高精度_高性能冷軋鋼板軋制技術(shù)的開發(fā)

1、1998年2月Feb. 1998武 鋼 技 術(shù)WISCO T ECHNOL OGY高精度、高性能冷軋鋼板軋制技術(shù)的開發(fā)日 重松 健二郎等1 緒 言近年來,從工業(yè)產(chǎn)品的高可靠性和高質(zhì)量的觀點出發(fā),用戶對冷軋鋼板的要求更加嚴(yán)格化和多樣化。特別是在鋼板加工的生產(chǎn)線上,為了提高制造工藝的自動化、防止生產(chǎn)線故障、提高生產(chǎn)率和提高復(fù)合疊層產(chǎn)品的尺寸精度,對作為原材料的冷軋鋼板要求整個長度、整個寬度上板厚精度高。另外,從汽車制造廠來看,為了達(dá)到輕型化,要求提供原材料強(qiáng)度高;同時,為了外殼等形狀復(fù)雜部件的整體成形,要求提供成形性良好的原材料。為了獲得成形性,特別是深沖性良好的冷軋鋼板,開發(fā)了用Nb 和Ti 固

2、定C 的超低碳鋼。而為了進(jìn)一步提高深沖性,希望進(jìn)行高壓下的冷軋。另一方面,隨著汽車的大型化,寬幅鋼板的需要量增加,強(qiáng)烈要求開發(fā)能夠?qū)?yīng)于大范圍的產(chǎn)品尺寸和壓下條件的軋制技術(shù)。為了滿足以上的要求,住友金屬工業(yè)公司建造了鹿島制鐵所的第二臺冷軋設(shè)備,開發(fā)了新的冷軋鋼板軋制技術(shù)。2 薄邊控制技術(shù)的開發(fā)2.1 控制薄邊的手段 在冷軋中,由于板寬邊部的工作輥壓扁變形的恢復(fù)和軋材的寬向塑性流動,發(fā)生邊部減薄,成為板寬方向厚度精度不良的主要原因。作為減少薄邊的手段,近年來提出并實用了的方法有使用小直徑工作輥的方法和沿著板寬方向移動在輥身一端有錐形部位的工作輥的方法。也曾報導(dǎo)過與這些特殊的軋制方法不同的方法,如

3、在串列式冷連軋機(jī)的前面機(jī)架中進(jìn)行二次曲線狀軋輥凸度的控制,便能使薄邊減輕。2.2 薄邊控制的特性解析用嚴(yán)密考慮了軋制方向和板寬方向應(yīng)力平衡的三維板坯法解析模型研究薄邊控制的特性。在解析模型中,軋輥的彈性變形中軸心撓曲是用軋輥凸度補(bǔ)償?shù)?只考慮了壓扁變形。計算條件為軋輥直徑300600m m,材質(zhì)SPCC,帶鋼厚度1.0 6.0mm,壓下量30%,帶鋼寬度1000m m,后張力20M Pa,摩擦系數(shù)0.05,前張力98M Pa,而入口側(cè)母材的斷面形狀是矩形。用上述模型計算了鋼板凸度C 5(板寬中央的板厚減板邊5mm 處的板厚和軋輥凸度C R (軋輥中央的直徑減輥身端部直徑的關(guān)系,其結(jié)果示于圖1。

4、輥徑越小,所形成的鋼板凸度就越小,如果增加軋輥凸度,則不管輥徑多大,鋼板凸度基本上以一定的比例減小。將軋輥凸度沿板寬方向上的變化與鋼板凸度的變化之比定義為軋輥凸度復(fù)制率C P ,改變?nèi)肟诎搴袂蟪鯟 P 在寬度方向的分布,結(jié)果示于圖2。鋼板越厚,凸度復(fù)制就越大,而且在大范圍內(nèi)發(fā)生,但如果板厚為6mm,則凸度復(fù)制的范圍基本上限制在板寬邊部的100m m 內(nèi)。在平面應(yīng)變的條件大體成立的板寬中央部位,由于所謂張力反饋效果,軋輥凸度由軋輥表面的壓扁變形抵銷,斷面形狀不變化,復(fù)制率基本上為0。在產(chǎn)生鋼板寬度方向塑性流動的板寬邊部,復(fù)制率增大,隨著軋輥凸度的變化,斷面形狀也變化。因此圖1中所示的鋼板凸度C

