丁 文 紅

（中冶南方工程技術(shù)有限公司 ，湖北　武漢　４３０２２３）

摘  要：針對傳統(tǒng)熱軋平整工藝無法滿足高強鋼精整加工需求這一技術(shù)難題，開發(fā)出帶壓力增益調(diào)節(jié)功能的高強鋼矯直平整工藝ＬＴＰ－ＤＳＶ（Ｌｅｖｅｌｅｒ　ａｎｄ　Ｔｅｍｐｅｒ　Ｐａｓｓｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｔｈ　Ｄｕａｌ　Ｓｅｒｖｏ　Ｖａｌｖｅ）。ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝利用矯直機降低高強鋼的殘余應(yīng)力水平；利用雙伺服變增益軋制力控制技術(shù)提升高強鋼的性能穩(wěn)定性；借助平整加工改善高強鋼的表面質(zhì)量。在保證高強鋼性能的前提下充分降低產(chǎn)品的殘余應(yīng)力水平。實際生產(chǎn)表明，ＬＴＰ－ＤＳ工藝能全面提升高強鋼的性能及質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高強鋼；殘余應(yīng)力；矯直；平整

１前言

采用高強鋼減少材料用量，降低環(huán)境影響，是現(xiàn)代工業(yè)的一項重要研究內(nèi)容。在汽車制造領(lǐng)域，運用高強度鋼板減輕車身重量，已成為該領(lǐng)域的重要技術(shù)發(fā)展方向［１］，與此相適應(yīng)，鋼鐵行業(yè)將高強鋼加工技術(shù)作為新的研究熱點，通過合金強化以及再結(jié)晶過程的控制，不斷提高材料強度，優(yōu)化使用性能［２］，使高強鋼的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。

為了提升熱軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量、平直度以及厚度精度，傳統(tǒng)上采用熱軋平整工藝對熱軋產(chǎn)品進行精整加工。對于普通熱軋產(chǎn)品，其內(nèi)部殘余應(yīng)力水平相對較低，熱軋平整工藝可以滿足產(chǎn)品的后續(xù)加工及使用要求。但熱軋高強鋼產(chǎn)品的內(nèi)部殘余應(yīng)力水平相對較高，在平整加工后殘余應(yīng)力水平依然較高，在后續(xù)使用過程中，高強鋼內(nèi)部的殘余應(yīng)力逐步釋放，造成材料變形，尺寸和形狀精度降低。為解決這一問題，需要對熱軋產(chǎn)品內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布以及平整工藝對其內(nèi)部殘余應(yīng)力的改善機理進行研究。

２傳統(tǒng)熱軋平整工藝存在的技術(shù)問題

２．１平整機理及降低殘余應(yīng)力的能力限制

２．１．１帶鋼內(nèi)部的板織構(gòu)特征

熱軋后的鋼板，其內(nèi)部形成軋制板織構(gòu)，致使組織內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布具有如圖１所示的確定的方向性。這種與軋制方向平行的應(yīng)力顯著大于其他方向上的應(yīng)力，是造成熱軋板殘余應(yīng)力水平高以及板形質(zhì)量差的主要原因。

熱軋板內(nèi)部應(yīng)力的誘因主要有兩個：一是為了消除疏松、孔隙等鑄造缺陷，熱軋通常采用大壓縮比軋制；二是由于熱軋板表面溫度高，芯部溫度低，造成軋制過程中表層與芯部具有不同的流動性特征。因此，在熱軋板中存在顯著的具有板織構(gòu)特征的殘余應(yīng)力。改變這種板織構(gòu)應(yīng)力分布，是降低產(chǎn)品殘余應(yīng)力水平的唯一途徑。

實際生產(chǎn)表明，平整工藝能夠在一定程度上降低熱軋產(chǎn)品的殘余應(yīng)力，進而改善板形，這主要是基于摩擦機制和延伸率機制［３］。

２．１．２作用機制及其能力瓶頸

在軋制、平整過程中，由于軋輥與帶鋼之間的摩擦作用，使帶鋼在厚度方向上產(chǎn)生不均勻變形，加工后在帶鋼內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。由于平整過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與軋制過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力方向相反，因此，借助平整工序，可使軋制過程產(chǎn)生的宏觀級別的殘余應(yīng)力得到降低，進而改善板形。其作用機理如圖２所示。

