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高效軋制國家工程研究中心成立二十周年系列技術報道:板形綜合控制技術的自主研發及創新
信息來源:世界金屬導報2016-09-13B08      時間:2016-09-13 08:22:20


 

通過多年的研究和實踐,北京科技大學高效軋制國家工程研究中心成功開發出具有全部自主知識產權的一系列全流程板形控制技術及核心工藝,使板形控制的技術指標達到國際先進水平,并且形成了一整套包括機型、輥形、工藝、控制、管理在內的全工序板形綜合解決方案,使板形質量得到有效控制,實現了板形綜合控制技術從消化吸收、創新到引領的新高度。

板形是板帶生產過程中的重要質量指標,由于影響因素多,生成機理復雜,且各影響因素之間還存在不確定、非線性、強耦合的關系,因此,板形控制一直是板帶生產過程中的熱點和難點。新世紀以來板帶軋機的建設進入了一個新的高潮。以鋼鐵企業熱連軋機為例(包括常規和短流程工藝),據不完全統計,截至目前,我國已建、在建的1250mm以上軋機已經超過90套,且各鋼鐵企業均不斷提升產品附加值,開發品種包括電工鋼、鍍錫板、汽車面板、高強度結構鋼、不銹鋼、高級別管線鋼等。板形不僅是這些高端板帶產品的重要質量指標,而且板形好壞時常會影響到軋制穩定性,進而成為生產能否順行、產品規格能否突破的關鍵。

從板帶軋制技術誕生開始,板形質量控制研究便隨之展開。國外板形控制理論的研究起源于20世紀50-60年代,我國針對板形控制理論的研究在20世紀60-70年代展開,首先,基于基礎理論對板形生成原理及控制技術進行分析,隨后在板形仿真軟件開發、輥形技術、國外板形控制系統的消化和優化等方面取得了較大進展。2002年,北京科技大學高效軋制國家工程研究中心(以下簡稱軋制中心)率先開始了全套板形控制系統的自主研發,通過后續不斷優化和推廣,打破了國外在寬帶鋼板形控制系統方面的壟斷,并在板形質量控制方面取得了理想效果。

板帶生產是典型的流程工業,近年來,隨著市場標準的不斷提高,越來越多的實踐表明,板形質量控制更應從全工序出發,結合設備、工藝、控制及管理,方可得到穩定的板形質量。經過多個全流程板形控制實踐,形成了從理論到實踐、從單工序到多工序的一整套板形綜合解決方案,從而達到了板形技術從消化吸收到創新,再到技術引領的新高度。

1板形控制理論的發展及創新

經過20多年的持續研發,在板形控制理論方面取得了創新性的理論成果,具體內容包括:

1)提出了二維變厚度有限元模型和快速輥系變形方

法,在求解速度和精度上均達到較高水平,并成功通過了國內多套連軋機的在線精度檢驗。軋件變形方面,基于合理假設及漸近計算原理,采用有限體積法建立帶鋼三維塑性變形模型,實現了軋輥軋件變形的快速耦合求解。

2)考慮復雜邊界條件,建立了基于顯隱交替差分格式的軋輥溫度場模型和基于快速有限元的軋輥熱變形模型,實現了對工作輥瞬態溫度場和熱輥形的精確預報。

3)提出了多工況下的工作輥磨損預報模型,能準確量化潤滑軋制、高速鋼軋輥等對磨損的改善作用,采用模擬退火遺傳算法等智能算法確定模型關鍵參數。

4)利用有限元二次開發功能,建立了溫度-相變-應力應變一體化耦合模型,實現帶鋼軋后冷卻過程中板形演變的耦合求解。

2先進輥形技術的自主研發

板形控制技術的每次飛躍,總是來自于軋制設備結構的革新及工藝思想的升華,如液壓彎輥技術的出現,使得板形控制不再單純依賴軋機負荷分配及初始輥形配置,為板形控制提供了直接、高效的調節手段,實現了板形質量第一次質的飛躍;液壓竄輥技術的出現,推動了軸向移位變凸度類工作輥技術的不斷發展,提供了更為強大的板形控制能力。實現了帶鋼斷面質量和浪形的協調控制;提高橫向剛度和減少有害接觸區思想的提出則衍生出了大量新軋機機型和先進軋制技術,如HC軋機、UC軋機、變接觸軋制技術等。軋制中心在輥形技術方面進行了大量研究,開發出了一系列先進的輥形技術。

