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高精度轧制与控制冷却技术(课程报告)学号：S20156012姓名：李宗武专业：材料加工工程单位：北京有色金属研究总院伴随着人们环保节能意识的增强，企业越来越重视在生产中运用先进工艺。通过对生产工艺的改善，一方面可以提高产品的生产效率，降低生产成本；另一方面可以减少能耗，缓解环保压力。轧制技术作为一种传统的加工工艺，过去对于我国钢铁行业的发展、崛起起到了巨大的推动作用。时至今日，不少钢铁厂家仍以轧制产品生产为自己的主业；然而我们也应该看到，我国钢铁行业面临的主要问题：品种亟待升级，布局调整缓慢，能源环境原料约束增强，自主创新能力不强等。在当前这样一个大行业整体萎靡不振的严峻形势下，钢铁企业需要重新审视自己发展战略，积极通过调整来应对困境。对于这些产品以轧制为主的企业来讲，更需要抓住轧制工艺不断优化升级这样的一个有利时机，升级工艺，重回正轨。轧制过程是由轧件和轧辊之间的摩擦力将轧件拉进不同旋转方向的轧辊之间使之产生塑性变形的过程。通过轧制可以实现板带材、型材、管材的加工，各类材料对于轧制流程设计、设备构成、轧制精度有着不同的要求。以在生产中所占份额较大的板带材的轧制为例：板带材在深加工中往往冲制成各种零部件，高的材厚度精度、优异的板形会降低冲模损耗，延长其寿命，同时，高精度板材在深加工过程中相应工件切削量也会减少，极大节约了原材料，减少了对于矿石能源的依赖。可见，总结各种可以提高轧制精度的方法并逐步应用到生产中去，对于企业而言是非常有必要的。在本次课程报告中，我将在课下查阅介绍轧制工艺新进展的相关文献基础上，结合课上朱老师所讲授的内容，对当前阶段轧制技术的发展特点加以介绍，以期为一些企业以后的生产提供借鉴。1.热轧宽带中高碳钢的高精度轧制技术高碳钢中碳含量一般介于0.25%~1.25%，各种强化合金元素加入使得它具有高硬度及良好的韧性、耐磨性、红硬性等性能，热轧高碳钢在机械制造、航天航空以及汽车制造等领域都有着大量应用。合金元素复杂，碳含量较高造成了高碳钢轧制变形抗力大，其厚度、板形的控制不易实现。华南理工大学的李烈军等人[1]与广州珠江钢铁有限责任公司合作，在薄板坯连铸连轧技术的基础上对中高碳钢高精度轧制工艺进行了探索，分别从铸坯形状控制、冷却系统优化、轧辊位置调整三个方面展开。（1）轧制过程中，高碳钢热轧变形抗力大，对于铸坯形状的敏感性较强，调整难度是比较大的。为保证高精度轧制，必须保证铸坯的形状稳定。图1、2分别是低碳钢薄板坯、弹簧钢50CrV4薄板坯的实测坯形曲线，经过对比可以看出，铸坯形状变化较大，原有坯形曲线不再适用高碳钢的生产。针对这种情况，为减少坯形对最终产品的影响，需定期对铸坯进行取样测量，建立起一个完善的坯形数据库。生产过程中及时根据钢种、坯料厚度的改变做出及时调整，才能确保板形控制系统的工作效果达到最优。图1.低碳钢薄板坯的坯形曲线图2.弹簧钢50CrV4薄板坯的坯形曲线（2）冷却系统优化：高碳钢轧制抗力大造成轧辊温度较高，经实测结果显示温度达到70℃以上（普通为50℃~60℃），这样最直接的后果就是热凸度过大，板材质量急剧恶化，厚度精度减小。每隔100mm为一个单位，研究人员通过分段测量轧辊温度，合理调整冷却水量，最终得到一个合理的冷却工艺，表1中给出的是调整前后轧辊表面各段的温度情况，图3中给出了F3机架两种情况下轧辊表面温度的对比。表面温度的稳定将减少轧辊表层裂纹的产生及剥离，并为后续热凸度的参数优化过程奠定基础。表1.调整前后冷却水量变化%（3）轧辊配置改进：传统机架前段轧辊材质为高铬铸铁，后段轧辊为普通ICDP材质，支撑辊采取Cr2；这对于轧制负荷较高的高碳钢是不适用的，不加改进则会导致轧辊的磨损加剧，不利于降低成本。