5、5的變化量表示板寬邊部的斷面形狀。即薄邊的變化量。圖1 軋輥凸度控制對鋼板凸度的影響39 圖2 軋輥凸度復(fù)制率的分布用軋輥凸度控制斷面形狀時,擔(dān)心鋼板平直度變差。圖3所示是在假想冷軋中間道次的入口側(cè)板厚2mm 的軋制中伴隨軋輥凸度變更的平直度與鋼板凸度的關(guān)系。輥徑為500mm 時即使使鋼板凸度C 5從70 m 減少到0 m,以板寬中央為基準(zhǔn)的板邊25mm 處的延伸率差 25反映的平直度,只是從50I 單位(10-5的應(yīng)變慣用單位的邊浪變到-75I 單位的中浪。在對鋼板加有很大張力的串列式軋機(jī)機(jī)架之間,允許延伸率差為 150I 單位左右的平直度,所以在平直度變化對軋制操作不產(chǎn)生妨礙的范圍內(nèi)實際上

6、能夠進(jìn)行很大的鋼板凸度控制。而在平直度變化相同的情況下,輥徑大則鋼板凸度可變范圍就大。小直徑輥所形成的鋼板凸度本來就小,但即使用大直徑輥,通過軋輥凸度控制, 其差也容易補(bǔ)償。圖3 延伸率相對差與鋼板凸度的關(guān)系下面通過上述解析模型研究了5機(jī)架串列式 軋制中的鋼板凸度可控范圍,包括母材板厚的影響。改變各機(jī)架的軋輥凸度,使No.14機(jī)架出口的平直度從平坦的狀態(tài)按延伸率差變成-100I 單位的中浪,求出了出口側(cè)鋼板凸度的變化。計算條件列于表1,軋輥直徑480mm,材質(zhì)SPCC,鋼板寬度1220mm,摩擦系數(shù)0.020.06,結(jié)果示于圖4。在這里,假定母材上有一定量的凸度,母材厚度為三種,圖4中用!#示

7、出了乘以各自的壓下率所獲的值。圖4 串列式軋機(jī)中鋼板凸度控制范圍注:C 100、C 50、C 25、C 15分別為板寬中央與離板邊100、50、25、15mm 處的板厚差。表1 計算條件機(jī)加號入 側(cè)12345出側(cè)鋼板厚度,mm 3.50 2.52 1.84 1.34 1.01 1.004.50 3.04 2.07 1.41 1.01 1.005.50 3.54 2.28 1.48 1.01 1.00張力,M Pa3191120159197122機(jī)架間平直度平坦時,母材越厚,鋼板凸度就越大,而平直度按延伸率差達(dá)到-100I 單位的中浪之前,如果使軋輥凸度變大,則反而母材越厚,鋼板凸度越小,能夠使

8、板寬邊部的板厚比中央部位更厚,母材厚的時候,斷面形狀的控制范圍大。在平直度為平坦的通常軋制中,如果母材變厚,各機(jī)架中的壓下率變大,由于軋制負(fù)荷的增大,則軋輥壓扁變形變大,因板寬邊部的恢復(fù)而導(dǎo)致的輥縫變化也變大,所以鋼板凸度增大。與之相比,如果充分增大軋輥凸度,則母材要厚,各機(jī)架入口板厚大的軋件就會如圖2所示那樣,由軋輥凸度增大而帶來的降低鋼板凸度的效果變大,40 1998年第2期(第36卷 總第208期所以補(bǔ)償了軋輥壓扁變形增大的影響,能夠使鋼板凸度值更小。正如在C100C15的變化量之差中所見到的那樣,斷面形狀的變化大體上只在板邊附近發(fā)生,這種解析結(jié)果也示出了薄邊控制的特性。根據(jù)以上的結(jié)果,