從摩擦機制可以看出，平整工藝降低殘余應(yīng)力的能力受兩個因素影響，一是帶鋼與軋輥間的摩擦系數(shù)；二是平整過程中所采用的軋制力。而鋼板表面的粗糙度由產(chǎn)品表面狀態(tài)要求確定，平整軋制力由產(chǎn)品的性能決定，因此，對于既有表面粗糙度要求又有性能要求的產(chǎn)品，平整工藝就存在一個能力瓶頸。

延伸率機制是通過在帶鋼軋制方向上施加一定的延伸量，使帶鋼變形的不均勻程度得到改善，從而降低帶鋼內(nèi)部的殘余應(yīng)力。由于高強鋼對產(chǎn)品的性能有著嚴格的要求，為保證其性能，需要在加工過程中限制其延伸率。

因此，對于殘余應(yīng)力水平相對較高，且性能敏感度也很高的熱軋高強鋼產(chǎn)品來說，傳統(tǒng)熱軋平整工藝無法滿足降低產(chǎn)品殘余應(yīng)力的需求。

２．２平整工藝的性能缺陷

從高強鋼的強化機制來看，加工過程必須對高強鋼的性能進行嚴格控制。因此，作為降低高強鋼殘余應(yīng)力的工藝必須兼具降低殘余應(yīng)力與控制材料性能雙重功能。傳統(tǒng)平整工藝，在材料性能控制方面存在系統(tǒng)缺陷，將其應(yīng)用于高強鋼加工，必須進行性能控制技術(shù)的提升。

傳統(tǒng)平整工藝采用恒延伸率方式控制材料性能。在延伸率閉環(huán)控制模式下，當實際延伸率與設(shè)定延伸率之間出現(xiàn)偏差時，采用調(diào)節(jié)軋制力的方式使延伸率保持恒定。因此軋制力動態(tài)控制精度直接決定了平整加工后帶鋼的性能穩(wěn)定性。平整機的伺服控制系統(tǒng)采用流量伺服閥調(diào)節(jié)平整軋制力。在負載情況下，流量伺服閥的零位壓力增益較大，因此，實施動態(tài)軋制力調(diào)節(jié)時，較小的電流輸入會造成很大的壓力變化量，降低軋制力的動態(tài)控制精度，造成產(chǎn)品性能穩(wěn)定性不高。因此，傳統(tǒng)平整機的伺服控制系統(tǒng)無法滿足熱軋高強鋼的性能控制需要。

３針對熱軋高強鋼的矯直平整工藝

如前所述，降低熱軋高強鋼殘余應(yīng)力水平的關(guān)鍵是減小鋼板上下表面與中部的應(yīng)力差，而增加鋼板上下表面的變形量，是降低具有軋制板織構(gòu)特征熱軋產(chǎn)品的最直接手段。同時，作為高強鋼的加工工藝，還必須能夠準確控制材料的性能。綜合上述兩項要求，研制出具有高精度性能控制能力的高強鋼矯直平整工藝（Ｌｅｖｅｌｅｒ　ａｎｄ　Ｔｅｍ－ｐｅｒ　Ｐａｓｓｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ以下簡稱ＬＴＰ）。

３．１降低殘余應(yīng)力的機理

降低板織構(gòu)殘余應(yīng)力水平的核心是減小帶鋼表層與中部的變形差，而彎曲矯直工藝的變形特點正好滿足了這一需求。圖３為輥式矯直工藝示意圖以及帶鋼進行矯直加工時的變形特點。矯直過程中，帶鋼沿輥子表面彎曲，在帶鋼厚度方向上，其伸長量存在差異，即帶鋼外表面伸長量大，中部區(qū)域伸長量小。同時，通過調(diào)整矯直輥輥徑或者壓入深度，就可以改變帶鋼表層與帶鋼中部的變形差，有效降低軋制后帶鋼內(nèi)部的殘余應(yīng)力水平。

對高強鋼而言，僅降低鋼板內(nèi)部的殘余應(yīng)力不能滿足其使用性能要求。而傳統(tǒng)的輥式矯直工藝在帶鋼性能控制上缺乏手段，因此，開發(fā)出新的矯直平整工藝。