经过在实际生产中的探索、总结，李烈军等人给出了适用于高碳钢热轧轧制的轧辊材质配置方案，如表2中所列。表2.新的轧辊材质选取方案通过采取新的配置方案，可有效解决高碳钢轧制中面临的问题，支撑辊吨位增加40%，前段机架工作轧辊吨位增加达到60%~120%。2．AGC系统在棒材连轧生产中的应用同样针对轧件尺寸的精确控制，内蒙古科技大学的崔桂梅等人[2]给出了棒材轧制中提高轧制精度的一个方案,即通过引入基于神经网络的AGC系统，在基于BP网络的椭圆-圆孔型轧制压力预测模型的基础上，可以实现棒材的高精度轧制。AGC系统的理论基础是弹跳方程，其控制过程为：通过将测到的厚度值与理论厚度值进行比较，求出相应偏差，利用偏差控制轧机下一步的压下量，进而实现对轧件厚度的控制。事实上，应用BP神经网络相关知识可以解决棒材轧制厚度控制延迟的问题。图4、5给出的分别是传统棒材轧制生产线和基于AGC系统的生产线。图4.传统棒材轧制生产线图5.基于AGC系统的棒材轧制生产线在图5给出的工艺中，可以看到AGC系统设计在8架平立交替精轧机架的最后两架轧机上。生产过程中，该系统将实现垂直于机架方向上的自动辊缝调节，同时AGC系统还与MON监控系统、HPC液压位置控制系统共同完成对于棒材尺寸的控制工作，如图6所示。图6.液压AGC尺寸控制系统这里涉及到的BP网络实质上是一个高度非线性拟合系统，建立该网络的关键就是据工程实践选取网络的输入层节点、输出层节点，最终确定合理的隐层节点。隐层节点设计需要遵循适度的原则，太少侧模拟精度不够，太多会出现过拟合的现象。经过对BP网络模型的训练，就可以展开相关预测工作。图7给出了预测轧制压力的结果，与实际值相比后发现，误差在6%以内。图7.BP网络对轧制压力的预测结果崔桂梅等人结合BP网络、AGC系统设计出了如图8所示的厚度控制系统，根据图示可看出：根据BP网络输出可以提前判断没道次轧制压力，由弹跳方程求出轧件高度，与给定值进行比对求出增益，增益值作为控制厚度系统的输入值调节液压轧机压下量，从而控制轧件的出口高度。由于该系统不存在迟滞现象，因此大大提高了棒材轧件的精度。图8.基于BP网络的AGC厚度控制系统3．控制轧制与控制冷却技术（TMCP）控轧控冷技术是针对传统轧制工艺而提出的，在传统工艺中加入对轧制过程、冷却方式的控制内容，TMCP技术的出现为社会提供了越来越优良的钢铁材料，推动了社会的发展进步。控制轧制目的是优化热轧条件，使奥氏体晶粒变为细小铁素体组织或其他复相组织，提高力学性能；控制冷却核心思想是控制形变奥氏体的相变过程，进一步细化晶粒组织，弥补控制轧制细化能力的不足，增强材料韧性。相较于控制轧制，控制冷却效果更佳明显，也更容易实现，成本比较低，因此研究人员对于冷却工艺做了更多研究，提出了各种改善方法。在实际生产中，各种设备以及生产线确定后，只能通过对流散热的方法来控制相应生产线的冷却过程。对流换热涉及到的介质包括液体、气体以及两者的混合物，水作为“最廉价的合金元素”，仍是目前最主流的冷却介质。冷却方式可分为喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、雾化冷却等方式，各种方式都有各自优缺点，评价一个冷却方式优劣的标准最重要的是冷却效率和水循环次数。在实际应用中并非水量越大效果就越好，压力也是另一个决定冷却效果的重要因素，因此厂家要做好水用量与水压的平衡，合理设计冷却工艺。