9、能夠得出如下結(jié)論:在串列式軋機(jī)前段中配置具有大凸度控制能力的軋機(jī),進(jìn)行母材變厚的大壓下軋制,對降低薄邊是非常有效的手段。2.3 冷軋雙交叉軋機(jī)的開發(fā)2.3.1 冷軋雙交叉軋機(jī)的必要性從提高產(chǎn)品的深沖特性和擴(kuò)大高強(qiáng)度材料的制造范圍的觀點出發(fā),大壓下軋制是新軋制設(shè)備開發(fā)的重要目的之一。要進(jìn)行大壓下軋制,使工作輥徑縮小、軋制負(fù)荷降低是有效的,但是,如果縮小輥徑,則其組合輥間赫茲壓力又會相應(yīng)增大。對于相同軋制負(fù)荷的赫茲壓力,四輥軋機(jī)比六輥軋機(jī)小,為了抑制軋輥表面疲勞,如果將赫茲壓力限制在規(guī)定的極限值內(nèi),則四輥軋機(jī)的壓下率就得比六輥軋機(jī)的壓下率大。但是,與六輥軋機(jī)相比,通常四輥軋機(jī)的軋輥凸度控制能力差,

10、要大范圍的軋制尺寸控制機(jī)架間平直度和薄邊是困難的。因此,開發(fā)了將既是四輥軋機(jī),又具有強(qiáng)力軋輥凸度控制能力的雙交叉軋機(jī)應(yīng)用于冷軋的技術(shù)。2.3.2 冷軋雙交叉軋機(jī)的適用化在連軋機(jī)中,由于要連續(xù)軋制尺寸和材質(zhì)不同的鋼板,所以在軋機(jī)負(fù)載狀態(tài)下必須迅速地改變交叉角度。為了將在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的支撐輥軸承座與牌坊側(cè)的摩擦抗力降到最小,新開發(fā)了大容量平面軸承座,可以改變行進(jìn)間交叉角。另外,由于與至今仍在應(yīng)用雙交叉軋機(jī)的熱軋相比,變形摩擦、潤滑條件有很大區(qū)別,所以詳細(xì)調(diào)查了負(fù)荷特性,弄清楚了軋輥和鋼板寬向摩擦所產(chǎn)生的軸向力雖然大(軋制負(fù)荷的6%7%,但在設(shè)備上沒有問題,而且軋制負(fù)荷和轉(zhuǎn)矩等不受交叉角的影響,

11、不需要對軋制的基本控制進(jìn)行特別關(guān)注等,達(dá)到了實機(jī)化的目標(biāo)。根據(jù)以上結(jié)果,完成了世界第一臺冷軋雙交叉軋機(jī),引入至五機(jī)架串列式軋機(jī)(見表2的No.13機(jī)架內(nèi)。2.4 薄邊控制系統(tǒng)2.4.1 控制的概要表2 新的串列式軋機(jī)的主要規(guī)格項 目規(guī) 格軋機(jī)型式5機(jī)架全連續(xù)13機(jī)架為雙交叉軋機(jī)45機(jī)架為6輥CVC軋機(jī)工作輥 480 420mm2000mm 生產(chǎn)能力100000t/月鋼板尺寸厚度寬度入口2.06.0mm出口0.352.4mm6001880mm卷重(最大入口31t,出口46.5t軋制速度(最大1300m/min上述軋制設(shè)備中的薄邊控制主要是通過預(yù)調(diào)No.13機(jī)架的交叉角進(jìn)行的。以No.13機(jī)架的平