３．２矯直平整工藝設(shè)計

新矯直平整工藝（ＬＴＰ）：具有伺服控制功能的平整機可以通過調(diào)節(jié)鋼板的延伸率控制材料的性能，結(jié)合矯直工藝改變軋制板織構(gòu)應(yīng)力分布，以滿足高強鋼加工的工藝需求。利用矯直機降低產(chǎn)品的殘余應(yīng)力，借助平整機的動態(tài)調(diào)節(jié)，保證產(chǎn)品的性能要求。其工藝布置見圖４。

熱軋高強鋼矯直平整機組主要包括開卷機、入口轉(zhuǎn)向夾送輥、矯直機、平整機、出口轉(zhuǎn)向夾送輥、卷取機等關(guān)鍵設(shè)備，并在入口轉(zhuǎn)向夾送輥、出口轉(zhuǎn)向夾送輥處配置延伸率控制編碼器。

在熱軋高強鋼精整加工過程中，通過矯直機充分降低軋制后高強鋼內(nèi)部的殘余應(yīng)力水平；利用入口轉(zhuǎn)向夾送輥、出口轉(zhuǎn)向夾送輥的延伸率檢測以及平整機的實時動態(tài)調(diào)整功能控制加工后高強鋼產(chǎn)品的性能；借助平整機的平整加工提升熱軋高強鋼產(chǎn)品的表面質(zhì)量。因此，

ＬＴＰ工藝既具有強的殘余應(yīng)力控制能力、穩(wěn)定的產(chǎn)品性能控制手段，又具有優(yōu)異的產(chǎn)品表面質(zhì)量改善功能。

平整機利用伺服控制系統(tǒng)可以實時調(diào)控材料的性能，但在性能控制精度上還無法滿足高強鋼的性能控制需求。針對高強鋼的特點，還需要進一步改進平整機的性能控制能力。

３．３提升高強鋼性能穩(wěn)定性的變增益伺服控制系統(tǒng)

平整機采用軋制力調(diào)節(jié)方式控制材料性能，實現(xiàn)軋制力動態(tài)調(diào)節(jié)控制的技術(shù)手段為借助流量伺服閥對軋制力實施控制。由于流量伺服閥在負載情況下零位的壓力增益較大，軋制力的動態(tài)控制精度低，無法滿足高性能高強鋼產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性需求。針對這一問題，研制出變增益軋制力控制技術(shù)。

３．３．１雙伺服變增益軋制力控制技術(shù)

為了降低軋制力控制系統(tǒng)在負載狀態(tài)下的壓力增益，采用大、小兩個伺服閥的并聯(lián)組合形式替代傳統(tǒng)的伺服閥，如圖５所示。在正常工作時，用小流量伺服閥進行軋制力動態(tài)控制，用大流量伺服閥調(diào)整系統(tǒng)的壓力－流量系數(shù)，降低系統(tǒng)的壓力增益。在靠輥壓下以及快開等工藝操作過程中，兩伺服閥同時投入，滿足各種工況的工藝需求。這就是變增益軋制力控制方法。將其應(yīng)用于ＬＴＰ工藝，形成滿足高強鋼性能需求的矯直平整工藝（Ｌｅｖｅｌｅｒ　ａｎｄ　Ｔｅｍｐｅｒ　Ｐａｓｓｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｔｈＤｕａｌ　Ｓｅｒｖｏ　Ｖａｌｖｅ以下簡稱ＬＴＰ－ＤＳＶ）。

３．３．２　ＬＴＰ－ＤＳＶ的性能模擬

圖６力控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)單伺服閥軋制力控制系統(tǒng)控制力控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)單伺服閥軋制力控制系統(tǒng)控制腔壓力曲線變化情況的對比。

圖７為給系統(tǒng)施加階躍響應(yīng)信號時，雙伺服變增益軋制力控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)單伺服軋制力控制系統(tǒng)控制腔壓力曲線的對比。

因此，采用雙伺服變增益軋制力控制系統(tǒng)可以有效提高軋制力的動態(tài)控制精度，進而提升延伸率的控制精度以及加工后帶鋼的性能。實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，采用雙伺服變增益軋制力控制技術(shù)后，延 伸 率 的 波 動 范 圍 由±０．０５％降 低 為±０．０３％。

