平整機前后張力輥輥徑與軋制力之間的關系研究

張 濤，李自量，王 麒

（唐山鋼鐵集團高強汽車板有限公司，河北 唐山 063016）

平整工藝實際上是一個小壓下率的冷軋形變過程，是連續退火工藝中具有重要意義和作用的一道生產工藝。平整的目的就是改善鋼板的機械性能，擴大材料塑性變形范圍，消除屈服平臺，防止在沖壓加工時出現不均勻變形，改善板形，使鋼板獲得良好的平直度，賦予帶鋼表面合適的粗糙度[1]。

作為平整機生產過程控制帶鋼力學性能的重要變形指標，延伸率的大小直接影響著帶鋼的屈服強度，帶鋼的屈服強度決定了帶鋼的機械性能和沖壓性能，進而直接影響帶鋼的平整質量。世界各鋼材生產廠都盡可能提高帶鋼生產的工藝水平和設備能力，因此平整工藝得到了更為廣泛的應用，各國學者對平整機的設備結構、軋制板形以及延伸率的綜合控制的研究也就有了越來越重要的實際意義[2]。

本文主要針對現場實際問題研究延伸率的計算與控制，討論張力輥輥徑對延伸率以及軋制力的影響。

1 現場問題

某鋼廠連退產線平整機組由奧地利的VAI公司設計，平整前后各配有一組張力輥（雙輥，帶鋼運行成“S”形），可為實現平整機的控制提供必需的張力和速度。平整機本體采用四輥濕平整，配有液壓彎輥系統，通過伺服閥控制工作輥“正、負”彎輥，以達到有效控制板形的目的。軋制力由位于機架底部的液壓缸提供，延伸率的控制采用軋制力+張力共同控制模式，可通過軋制力與張力共同調節實現閉環控制，達到良好的控制精度，使得帶鋼軋制后具有穩定的機械性能，平整段示意圖如圖1所示。

圖1 平整段示意圖

2020年6月，通過大數據監控發現，連退平整機相同鋼種、規格的帶鋼，自2019年6月開始軋制力出現下降趨勢。

經分析，在2019年12月—2020年6月期間，CR340/590DP鋼種的連退生產工藝條件（退火速度、退火溫度、平整機延伸率）未發生改變，原料來源無改變，原料性能無異常波動，但平整機在相同延伸率下的軋制力從2020年4月開始明顯下降，從4月的3 300 kN下降到6月的1 900 kN。

通過系統排查、軋制力檢測以及液壓系統檢查，排除了軋制力顯示以及執行層面的故障，而軋制力的大小除了直觀地表現在液壓系統上外，還有另一個影響因素就是延伸率閉環控制。

2 延伸率控制模式簡介

眾所周知，平整機可使帶鋼產生一定程度的延伸，令其上屈服極限提高，屈服平臺消失、強度提高，從而使得退火平整后的帶鋼防沖壓開裂性能得到改善。但隨著延伸率的不斷升高，帶鋼屈服極限也會進一步提升，導致加工硬化現象的發生，同時伴隨加工硬化程度的不斷增大，鋼板的形變性能逐步降低，進而提升了沖壓開裂的風險。帶鋼軋制力-應變關系圖如圖2所示。

圖2 帶鋼軋制力-應變圖

因此，平整延伸率應控制在既能消除屈服平臺，又不會產生加工硬化的軋制力范圍內。平整延伸率的大小與帶鋼的化學成分、冶煉方法、退火質量、最終用途等相關。深沖用汽車板的屈服極限要求很低，同時還要求能消除屈服平臺，目前公認的最佳延伸率范圍為0.8%～1.4%。針對平整工藝而言，每一種帶鋼材質都對應有相應范圍的最優延伸率，而對于相同材質的每卷鋼來說，保持延伸率恒定，或可在一定允許誤差內小幅波動，才能使帶鋼的縱向性能得到有效保障，降低深加工時沖壓開裂的風險。

延伸率控制（Automation Elongation Control，簡稱AEC）是平整工序的首要控制對象，延伸率控制系統是平整機的上級控制系統，液壓控制、張力調節、速度調節等系統都是其下級系統，為延伸率精準控制服務。所有控制系統都與延伸率實行閉環連鎖，圍繞著延伸率給定值這一最高調節目標來進行控制調節[3]。

延伸率控制的影響因素主要有：張力、軋制力、平整速度、平整類型，同時也與帶鋼的鋼種及厚度相關。對于固定平整類型以及帶鋼，影響延伸率的最主要的因素為張力和軋制力，由此確定了延伸率控制的三種模式，即軋制力模式、張力模式、軋制力+張力模式。下面分別闡述三種模式控制方式。

軋制力模式控制延伸率：適用于平整軋制較厚帶鋼，由于軋制力與延伸率基本上呈線性關系，同時對于較厚的帶鋼，張力對延伸率的影響很小，故優先采用軋制力控制延伸率的方案。即封鎖張力調節延伸率積分器，使附加張力為零，維持機架前后張力恒定，只依靠附加張力調節延伸率。若附加值達到其調節范圍上下限，還未能消除延伸率差值，電氣系統就向平整機發出信號，要求控制程序改變目前的軋制力設定值。平整機根據這個信號來決定改變軋制力的設定值，從而使偏差減小，保持延伸率處于恒定狀態。

