精轧出口及卷取入口平直度
与钢种规格及演变趋势相关性研究
刘人溥
宝钢湛江钢铁有限公司热轧厂生产技术室
摘要：板形控制除了板形模型本身之外，受层流冷却、卷取相关工艺及设备状态、库区堆放位置、平整或开卷工艺参数等因素的影响，带钢会在用户端会呈现不同的板形状态，是一个典型的多环节、多输入控制难题。湛江2250热轧配置两套平直度仪表，一台布置在精轧出口，一台配置在卷取入口。精轧出口用于检测轧制后板形，主要用于模型平直度控制，检测到的平直度数据用于PCFC模型进行在线反馈控制。卷取入口用于检测冷却后板形，主要用于防流出以及对冷却后板形的情况进行研究。
关键词：板形；轧制；冷却
1、精轧出口与卷取入口板形的钢种规格相关性及变化分析
1.1 数据定义
在轧制过程带钢通过层冷区域，带钢的各区域冷却速度，从而导致带钢板形发生变化（图1和图2显示同一带钢210233600800在精轧出口和卷取入口板形情况）。因此针对冷却后的带钢以及带钢的尾部板形情况进行检测，可以研究带钢板形变化的规律。
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图 1 210233600800精轧出口平直度仪检测数据
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图 2 210233600800卷取前平直度仪检测数据
同时由于不同厚度带钢内部应力的不同，薄规格板形较厚规格敏感，因此针对带钢头部的数据，针对不同厚度进行不同区间取值。取值原则如下：
精轧以及卷取平直度数据采用固定时间周期取值，取值周期为200毫秒；
结合不同厚度板形的情况，分别取对应点数的平均值作为该块带钢的平直度，具体分层如下：
表 1 不同厚度平直度数据定义
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厚度
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1.5至1.9
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1.9至2.5
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2.5至3.5
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3.5至4.5
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大于4.5
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取点数
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60
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50
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40
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30
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20
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1.2 精轧轧后钢种规格对应分析
选取不同厚度、宽度、硬度精轧出口带钢平直度进行统计分析，从精轧出口的情况来看，呈现不同的趋势，以厚度为例，厚度按0.5mm为一个步长进行划分。针对宽度、硬度采用与厚度类似的方式进行差异化趋势分析，得出结论如下：
（1）带钢厚度越薄，精轧出口的中浪越大，且波动也较大
（2）在相同厚度层别的情况下，随着宽度的增加，精轧出口的中浪趋势增大。
（3）针对硬度组单独分析，以及结合宽度、厚度组合来看，硬度与精轧出口带钢平直度的相关性不强。
1.3 冷却后板形状变化相关性分析
定义经过冷却后的板形变化为：卷取入口平直度数据-F7出口平直度数据。选取不同钢种、厚度、宽度、硬度、卷取目标温度、温降、冷却模式、速度、断面温度、预设定开水量开展冷却后板形变化相关性分析，以不同温降下精轧浪形与卷取浪形的关系为例（由于篇幅有限，其他因素相关性分析数据不在文档中做展示，分析原理类似），相关数据如下：
针对钢种、厚度、宽度、硬度、卷取目标温度、温降、冷却模式、速度、断面温度、预设定开水量分析结论如下：
（1）从各个模块的分析数据来看与硬度、卷取头部目标温度、穿带速度相关性较弱。
（2）随着厚度的增加，浪形演变趋势逐步由正（边浪）变为负（中浪）。呈中浪演变的趋势，同时随着厚度的增加卷取平直度的标准偏差也趋于平稳，但是到达一定的厚度之后基本维持稳定。
（3）断面温差≥-10℃，浪形演变呈边浪趋势，断面温差＜-10℃，呈中浪趋势。
（4）前冷对应板形变化，薄规格呈双边浪趋势，厚规格呈中浪趋势。后冷对应板形趋势均为边浪，但整体波动较大。
