)的生產(chǎn)線。圖4. 傳統(tǒng)棒材軋制生產(chǎn)線圖5. 基于AGC系統(tǒng)的棒材軋制生產(chǎn)線在圖5給出的工藝中，可以看到AGC系統(tǒng)設(shè)計在8架平立交替精軋機架的最后兩架軋機上。生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)將實現(xiàn)垂直于機架方向上的自動輥縫調(diào)節(jié)，同時AGC系統(tǒng)還與MON監(jiān)控系統(tǒng)、HPC液壓位置控制系統(tǒng)共同完成對于棒材尺寸的控制工作，如圖6所示。圖6. 液壓A

8、GC尺寸控制系統(tǒng)這里涉及到的BP網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)上是一個高度非線性擬合系統(tǒng)，建立該網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵就是據(jù)工程實踐選取網(wǎng)絡(luò)的輸入層節(jié)點、輸出層節(jié)點，最終確定合理的隱層節(jié)點。隱層節(jié)點設(shè)計需要遵循適度的原則，太少側(cè)模擬精度不夠，太多會出現(xiàn)過擬合的現(xiàn)象。經(jīng)過對BP網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練，就可以展開相關(guān)預(yù)測工作。圖7給出了預(yù)測軋制壓力的結(jié)果，與實際值相比后發(fā)現(xiàn)，誤差在6%以內(nèi)。圖7. BP網(wǎng)絡(luò)對軋制壓力的預(yù)測結(jié)果崔桂梅等人結(jié)合BP網(wǎng)絡(luò)、AGC系統(tǒng)設(shè)計出了如圖8所示的厚度控制系統(tǒng)，根據(jù)圖示可看出：根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)輸出可以提前判斷沒道次軋制壓力，由彈跳方程求出軋件高度，與給定值進(jìn)行比對求出增益，增益值作為控制厚度系統(tǒng)的輸入值調(diào)節(jié)液壓

9、軋機壓下量，從而控制軋件的出口高度。由于該系統(tǒng)不存在遲滯現(xiàn)象，因此大大提高了棒材軋件的精度。圖8. 基于BP網(wǎng)絡(luò)的AGC厚度控制系統(tǒng)3控制軋制與控制冷卻技術(shù)（TMCP）控軋控冷技術(shù)是針對傳統(tǒng)軋制工藝而提出的，在傳統(tǒng)工藝中加入對軋制過程、冷卻方式的控制內(nèi)容，TMCP技術(shù)的出現(xiàn)為社會提供了越來越優(yōu)良的鋼鐵材料，推動了社會的發(fā)展進(jìn)步?？刂栖堉颇康氖莾?yōu)化熱軋條件，使奧氏體晶粒變?yōu)榧?xì)小鐵素體組織或其他復(fù)相組織，提高力學(xué)性能；控制冷卻核心思想是控制形變奧氏體的相變過程，進(jìn)一步細(xì)化晶粒組織，彌補控制軋制細(xì)化能力的不足，增強材料韌性。相較于控制軋制，控制冷卻效果更佳明顯，也更容易實現(xiàn)，成本比較低，因此研究人員

10、對于冷卻工藝做了更多研究，提出了各種改善方法。在實際生產(chǎn)中，各種設(shè)備以及生產(chǎn)線確定后，只能通過對流散熱的方法來控制相應(yīng)生產(chǎn)線的冷卻過程。對流換熱涉及到的介質(zhì)包括液體、氣體以及兩者的混合物，水作為“最廉價的合金元素”，仍是目前最主流的冷卻介質(zhì)。冷卻方式可分為噴射冷卻、層流冷卻、水幕冷卻、霧化冷卻等方式，各種方式都有各自優(yōu)缺點，評價一個冷卻方式優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)最重要的是冷卻效率和水循環(huán)次數(shù)。在實際應(yīng)用中并非水量越大效果就越好，壓力也是另一個決定冷卻效果的重要因素，因此廠家要做好水用量與水壓的平衡，合理設(shè)計冷卻工藝。為進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能控制的穩(wěn)定性和冷卻能力，鋼鐵企業(yè)更是相繼推出一系列的新型冷卻模式，從法