2.1高效變凸度工作輥輥形技術的研發

三次曲線工作輥輥形目前在軋制過程中已經得到廣泛應用,其板形控制能力隨著帶鋼寬度的變窄成平方關系下降。為了增大軋機的板形控制能力,尤其是增加軋機對窄規格帶鋼的板形控制能力,開發了高效變凸度輥形(HVC),實現了等效凸度與竄輥位置成線性或近似線性關系。HVC輥形使得輥縫在指定寬度區間內呈線性化,而在其他寬度區間內呈二次函數平滑分布,保證工作輥的等效凸度調節能力滿足各種寬度規格帶鋼板形控制的需求。

2.2變接觸支持輥輥形技術的研發

熱軋軋制條件復雜惡劣,板形控制的干擾因素很多,所有干擾因素可集中表現為軋制過程中軋制力的波動和輥形的變化,為了消除或減輕軋制力的波動和輥形的變化對板形控制、操作等造成的影響,改善軋機的板形控制性能,軋制中心開發了變接觸支持輥技術(VCR)。

此技術的核心是在支持輥上磨削特殊的輥形曲線,使得輥系在軋制力的作用下,支持輥和工作輥的輥間接觸長度能夠與所軋帶鋼的寬度相適應,減少或消除輥間有害接觸區,提高承載輥縫的橫向剛度,增加軋機對板形干擾因素(包括來料的板形波動和軋制力波動等)的抵抗能力,抑制板形缺陷的產生,使軋后帶鋼的板形保持穩定。

隨著HVC/CVC等軸向移位變凸度工作輥的廣泛使用,軋制中心又開發了新一代變接觸支持輥輥形技術(VCR ),通過設計原始的變接觸支持輥曲線,并在此基礎上疊加高次工作輥曲線,達到提高變接觸軋制效果的目的。圖1所示為VCR 和高次曲線工作輥的配合情況。

變接觸支持輥可以將低橫向剛度的輥縫轉化為高橫向剛度的輥縫,顯著提高軋機的板形控制性能。VCR/VCR 技術改變了支持輥與工作輥輥間的接觸狀態,對改善支持輥軸向不均勻磨損具有積極的作用。

自20世紀90年代變接觸支持輥技術開發成功以來,變接觸支持輥技術在國內各大鋼廠的熱軋、冷軋、平整得到了大量應用,在防止軋輥剝落、降低輥耗、延長軋輥服役周期等方面均取得了良好效果。此外,VCR/VCR 技術以及HVC工作輥輥形技術還成功輸出到韓國浦項光陽四號熱連軋生產線。

2.3非對稱工作輥輥形技術的研發

隨著市場多鋼種、小批量及交叉軋制的需求不斷增加,傳統的棺形軋制計劃編排原則也越來越難以實現;同時,低凸度、超平材的需求也被市場所提及。CVC、HVC等軸向變凸度工作輥主要用于控制帶鋼寬度方向輥縫形狀,這類輥形在軋制過程中的磨損特征與常規凸度工作輥相同,但由于其竄輥是根據軋制帶鋼各道次的目標板形進行設定,不但無法做到均勻化磨損,而且當磨損累積到一定程度以后,輥形原有的控制特性也很難保持。為了滿足以上控制需求,軋制中心開發了非對稱工作輥輥形技術(ATR),其設計思想是利用輥形和竄輥的非對稱性來改變工作輥的磨損特性,進而改善輥縫的非對稱性。

圖2為ATR輥形的工作原理,根據軋制過程中軋輥的磨損規律,設定特殊的竄輥方式,使得工作輥的磨損由凹槽形轉化為半開放形磨損,即打開凹槽一個邊,使帶鋼始終處于輥形較為平坦的區域內,打破由寬到窄的棺形軋制規程約束,并結合強力彎輥保證承載輥縫的正常可控。ATR技術在一定程度上可以實現自由規程軋制(SFR),同時由于其一端帶有錐形,一方面可以提高彎輥力的作用效果,減小有害接觸區,提高輥縫橫向剛度;另一方面,錐形部位可以對帶鋼邊部產生局部作用,顯著改善帶鋼邊部板形,能滿足硅鋼等專用鋼對邊部板形控制的特殊要求。