（5）随着温降的增大，浪形呈双边浪趋势演变，温降增加到一定程度后，双边浪趋势减弱。
2、冷却后板形变化原因分析
在轧制过程由于带钢通过层冷区域，带钢不同区域的冷却速度也会发生变化，从而导致带钢板形发生变化，出现双边浪、C翘等板形问题。一般情况下，精轧至卷取入口板形变化主要由于层流冷却造成，造成的板形问题主要是由以下三种不均匀冷却导致的：
（1）带钢横向冷却严重不均匀；
（2）带钢厚度方向冷却不对称；
（3）横向和厚度方向冷却不均匀混合。
钢板在层流过程中发生板形变化，主要是由于组织相变过程中各部分体积变化不同引起的，由于钢种规格的差异，这三种的影响的剧烈程度也会随着钢种规格的变化而变化。钢板冷却过程中，当从奥氏体化温度开始冷却，随温度降低，钢板各部分基本上呈线性收缩，当开始发生相变时，曲线开始出现拐点，体积处于膨胀阶段，直到大部分相变完成后，在温度的影响下体积又会基本上呈线性收缩状态，其体积变化曲线如图3所示。
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图 3 钢板冷却过程中体积变化曲线
由上图可知，组织发生相变，体积出现膨胀的温度区间在550℃左右，如果钢板冷却均匀，各部分会同时进入收缩和膨胀阶段，各单元之间不存在应力，板形保持良好。但实际冷却过程中，钢板各部分的冷却不可能是绝对均匀的，因此相变过程中会产生应力，在不同的冷却状态会产生不同的板形缺陷。
2.1冷却后板形状变化相关结论原因分析
结论（2）原因分析：边部浪形缺陷产生的主要原因是钢板冷却过程中横向冷却不均产生的。厚度越薄，边部就越容易出现过冷，横向不均匀性加大。较厚规格由于抗变形能力较强，对于内应力不是很大时，一般会不表现出边部浪形缺陷。
因此随着厚度的增加，浪形演变趋势逐步由正（边浪）变为负（中浪）。呈中浪演变的趋势，同时随着厚度的增加卷取平直度的标准偏差也趋于平稳，但是到达一定的厚度之后基本维持稳定。
结论（3）原因分析：图4和 5分别是带钢断面温度分布的带钢宽度方向的应力情况。可以看出，即使带钢横向温度分布均匀，带钢边部由于冷却不均仍存在普遍的温降现象，边部的温降导致热应力在带钢边部受压应力，带钢中部受拉应力。带钢最大温差达到120℃，此时带钢边部表面压应力。最大可达－80MPa，主要集在距离带钢边部100mm的范围内。从图7可以看出，带钢中部温度较两边1/4处低，导致带钢中部也存在压应力。
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图 4 相对均匀断面温度应力分布 图 5 实际断面温度应力分布
因此当断面温差≥-10℃，此时带钢边部表面压应力，边浪更显现，浪形演变呈边浪趋势。当断面温差＜-10℃，带钢中部温度低区域导致带钢中部压应力的结果更显现，呈中浪趋势，厚度越小越明显。
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图 5 卷取中间断面温度曲线
结论（4）原因分析：对前段主冷模式和后段主冷模式进行仿真分析，图6、7分别为前段主冷和后段主冷下的应力分布，可以看出，后段冷却的应力曲线的分布与前段冷却模式相似，但在后段冷却模式下，内应力相对较小，最大应力仅为－20MPa左右，不同厚度截面上的应力相比于前段冷却模式也更为均匀。
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图 6后冷模式下宽度方向应力分布 图 7 前冷模式下宽度方向应力分布
因此，前冷对应板形变化，薄规格呈双边浪趋势，厚规格呈中浪趋势（双边浪趋势减弱）。
结论（5）原因分析：钢板冷却过程中，钢板边部冷却较快，中间部分冷却较慢，带钢越薄这种现象越明显。同时于层流冷却下集管冷却水的回落，造成带钢边部冷却进一步加快，横向不均匀性进一步加大。
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图 8 钢板边部和中间部分的CCT曲线
这种矛盾随冷却水量的加大而更加突出。在 CCT冷却曲线图中绘制出两部分的连续冷却曲线，如图 9所示。
根据卷取断面数据分析断面温度与开水量相关性分析，如下图所示：
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图 9 不同厚度层别冷却量对应断面温度情况
从以上两图能够得出，当开水量不足50根时，冷却量与断面温度同相关性弱，超过50根时，相关性明显。因此随着温降的增大（冷却水量增大），浪形呈双边浪趋势演变，温降增加到一定程度后，带钢横向不均匀性区域稳定，双边浪演变量大但趋势减弱。
3、结束语
综上所述，不同钢种规格在冷却后，带钢的板形会发生显著变化，这些变化与规格、温降、冷却模式等具有显著关系，研究精轧出口和卷取入口板形情况以及变化规律，一方面能够通过数据观察各钢种规格的变化方向，另一方面也能通过数据的变化量找到改进的方向。
参考文献：
[1]李娜 层流冷却对高性能钢板板形的影响与控制 2011
[2]张艺 热轧层流冷却对带钢板形的影响仿真分析 2015