４　ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝的實際應(yīng)用

為驗證ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝的實際應(yīng)用效果，對ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝與傳統(tǒng)熱軋平整工藝進行了對比性試驗。比較了兩種工藝對不同強度級別、不同厚度規(guī)格帶鋼平直度的改善情況。并據(jù)此分析了兩種工藝對產(chǎn)品殘余應(yīng)力的控制能力。采用 寬 度 為１５００ｍｍ，厚 度 分 別 為３．４０、４．５０、６．３５、１２．７０ｍｍ的１０鋼、５０鋼、８０鋼進行

試驗。將同一批次原料分為兩組，一組采用傳統(tǒng)熱軋平整工藝，另一組采用ＬＴＰ－ＤＳＶ

工藝。對加工后的帶鋼進行分條，測量分條后最長帶鋼與最短帶鋼間的長度差ΔＬ，計算加工后的平直度。由于帶鋼的平直度是帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力水平的反應(yīng)，因此可以通過平直度的改善情況分析殘余應(yīng)力的水平。平直度計算公式：

式中，Ｌ為最短帶鋼的長度，ｍｍ。

４．１　不同強度級別帶鋼殘余應(yīng)力改善情況

第１組 試 驗 采 用 寬 度 為１５００ｍｍ，厚 度 為３．４ｍｍ的帶鋼，比較兩種工藝對不同強度級別帶鋼殘余應(yīng)力水平的改善能力。圖８為兩種工藝加工后產(chǎn)品平直度的對比數(shù)據(jù)，圖９為兩種工藝下同種帶鋼的平直度之比。

從圖８可以看出，對于各種強度級別的帶鋼，ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝均比傳統(tǒng)平整工藝具有更強的殘余應(yīng)力改善能力。從圖９可以看出，與普碳鋼相比，ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝對高強鋼具有更強的殘余應(yīng)力改善能力。這主要是由于高強度帶鋼具有更高的抗表面不均勻屈服能力。

４．２不同厚度規(guī)格帶鋼殘余應(yīng)力改善情況

第２組試驗采用寬度為１５００ｍｍ的５０鋼，比較兩種工藝對不同厚度規(guī)格帶鋼殘余應(yīng)力水平的降低能力。試驗結(jié)果如圖１０、圖１１所示。

從圖１０可以看出，對于各種厚度規(guī)格的帶鋼，ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝均比傳統(tǒng)平整工藝具有更強的殘余應(yīng)力改善能力。從圖１１可以看出，ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝對厚規(guī)格帶鋼殘余應(yīng)力的改善能力強于對薄規(guī)格的改善能力。其原因是：為了保證試驗數(shù)據(jù)的可比性，在試驗過程中對各種厚度規(guī)格的帶鋼采用了相同的壓下量。在實際生產(chǎn)中，可以根據(jù)厚度調(diào)節(jié)上矯直輥的壓下量以得到滿意的效果。

５結(jié)論

充分降低產(chǎn)品的殘余應(yīng)力水平以及提升產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性是生產(chǎn)熱軋高強鋼產(chǎn)品的兩個關(guān)鍵要素。本文研制出帶壓力增益調(diào)節(jié)功能的矯直平整工藝（ＬＴＰ－ＤＳＶ）解決了熱軋高強鋼生產(chǎn)的技術(shù)難題。ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝通過矯直機降低產(chǎn)品在軋制過程中形成的殘余內(nèi)應(yīng)力；依托平整機改善產(chǎn)品的表面質(zhì)量；利用精確控制矯直平整工藝段的總延伸率，保證產(chǎn)品加工后的性能穩(wěn)定性。實際生產(chǎn)表明：

（１）ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝較傳統(tǒng)熱軋平整工藝具有更強的產(chǎn)品殘余應(yīng)力以及性能穩(wěn)定性的控制能力。

（２）對于不同強度級別、不同厚度規(guī)格的帶鋼，采用ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝加工后的殘余應(yīng)力水平均大幅低于采用傳統(tǒng)熱軋平整工藝加工后的殘余應(yīng)力水平。

（３）ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝對高強度級別帶鋼殘余應(yīng)力的控制能力優(yōu)于對普通熱軋產(chǎn)品殘余應(yīng)力的控制能力。

參考文獻：

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［２］  中國產(chǎn)業(yè)競爭情報網(wǎng)．汽車用鋼產(chǎn)品需求特點及生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢分析［Ｚ］．北京：中國產(chǎn)業(yè)競爭情報網(wǎng)，２００９．

［３］  丁文紅．平整機的板形改善機制及其應(yīng)用［Ｊ］．軋鋼，２０１２，２９（１）：２

６－２８．