11、國BERTIN&CIE的ADCO裝置到比利時的CRM超快速冷卻裝置，抑或是JFE公司的Super-OLAC裝置，作為新型超快速冷卻裝置來講，均可以實現(xiàn)軋后快速冷卻，同時可以實現(xiàn)直接淬火，這些方法在建筑結(jié)構(gòu)板、橋梁板、超低溫容器板、工廠機械用鋼等高強鋼的生產(chǎn)中實現(xiàn)了真正意義上的實用化。而我國在超快速冷卻方面做的比較好的是東北大學(xué)，目前研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種高冷速系統(tǒng)，圖9給出的是該冷卻系統(tǒng)在實際生產(chǎn)線中的配置情況。圖9. 某廠家2250熱連軋機軋后控制冷卻系統(tǒng)配置情況4板形控制板帶材作為鋼鐵工業(yè)的主干產(chǎn)品，是一種在經(jīng)濟(jì)各部門應(yīng)用廣泛的重要材料。目前對于板帶材幾何尺寸中的厚度控制研究比較多

12、，相應(yīng)工藝也比較成熟，作為另一個方面的板形控制，顯然還有很大一段路要走。良好的板形需要滿足一定的幾何條件，控制不當(dāng)容易產(chǎn)生側(cè)彎、中浪、邊浪等形狀不良的缺陷。引發(fā)形狀不良的原因可歸結(jié)為三點：（1）工作輥、支撐輥設(shè)計不當(dāng)，（2）工作中軋制條件突然變化，（3）工作中軋制板材來料形狀突然變化，分析以上三個原因可以發(fā)現(xiàn)，它們都導(dǎo)致了輥縫與軋材形狀的不匹配。三十多年來，對板形的控制、改善一直是板帶生產(chǎn)的關(guān)注熱點，在此期間也取得了一些長足進(jìn)步。其中比較重要的是M.D Stone的彈性基礎(chǔ)梁理論和液壓彎輥的實用研究，這使得板形問題取得了重大突破。從工藝方法來講，首先可以通過安排不同規(guī)格產(chǎn)品軋制來實現(xiàn)板形的有效

13、控制，要求根據(jù)軋制板材的要求對軋輥溫度、張力等進(jìn)行合理調(diào)整，實現(xiàn)軋輥與板材兩者之間的匹配；其他板形控制工藝總結(jié)來講就是改變原來軋輥不可調(diào)的狀態(tài)，如液壓彎輥采用的是通過軋輥、支撐輥施加液壓彎輥力，改變軋輥瞬時有效凸度，CVC技術(shù)則更進(jìn)一步，用兩個軸向可移動的與嚴(yán)格圓錐體稍有差別的S形輥身的工作輥組成，調(diào)整軋輥位置改變輥縫幾何形狀，軋輥有效凸度也會相應(yīng)改變。除此之外，還有其他一些工藝來完成板形的控制工作。鑒于板形控制問題的復(fù)雜性，目前的板形控制技術(shù)還需要進(jìn)行一定的改進(jìn)。5板帶熱軋半無頭軋制技術(shù)（ISP）穿帶問題在傳統(tǒng)單坯精軋中容易出現(xiàn)，導(dǎo)致了軋制效率的低下，此外在板厚的精度控制上還有很大的提升空間

14、。無頭軋制的研發(fā)正是為了規(guī)避傳統(tǒng)技術(shù)的不足，ISP技術(shù)作為傳統(tǒng)單坯軋制向無頭軋制的一個過渡，可以顯著提高軋制過程的穩(wěn)定性和成材率，整個過程中幾乎不會出現(xiàn)板形不良問題。半無頭軋制技術(shù)的核心問題是中間坯的連接過程，目前發(fā)展出的連接技術(shù)有很多，圖10給出的是各種連接技術(shù)的簡圖。連接環(huán)節(jié)要求嚴(yán)格：時間要短，強度要高，盡可能實現(xiàn)不同鋼種間的連接。圖10.各種連接工藝簡圖國內(nèi)北科的康永林老師對于半無頭軋制技術(shù)研究開展的比較早，圖11給出了康老師以壓齒-壓合連接法為核心的半無頭軋制工藝設(shè)備圖?？梢钥闯?，只需額外添加一臺切頭剪、壓力機和中間坯頭尾對正輔助機構(gòu)，相應(yīng)成本比較低。 圖11. 基于壓齒-壓合工方法的半無頭軋制工藝設(shè)備布置 壓齒-壓合方法本質(zhì)是一種機械連接工藝，對于前后中間坯的冶金成分、力學(xué)性能及表面狀態(tài)均沒有太大要求，通過壓力機作用使得齒槽間產(chǎn)生大的塑性變形、機械咬合、焊合區(qū)，保證了連接界面的強度，為后續(xù)精軋過程的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。圖12中為利用壓齒-壓合連接工藝的實驗效果圖。 圖.12 壓齒-壓合法連接效果圖半無頭軋制經(jīng)過這幾十年的發(fā)展，仍然存在一部分問題：各種