2.4冷軋邊部變凸度工作輥輥形技術的研發

冷軋硅鋼作為國家優先發展的高效節能的優秀軟磁功能材料,是我國鋼鐵工業品種結構調整的重中之重。冷軋硅鋼最終要進行疊片,因此對同板差的要求非常高,目前市場的準入條件為同板差小于10μm,高端市場則接受7μm以下。冷軋硅鋼同板差控制瓶頸主要在于邊部減薄,而邊部帶錐度工作輥的使用是冷軋帶鋼邊部板形控制的重要手段。如果冷軋機工作輥帶竄輥,如UCMW、HCMW軋機,則可以在工作輥上設計簡單錐度,通過邊降控制儀檢測到的帶鋼實時邊降值調整竄輥,做到邊降閉環控制,得到較好的精度;而對于一些工作輥不能竄輥的冷軋軋機,則初始輥形設計對于邊降的控制具有積極的意義。軋制中心提出了邊部變凸度工作輥(EVC)技術,主要用于冷軋軋機,實現在一個軋制單位內,寬度帶鋼近似相同情況下的冷軋帶鋼邊降控制,如圖3所示。

2.5混合變凸度工作輥

混合變凸度工作輥(MVC)主要用于解決熱軋過程中的高次浪形,其開發需求來自于熱軋不銹鋼的四分之一浪。熱軋不銹鋼軋制過程有兩大明顯特點:

1)溫降大。如果沒有邊部保溫或邊部加熱等措施,熱軋不銹鋼精軋出口橫向溫差經常能夠超過100℃;

2)負荷大。相比于同規格普碳鋼,不銹鋼的負荷更大,特別是低鎳高氮類不銹鋼,負荷能增加70%-90%。

在  采  用1450 mm、1580mm、1780mm熱軋軋機進行不銹鋼生產時,精軋出口會有明顯的高次浪形缺陷,主要表現為雙側四分之一浪形,而且對于固定寬度軋機,四分之一浪的位置也相對固定。為此,軋制中心開發出一種特殊的工作輥輥形,對于特定的軋機,在四分之一浪出現位置相對固定的前提下,在出現浪形區域,對輥形進行適當的補償,通過輥形的補償減小局部壓下量,避免浪形的發生。如圖4為MVC工作輥輥形對高次浪形的補償示意圖。

3高精度板形控制系統的國產化進程

長期以來,能開發全套板形控制模型的只有國外少數電氣公司,國內多家科研院所從20世紀60-70年代開始,也在板形理論領域進行了深入的研究,并取得了一些成果,但從理論研究到現場運用,特別是成套板形控制系統的工業運用一直未有起色,同時,外方對板形模型的關鍵技術封鎖愈加厲害,企業在后續維護以及產品擴展方面顯得力不從心。

近20年,軋制中心在板形控制理論及板形單項技術上進行了大量研究,基于理論研究的板形離線仿真模型也相繼被開發出來,并著手于在線板形控制模型領域內的進一步開拓,開拓初期遇到諸多困難,歸結為以下幾個方面:

1)缺乏具有自主知識產權的過程控制平臺。國內早期對引進的熱軋過程控制系統進行了一些消化和吸收,但自主開發成套的過程控制系統還是近些年才得以實現,作為全線控制系統的一部分,板形控制模型同樣需要這個平臺,進行如數據交換、事件觸發、進程通訊等工作,因此,自主板形控制模型的開發在周期上存在對平臺的依賴性。

2)缺乏實體對象。國內早期的熱連軋走全盤引進的路線,國內研究機構很難有機會參與過程控制系統的建設,雖然軋制中心已較早開發出板形離線模型,且在一些試驗軋機上進行了相關驗證,但由于基于理論的離線模型和在線模型

之間必然存在一定的差別,為保證模型精度,需要對一些參數進行在線修正,對于一些異常事件的處理也需要通過在線方式得以發現,因此,具體的軋機對象在模型開發過程中非常重要。

3)板形相關工藝有待于進一步探索。板形控制與厚度控制、溫度控制等最大的不同點是板形與現場工藝結合緊密,在從無到有的研發過程中,模型和工藝之間如何緊密結合尚需進一步的探索,探索過程主要是現場跟蹤、模型優化、再跟蹤、再優化這一反復過程,后續的模型開發也證明了這一內容的重要性。21世紀以來,隨著寬帶鋼熱連軋的國產化進程加速,板形控制系統的自主研發也引來了契機。