12、直度作為允許范圍,或者以最末機(jī)架的鋼板凸度和平直度作為目標(biāo)值設(shè)定,根據(jù)每卷鋼板的軋制條件在線計算并決定各機(jī)架控制驅(qū)動器的設(shè)定值。2.4.2 鋼板形狀預(yù)測模型為了預(yù)測各機(jī)架內(nèi)的鋼板斷面形狀和平直度,開發(fā)了在線對組合模型求解的控制模型。與以往使用根據(jù)在線解析結(jié)果得出的線性重回歸公式求出軋輥、材料變形在寬度方向分布的方法相比,使用開發(fā)的控制模型,每次都能夠正確地考慮實際操作中的各種軋制條件變化的影響,可以進(jìn)行可靠性高的預(yù)測。圖5示出了使用本模型得出的最末機(jī)架鋼板凸度C25的預(yù)測精度和以板寬中央為基準(zhǔn)的板邊50mm處的延伸率差 25的預(yù)測精度。不論有還是沒有邊部減薄控制,C25的預(yù)測精度為5 m,或者

13、 50為20I單位,鋼板凸度、平直度在實用上都有很高的預(yù)測精度。2.4.3 中間機(jī)架平直度控制以往的平直度控制是以使用出口平直度儀的最末機(jī)架的反饋控制為中心進(jìn)行的,而在進(jìn)行薄邊控制時,中間機(jī)架內(nèi)的平直度控制則變得更為重要。因此,適用了根據(jù)交叉角,工作輥彎輥裝置,軋制負(fù)荷的實測值實時推算的平直度,以此為基礎(chǔ),主要是通過工作輥彎輥裝置操作來控制修正與預(yù)調(diào)狀態(tài)的偏移。用下述公式進(jìn)行機(jī)架間平直度的推算。25,i=!0i+!J i J i+!i 2i+!p i P i(i=1,2,3(141武鋼技術(shù)圖5 板形預(yù)測模型的精度材質(zhì):碳鋼n=200卷 初始厚度:2.35.5mm最終厚度:0.452.3mm 鋼

14、板寬度:7971596mm式中 %交叉角實際值J i%工作輥彎輥裝置實際值P i%軋制負(fù)荷實測值!0i,!J i,!i,!p i是在開始軋制前用分割模型求得的常數(shù)。下標(biāo)的i表示機(jī)架號。這樣,既能減少薄邊,又能穩(wěn)定操作。2.5 薄邊控制的應(yīng)用結(jié)果由于在線測量儀精度上的制約,以評價指標(biāo)為鋼板凸度C25,而沒有將5 m作為目標(biāo)進(jìn)行控制的實際值分布示于圖6。控制接通時,73%達(dá)到目標(biāo)值5 m,實現(xiàn)了良好的控制精度。3 板厚控制技術(shù)的開發(fā)3.1 硬件的高性能化通過高響應(yīng)液壓壓下裝置(25Hz和AC電機(jī)(60rad/s,謀求驅(qū)動裝置的高響應(yīng)化,同時在全部機(jī)架中設(shè)置了鋼板厚度、鋼板速度、張力等計測 儀表,豐

15、富了控制信息。圖6 薄邊控制的精度3.2 板厚控制系統(tǒng)3.2.1 冷軋串列式軋機(jī)的板厚控制特性以往的板厚控制系統(tǒng)是以低響應(yīng)的驅(qū)動裝置作為前提構(gòu)成的,不能適應(yīng)高頻率的板厚變化,限制了精度的提高。串列式軋機(jī)的板厚控制特性迄今為止是作為對驅(qū)動裝置分級操作的板厚穩(wěn)定特性(影響系數(shù)處理的,而要使用高響應(yīng)的驅(qū)動裝置,控制到高頻范圍,則必須研究正弦波狀態(tài)操作下的頻率特性。以串列式軋機(jī)中間機(jī)架為對象,模擬了由壓下位置操作量向出口板厚變化 h的傳遞函數(shù)Gs 和由軋輥速度操作量向 h的傳遞函數(shù)Gv的頻率特性,模擬結(jié)果示于圖7。但Gs、Gv是正規(guī)化的。圖7 串列式冷軋機(jī)的厚度控制特性以材料從控制機(jī)架的上游一個機(jī)架行