为进一步提高产品性能控制的稳定性和冷却能力，钢铁企业更是相继推出一系列的新型冷却模式，从法国BERTIN&CIE的ADCO装置到比利时的CRM超快速冷却装置，抑或是JFE公司的Super-OLAC装置，作为新型超快速冷却装置来讲，均可以实现轧后快速冷却，同时可以实现直接淬火，这些方法在建筑结构板、桥梁板、超低温容器板、工厂机械用钢等高强钢的生产中实现了真正意义上的实用化。而我国在超快速冷却方面做的比较好的是东北大学，目前研究人员已经开发出一种高冷速系统，图9给出的是该冷却系统在实际生产线中的配置情况。图9.某厂家2250热连轧机轧后控制冷却系统配置情况4．板形控制板带材作为钢铁工业的主干产品，是一种在经济各部门应用广泛的重要材料。目前对于板带材几何尺寸中的厚度控制研究比较多，相应工艺也比较成熟，作为另一个方面的板形控制，显然还有很大一段路要走。良好的板形需要满足一定的几何条件，控制不当容易产生侧弯、中浪、边浪等形状不良的缺陷。引发形状不良的原因可归结为三点：（1）工作辊、支撑辊设计不当，（2）工作中轧制条件突然变化，（3）工作中轧制板材来料形状突然变化，分析以上三个原因可以发现，它们都导致了辊缝与轧材形状的不匹配。三十多年来，对板形的控制、改善一直是板带生产的关注热点，在此期间也取得了一些长足进步。其中比较重要的是M.DStone的弹性基础梁理论和液压弯辊的实用研究，这使得板形问题取得了重大突破。从工艺方法来讲，首先可以通过安排不同规格产品轧制来实现板形的有效控制，要求根据轧制板材的要求对轧辊温度、张力等进行合理调整，实现轧辊与板材两者之间的匹配；其他板形控制工艺总结来讲就是改变原来轧辊不可调的状态，如液压弯辊采用的是通过轧辊、支撑辊施加液压弯辊力，改变轧辊瞬时有效凸度，CVC技术则更进一步，用两个轴向可移动的与严格圆锥体稍有差别的S形辊身的工作辊组成，调整轧辊位置改变辊缝几何形状，轧辊有效凸度也会相应改变。除此之外，还有其他一些工艺来完成板形的控制工作。鉴于板形控制问题的复杂性，目前的板形控制技术还需要进行一定的改进。5．板带热轧半无头轧制技术（ISP）穿带问题在传统单坯精轧中容易出现，导致了轧制效率的低下，此外在板厚的精度控制上还有很大的提升空间。无头轧制的研发正是为了规避传统技术的不足，ISP技术作为传统单坯轧制向无头轧制的一个过渡，可以显著提高轧制过程的稳定性和成材率，整个过程中几乎不会出现板形不良问题。半无头轧制技术的核心问题是中间坯的连接过程，目前发展出的连接技术有很多，图10给出的是各种连接技术的简图。连接环节要求严格：时间要短，强度要高，尽可能实现不同钢种间的连接。图10.各种连接工艺简图国内北科的康永林老师对于半无头轧制技术研究开展的比较早，图11给出了康老师以压齿-压合连接法为核心的半无头轧制工艺设备图。可以看出，只需额外添加一台切头剪、压力机和中间坯头尾对正辅助机构，相应成本比较低。图11.基于压齿-压合工方法的半无头轧制工艺设备布置压齿-压合方法本质是一种机械连接工艺，对于前后中间坯的冶金成分、力学性能及表面状态均没有太大要求，通过压力机作用使得齿槽间产生大的塑性变形、机械咬合、焊合区，保证了连接界面的强度，为后续精轧过程的进行奠定了基础。图12中为利用压齿-压合连接工艺的实验效果图。图.12压齿-压合法连接效果图半无头轧制经过这几十年的发展，仍然存在一部分问题：各种控制设备高可靠性、高稳定性的运转离不开硬件设备质量的提高；节奏控制、事故处理往往会造成时间的浪费、生产成本的升高，因此还需要建立起整个系统的问题自查体系；在做好系统研发的同时多考虑一些实际生产中的不稳定因素。文献引用[1]李烈军，沈驯良.高品质热轧宽带中高碳钢的高精度轧制技术研究[J]冶金丛刊.2012,No.1,P:17~22.[2]崔桂梅，冯晓东，李伟明.基于神经网络的AGC系统在棒材连轧中的应用[J]物理测试.2013,V(31)No.3,P:58~62.[3]朱老师课件.