利用调质机工辊凸度消除430不锈钢屈服平台

蒲嘉亮，徐向东，莫伟坚

（鞍钢联众不锈钢股份有限公司冷轧厂，广东 广州510760）

鞍钢联众冷轧退火酸洗机组主要生产200系、300系、400系冷轧2B不锈钢卷材。作为生产2B冷轧带钢最后一道工序的平整工艺段，其主要设备有表面调质精整机（下称SPM）及拉力矫直机（下称TLL）。然而，冷轧退火酸洗机组运行速度较快，当速度超过150 m/min时，TLL的工辊会使带钢表面产生刮凿痕，影响产品品质。现场在生产430钢种时，必须使用TLL，因为原设计工艺是通过TLL张力拉矫的方式给予钢带约0.5%～4%的延伸率，以消除带钢的屈服平台，否则430钢种的机械性能不达标，无法给下游客户使用。因此，通过优化生产工艺，实现只采用SPM，而不采用TLL也能消除430钢种的屈服平台，本文对此加以介绍。

1 平整工艺要求及SPM优化思路

1.1 带钢平整工艺要求

图1为带钢平整工艺加工前后的应力应变曲线示意图，由图1可知，带钢冷轧后经过退火再结晶，消除了加工硬化组织，但力学性能和加工性能变差。此时，430钢种的应力应变曲线具有明显的上屈服极限，并且在下屈服极限出现屈服平台，见图1（a）；通过平整工艺加工的带钢，随着伸长率的增加，屈服极限升高,消除了屈服平台，获得较好的延展性，消除轻微边浪、中浪，改善了板形，见图1（b）。从变形量来看，平整工艺加工实质是一种小压下率（0.5%～4%）的二次冷轧变形［1］。

图1 带钢平整工艺加工前后的应力应变曲线

1.2 SPM优化思路

对430钢生产时SPM工辊情况进行测试，当沿用原设计工辊凸度0.15 mm，轧制力为3 800 kN,出现各种无法消除的边浪（边部过轧）、中浪（中部过轧）等质量缺陷，钢板缺陷照片如图2所示。因此，需要寻求一种可通过轧制力求出相应工辊凸度的办法，一方面在生产430钢种时不但要消除其屈服平台，而且延伸率也要达到要求；另一方面需解决钢带的板形问题，满足现场生产质量的要求。经生产现场反应测试，要消除430钢带屈服平台，钢带厚度需满足变形率0.5%～1.2%的要求，经过轧制数模计算，对应的SPM轧制力需达到4 300～8 600 kN。表1为钢带厚度、轧制力、变形率对应表，由表1可以看出，轧制力跨度较大。

图2 钢板缺陷照片

表1 钢带厚度、轧制力、变形率对应表

拟通过有限元分析的方式，计算中部工辊在不同受力情况下的最大变形量，其变形量即为在该轧制力下所需凸度，同时使钢带各接触点的受力一致且足够，以达到优化目的。

2 有限元法计算与建模

2.1 工辊建模计算

SPM是通过凸度来弥补大轧制力下产生的SPM工辊形变，使整个钢带板面受力均匀。通常情况下，凸度的大小由SPM的轧制力决定，大轧制力采用大凸度，小轧制力采用小凸度。

理想钢带(无边浪、中浪，截面为矩形)通过时，只有SPM工辊沿钢带宽度方向上的受力均匀，钢带各处延伸率才能保持一致。理想钢带与工辊的受力如图3所示。若有板形问题，可参照理想状态对其进行微调，由实际操作经验可知，若出现边浪缺陷，要消除边浪，则需增加弯辊力，减小轧制力。

图3 理想钢带与工辊的受力

采用反求法，假设工辊是直辊(无凸度)，以两侧压下机构为支点，向辊面施加3 800 kN的均布力，求出中心位置产生的变形量，即工辊的凸度为中心位置产生的变形量。根据工辊材质，选取对应的机械性能参数见表2，并根据Solid works软件输入分析要素，定义辊面受力和网格单元大小，建立数学模型，SPM工辊建模如图4所示。建模后计算位移量，位移量计算结果见图5。