16、進(jìn)到控制機(jī)架所需的時間作為L時,壓下位置操作傳遞函數(shù)的增益|Gs(j#|在1/(2L的奇數(shù)倍頻率內(nèi)增大,在偶數(shù)倍頻率和低頻率范圍內(nèi)變小。相反,軋輥速度操作傳遞函數(shù)的增益|Gv(j#|在1/ (2L的奇數(shù)倍頻率內(nèi)變小,而在偶數(shù)倍頻率和低421998年第2期(第36卷 總第208期 頻率范圍內(nèi)增大。這種傾向不依賴板厚、速度等軋制條件。其原因如下:進(jìn)行壓下位置、軋輥速度中任一種操作,控制機(jī)架上游機(jī)架的張力均變化,這樣,上游機(jī)架出口板厚變化 H 作為副作用產(chǎn)生。壓下位置操作時 H 與控制對象 h 是反相,軋輥速度操作時的 H 與 h 是同相。 H 對 h 的影響依機(jī)架間移動時間L 和變化的頻率之間的關(guān)

17、系而變化,由于時而使 h 增幅,時而使 h 減幅,所以控制結(jié)果 h 與操作量之比的傳遞函數(shù)增益依賴于頻率,這種傾向出現(xiàn)于壓下位置操作、軋輥速度操作中是相反的。在以往只考慮了穩(wěn)定特性(頻率為0的特性的控制中,不依賴于板厚干擾的頻率,通常進(jìn)行軋輥速度操作。而頻率接近于1/(2L時,控制效果小,不能完全消除板厚變化。作為措施,新近提出了對壓下位置也分配板厚控制量,以便消除在軋輥速度操作中產(chǎn)生的上游張力變化,即同時操作兩者的方案。這時的傳遞函數(shù)Gs 、v 的頻率特性也示于圖7中,能夠在全頻帶內(nèi)維持高增益。3.2.2 板厚、張力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)板厚、張力控制系統(tǒng)用于在各個機(jī)架中進(jìn)行監(jiān)控AGC(XMAGC、

18、質(zhì)流AGC (MFAGC、前饋AGC(FFAGC、張力不變控制(ATC、摩擦系數(shù)變化補(bǔ)償控制( com p。主要特征如下。(1傳動裝置矢量控制。根據(jù)據(jù)板厚控制特性的解析結(jié)果,以壓下位置、軋輥速度的同時操作(矢量控制作為所有AGC 、ATC 的基礎(chǔ),謀求板厚、張力的無干擾化。其最佳分配通過影響系數(shù)法用過程計算機(jī)對每一鋼卷、每一機(jī)架進(jìn)行計算設(shè)定。例如第i 號機(jī)架的M FAGC 的操作量分配由(2式得出。Si V i-1/V i- 1由軋=P i f if i - P i h i h i M i /(1-K a+hif i hi hi - f if if i +1 hi/hi (2式中 Si %壓下

19、位置操作量 V i -1/V i-1%逐次速度操作量 P i %軋制負(fù)荷 f i %入側(cè)張力應(yīng)力h i %出側(cè)板厚目標(biāo)值 M i %軋機(jī)剛性系數(shù)K !%等效軋機(jī)剛性控制的系數(shù) f i %前滑率(2最末機(jī)架AGC 。在最末機(jī)架內(nèi),為了確保產(chǎn)品的平直度或毛面軋制時表面粗糙度的均勻性,軋制負(fù)荷也必須作為控制對象。因此,考慮了用壓下位置、軋輥速度再加上壓下率(上游機(jī)架出口板厚(REDAGC三個操作量控制板厚、張力、軋制負(fù)荷三個對象的三個輸入三個輸出的最末機(jī)架專用AGC 。用響應(yīng)性好的壓下位置、軋輥速度非干擾控制板厚和張力,通過改變響應(yīng)性稍差的壓下率來補(bǔ)償由此產(chǎn)生的負(fù)荷變化。因此,實現(xiàn)了同時確保板厚精度