張力模式控制延伸率：適用于平整軋制薄帶鋼，軋制薄帶鋼時由于工作輥彈性壓扁嚴重，軋制力調節延伸率效果較差，故此時采用張力控制模式較為合理。即延伸率偏差主要通過PI調節器計算得到出口側的附加張力，再將出口側的張力控制偏差作為軋制力的補償來獲得。此時張力便成為延伸率控制的主要控制量，軋制力作為張力控制的補償量。

軋制力+張力模式綜合控制延伸率：實際生產過程中，帶鋼厚度基本維持在某一厚度區間內，很少有帶鋼過厚或過薄的極限情況出現，此時軋制力與張力對延伸率的影響都比較顯著，故采用軋制力+張力模式綜合控制延伸率較為合理。即優先采用軋制力補償控制的方式，二級計算機在收到前一次延伸率調節超范圍信號時，應先調節軋制力的給定值，當軋制力調節達到一定數值時（軋制力限幅），如果此時延伸率還達不到要求，再調張力給定值，最終使得延伸率達到設定要求。

以上三種模式決定了延伸率、軋制力、張力在控制上相互影響。延伸率的定義為帶鋼經過平整軋制工序后，產生長度增量部分占原始長度的百分比。對于本文所述情況而言，帶鋼產生長度增量的主要影響因素就是軋制力，因此一般來講，延伸率閉環控制主要是控制軋制力的大小，使得帶鋼長度增量保持在一個固定值。所以軋制力異常除與自身檢測與執行系統異常有關外，延伸率的閉環反饋也是影響其軋制力大小的重要因素之一，延伸率系統的異常很有可能導致軋制力表現出異常。

3 延伸率理論計算

通過延伸率的定義我們可知道，延伸率是指帶鋼被拉伸后，其標距段的變形量與原標段長度之比的百分數，其計算公式如下[4]：

式中：δ為帶鋼的延伸率，%；L0為平整前的帶鋼長度，mm；L1為平整后的帶鋼長度，mm。

帶鋼平整是一個壓下率很小的軋制過程，延伸率一般控制在0.5%~3%之間，而直接檢測帶鋼平整前后的長度比較困難，所以現實生產中往往用平整機前后張力輥的速度來進行延伸率的實際測量，其公式可以轉化為[5]：

式中：δ為帶鋼的延伸率，%；v0為平整機的入口速度，m/s；v1為平整機的出口速度，m/s。

連退產線平整機延伸率的測量采用編碼器測量張力輥角速度的方式進行轉換，平整機前5號張力輥為兩個驅動輥，生產中采用2號輥數據計算延伸率，平整機后6號張力輥同樣為兩個驅動輥，生產中采用1號輥數據計算延伸率，其公式如下：

式中：a=編碼器數值×輥徑（6號張力輥1號輥）×π/傳動比（6號張力輥1號輥）；b=編碼器數值×輥徑（5號張力輥2號輥）×π/傳動比（5號張力輥2號輥）；傳動比為常量，每根輥此數值不同。

即平整機延伸率=a/b-1，通過公式（3）可以得出：當a不變，b減小，a/b變大，計算平整機延伸率變大。同理可知，當（5號張力輥2號輥）輥徑變小，計算延伸率應變大，但在相同設定延伸率的情況下，就需要降低軋制力來保證延伸率。

4 現場試驗

通過調查得知，2020年4月18日之前5號張力輥、6號張力輥程序輥徑為1 200 mm；4月18日測量輥徑情況如下頁表1所示。

表1 張力輥實際輥徑

程序中采用輥徑數據為4月18日測量的輥徑數據，同時連退平整機在相同延伸率情況下軋制力偏低。

2020年7月21日連退產線使用兩個過渡卷，過渡卷到平整機后，平整機打開，隨后將5號張力輥和6號張力輥輥徑修改為1 200 mm（4月18日之前的狀態），修改完畢后重新投入平整機，觀察平整機軋制力情況，并且需要安排觀察低延伸率DC04鋼的軋制力狀態。試驗結束后使用過渡卷打開平整機，隨后修改回原測量輥徑。

4月19日—7月20日期間，平整機延伸率為0.7%情況下，軋制力為1 900 kN，修改輥徑后，相同鋼種、相同厚度、相同延伸率的軋制力為3 400 kN，軋制力大幅提升，恢復到4月18日之前的水平。

5 結論

根據以上實驗對比可知，張力輥輥徑直接影響延伸率，這一影響直觀地表現在軋制力上。同時進一步論證了前面通過公式計算得出的“當平整機前張力輥（5號張力輥2號輥）輸入輥徑變大，后張力輥（6號張力輥1號輥）輥徑保持不變，平整機同規格、同鋼種、同延伸率的情況下，軋制力會變大”的結論。