通过设定不同的轧制力Fn2（2000kN、3000kN、4 000 kN、5 000 kN、6 000 kN、7 000 kN、8 000 kN、9 000 kN、10 000 kN），计算相应中部变形量 X，拟合出轧制力-合力位移（变形量）曲线如图6所示，当轧制力Fn2=3 800 kN时，辊面中部最大变形量X=2.998e-0.01mm。也就是说，当使用3 800 kN的轧制力的时候，需要使用0.3 mm的凸度的工辊，即可保证钢带表面均布轧延。显然原凸度（0.15 mm）与轧制力（3 800 kN）的匹配设定不合理。

表2 SPM工辊选取机械性能参数表

图5 SPM工辊静态位移量计算结果

图6 轧制力-合力位移曲线

2.2 弯辊力对工辊的凸度补偿

以工辊两侧压下机构为支撑，对两侧辊头施加弯辊力Fb1和Fb2，模拟弯辊力示意图见图7，工辊发生弯曲变形，其变形量可起到凸度补偿的作用。轧制不同厚度的钢板，需要不同的轧制力，而生产过程中，为保证产线连续生产效率，无法频繁切换工辊凸度。此外，按轧制430钢板时轧制力（4 300 kN～8 600 kN）的要求，需配多种凸度工辊方可满足现场生产，这无疑对现场生产条件造成困难。通过弯辊力产生变形量的能力计算，现场采用2～3种凸度，搭配弯辊力的作用，满足了生产430钢板各种厚度及轧制力的需求。

图7 模拟弯辊力示意图

SPM设备可输出的最大弯辊力为800 kN,即单侧轧制力的上限为400 kN,50%弯辊力与-合力位移曲线如图8所示,弯辊力可使工辊中部产生最大的变形量为0.09 mm,且弯辊力与SPM工辊的变形量是线性关系。

图8 50%弯辊力-合力位移曲线

3 结果分析与应用效果

3.1 优化参数设定

根据上述思路，若工辊凸度（研磨设定）和弯辊补偿量（0～0.09 mm）能够抵消工辊轧制过程的中部变形量,则可认为能够得到平直的轧制接触面,实现板面品质最优化，即凸度、弯辊补偿量及工辊中部变形量满足：

凸度±弯辊补偿量=工辊中部变形量（0 mm＜弯辊补偿量＜0.09 mm）

经过整理，得到的SPM轧制力和工辊凸度的速配表如表3所示。

表3 轧制力与理想凸度速配表

3.2 效果验证

对上述结果进行优化，将SPM工辊凸度从0.15 mm改为0.39 mm，初始轧制力设定为4 800 kN,TLL不投入使用。根据来料板形状况（边浪、中浪）对轧制力及弯辊力进行适当调整，可得出平整的板形。切取试片进行拉伸测试，应力应变曲线见图9，从图中曲线可以看出，钢带经过SPM精整轧制后，已消除屈服平台，机械性能符合使用要求，实现了以SPM替代TLL，并消除屈服平台的功能，解决了产线速度高于150 m/min时，TLL产生刮凿痕的问题，打破了平整工艺段的速度瓶颈。经测试，产速由原来的不高于150 m/min提升到230 m/min，总体品质及产速都得到提升。

图9 应力应变曲线

除430钢种外，还可以依据不同钢种品质要求定义合适的参数，如延伸率（0.4%～2%）、带钢厚度及宽度等，通过数模计算SPM的轧制力、工辊中部变形量并选定合适的凸度。

4 结语

原设计的SPM工辊凸度（0.15 mm）对应轧制力（3 800 kN）的匹配设定不合理，工辊面各点的变形量大于凸度值，未能有效利用轧制力改善板形；按照所需变形量，利用数模计算出轧制力，在不超过设备的可操作范围内，推出合理的凸度并加以使用，可满足消除屈服平台的要求。