20、、平直度、操作穩(wěn)定性。3.3 板厚控制的適用結(jié)果通過應(yīng)用本系統(tǒng),長度方向板厚精度比本公司原有軋機(jī)大幅度提高了。包括加、減速部位,均達(dá)到目標(biāo)板厚的 0.4%以內(nèi)。4 高成形性鋼板的開發(fā)4.1 冷軋壓下率對材料拉伸特性的影響圖8中示出了用實驗調(diào)查壓下率對超低碳鋼圖8 冷軋壓下率對拉伸性能的影響43 武鋼技術(shù)44 拉伸特性影響的結(jié)果。將 6. 0m m 厚的熱軋板兩 面磨削到 2. 45. 0m m 后在實驗室冷軋到0. 7mm, 再在 870 & 下退火 40s, 從該鋼板上沿與軋制方向 成 0、 、 方向取 JIS5 號試樣, 進(jìn)行拉伸試驗。 45 90 隨著增大壓下量, 45方向的延伸

21、率和 r 值顯著增 加, 各向異性降低。0 和 90 方向的延伸率隨著壓 下量的增加而降低。在 80% 壓下率之前, r 值提 高, 而壓下率增加到 86% 后, 則 r 值降低。但是, 隨著壓下率增加到 86% , 三個方向的平均 r 值提 高。 4. 2 實機(jī)應(yīng)用結(jié)果 在以上 實驗 室研究 的基 礎(chǔ)上, 在 實機(jī) 上以 84% 的壓下率 將 4. 0mm 厚的 熱軋板 冷軋到 0. 65mm, 然后在 840 & 的退 火溫度 下進(jìn) 行連 續(xù)退 火。該鋼板的 JIS5 號拉伸特性如表 3 中所示, 三 個方向的平均 r 值為 2. 2, 延伸率為 50% , 能夠生 產(chǎn)加工性能良好

22、的冷軋鋼板。每月約生產(chǎn) 4000t 新開發(fā)的鋼板。 厚度 mm 0. 65 ( 0 45 90 平均 1998 年第 2 期( 第 36 卷 總第 208 期 表3 JIS5 號試樣的拉伸性能 n值 r值 方向 屈服強(qiáng)度 拉伸強(qiáng)度 延伸率 M Pa 120 122 120 121 MPa 290 295 288 291 % 50. 1 48. 8 51. 9 49. 9 0. 273 2. 25 0. 267 1. 99 0. 273 2. 51 0. 270 2. 19 精度鋼板的最佳生產(chǎn)技術(shù), 獲得了以下成果。 ( 1 即使在軋輥直徑較大的串列式軋機(jī)中, 將 具有大壓下能力和凸度控制能力的軋機(jī)裝在前段 機(jī)架中, 也能夠進(jìn)行有效的薄邊控制。 ( 2 作為實現(xiàn)上述功能的最佳軋機(jī), 建成了世 界上第一臺冷軋雙交叉軋機(jī)。 ( 3 調(diào)查了串列式軋機(jī)板厚控制的高頻率特 性, 通過開發(fā)最大限度利用高響應(yīng)驅(qū)動裝置能力 的新控制方法, 實現(xiàn)了長度方向的高板厚精度。 ( 4 確立了通過大壓下率軋制生產(chǎn)加工成形 性優(yōu)良的鋼板的技術(shù)。 傅吉臣 王向成 譯自鐵 校 鋼 1997( 1 : 545