板形控制的主要控制目標有凸度控制、平坦度控制以及局部斷面形狀控制,軋制中心開發的板形控制模型簡稱PFEC,其功能如圖5所示,P代表凸度控制;F代表平坦度控制;E代表局部斷面形狀控制,主要指邊降和局部高點控制。PFEC控制系統由兩部分組成,分別為在L2實現的板形設定計算模型和在L1實現的動態板形控制模型。板形設定計算模型主要保證帶鋼頭部,儀表檢測到帶鋼前的板形質量,而動態板形控制模型主要通過板形實測值和外界因素(如軋制壓力)的周期變化進行動態板形調節,保證帶鋼全長板形質量。

經過不斷優化和升級,自主開發的全套板形控制模型(PFEC)不斷推廣到國內一些新建或改造的熱連軋生產線,為企業帶來了巨大的經濟效益。截至2016年7月,PFEC板形控制模型推廣案例見表1所示。

4全流程板帶板形綜合控制技術

板形控制技術一直是板帶生產過程中的熱點和難點,新設備、新工藝、先進控制系統也圍繞著板形控制的需求不斷涌現。客戶對板形質量的反饋雖然一般來自于最后工序,但由于在整個板帶生產過程中,工序與工序之間有著密切的聯系,上游板形質量直接關系到下游來料的初始板形,因此,只在單工序進行板形質量控制難以取得理想的效果。眾多企業開始意識到,僅在局部流程進行技術攻關和研究并不能解決最終的質量問題,而需要各個工序配合,從技術上、流程上、管理上進行統一考慮。在板帶生產流程中,和板形控制相關的工序主要有加熱、熱軋、層冷、冷軋、退火、平整等,這也決定了如果想得到良好的板形質量,需要研究上述工序對板形的影響機理。板形控制技術由于涉及到設備、控制、工藝、管理等一系列過程,影響因素多,基于此,軋制中心率先在國內提出全流程板形控制的理念和思想,開發了一系列的板形控制技術及核心工藝,并在寶鋼梅山、馬鋼、漣鋼、新鋼、邯鋼等多個企業得到成熟應用,歸結如下:

1)高品質用鋼的起筋控制技術。通過研究起筋機理,從熱軋工序、冷軋工序、連退工序、鍍鋅工序中分別找出可能導致起筋的關鍵因素,然后綜合采用斷面控制技術、水系統管理、冷軋目標曲線優化、退火溫度控制、卷取張力控制等手段,實現高品種用鋼冷軋工序中部起筋和邊部起筋的有效控制。

2)硅鋼全流程板形控制技術。通過在熱軋工序、冷軋工序、平整工序進行相應的研

究,采用熱軋工作輥輥形技術、冷軋工作輥輥形技術、平整輥形配置技術等,實現不同類型軋機的硅鋼板形控制,包括高精度斷面質量控制及浪形控制。

3)板形質量綜合解決方案。通過對大量板形質量異議進行分析,輔以先進數據挖掘技術,從溫度控制、班組管理、模型精度、輥形設計、平整工藝等多個環節,提出一整套板形質量異議的解決方案。

4)軋后板帶內應力減量化技術。基于ABAQUS有限元建立熱軋帶鋼在不同冷卻工藝條件下的有限元模型,實現溫度、相變、應力三者的耦合計算,并進行溫度測試、材料微觀組織測試、應力測試等多個試驗驗證,得到軋后層流冷卻過程中,內應力演變規律和減量化手段,對分析帶鋼軋后冷卻不均、應力不均、翹曲等具有重要意義。

5結論和展望

通過20年的研究和實踐,軋制中心成功開發出具有全部自主知識產權的成套板形控制技術,申請國家發明專利超過20余項,獲得國家科技進步獎1項,省部級獎勵6項,使板形控制的技術指標達到國際先進水平,并且形成了一整套包括機型、輥形、工藝、控制、管理在內的全工序板形綜合解決方案,實現了板形綜合控制技術從消化吸收、創新到引領。

展望未來,板形控制模型和相應工藝仍然還存在需要完善和改進的地方,特別是鐮刀彎的檢測及控制技術、薄規格軋制浪形控制技術、模型對換規格的適應性等還有非常大的提升空間,對檢測技術的研究,對設備精度狀態的數字化評價、監控及維護將是板形控制面臨的最大挑戰。   (邵健)

 

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