清理坯軋制寬厚板平面形狀控制研究

張躍飛，王廣科，孫雅馨，閻 軍

（1a.材料科學與工程學院，1b.冶金工程學院，安徽工業(yè)大學安徽馬鞍山243032；2.上海寶鋼股份公司厚板廠，上海201900）

清理坯軋制寬厚板平面形狀控制研究

張躍飛1a，王廣科2，孫雅馨1a，閻 軍1b

（1a.材料科學與工程學院，1b.冶金工程學院，安徽工業(yè)大學安徽馬鞍山243032；2.上海寶鋼股份公司厚板廠，上海201900）

基于有限元分析軟件MARC，以某鋼廠生產(chǎn)現(xiàn)場的實際軋制規(guī)程為基礎建立仿真模型，對寬厚板非清理坯及清理坯的平面形狀變化進行仿真分析，研究板坯清理方式對板坯平面形狀的影響規(guī)律，通過修正清理坯的板面形狀控制參數(shù)以改善地坯平面形狀。研究結果表明：根據(jù)清理方式對板坯斷面形狀的影響，將清理模式分為表面局部清理和表面角部清理兩個類別，其中表面局部扒皮清理對軋后板坯的切頭切尾影響較大；在展寬MAS軋制時，對于表面局部扒皮清理的板坯，需將挖坑深度增加1 mm；而對于表面角部清理的板坯，挖坑深度增加0.5 mm即可獲得理想的板面形狀。

寬厚板；清理坯；數(shù)值模擬；平面形狀控制

平面形狀控制(PVPC)是寬厚板軋制的重要技術，對提高寬厚板的成材率具有重要的作用，目前寬厚板生產(chǎn)過程中常用的平面形狀控制技術為MAS(Mizushima automatic plan view pattern system)軋制法[1-2]。然而，平面形狀控制技術的研究和應用都是基于規(guī)整的矩形坯開展的[3-5]。而用于生產(chǎn)寬厚板的連鑄板坯表面往往存在縱裂、橫裂和角部橫裂、星裂以及熱脆、縱向和橫向凹陷、折痕處的溶質偏析、夾雜物、夾渣、氣孔、氣泡、針孔[6-7]等缺陷，在后續(xù)的軋制過程中將形成翹皮、夾砂等缺陷，嚴重影響產(chǎn)品質量。故實際生產(chǎn)過程中需對連鑄板坯進行線下清理和檢查以提高產(chǎn)品質量。板坯清理后對板坯的形狀和尺寸產(chǎn)生一定的影響，而采用常規(guī)的MAS軋制方法時并沒有考慮板坯清理后對平面形狀的影響，沒有學者對清理坯的平面形狀變化規(guī)律以及清理坯與非清理坯之間的差異進行研究[8-11]。因此，本文基于有限元仿真分析，研究板坯清理對寬厚板軋制過程中平面形狀變化的影響，提出MAS控制參數(shù)的修正方法，建立與之相匹配的平面形狀控制模型。

1 軋制模型建立

1.1 軋制模型的建立

基于非線性有限元分析軟件MARC，建立寬厚板軋制的三維彈塑性有限元模型。由于平面形狀涉及整個鋼板的尺寸，因此，模型的尺寸須與現(xiàn)場生產(chǎn)尺寸保持一致。寬厚板軋制道次較多，包括成形、展寬和延伸軋制，且軋制過程中需進行轉鋼，而軋件的頭尾形狀有差別，轉鋼后軋件的左右不完全對稱。因此，在建模過程中必須充分考慮軋件形狀和尺寸的變化，對此成形及展寬軋制階段建立全尺寸軋制模型?？紤]到寬厚板軋制時在厚度方向上具有對稱性，可取板坯厚度方向的1/2進行分析。

每道次模擬結束后保留軋件網(wǎng)格，當網(wǎng)格單元長寬比達到一定程度后需保留軋件形狀尺寸重新劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分采用六面體實體單元。后處理時，將軋件厚度方向中心面輪廓上的節(jié)點坐標取出，利用Origin進行板面輪廓疊加繪圖、分析。

軋件材質選用20鋼，其流變應力參數(shù)、熱物性參數(shù)均取自MARC材料庫。軋輥定義為剛性體，軋輥表面溫度設為300℃，其與軋件之間的接觸熱傳導系數(shù)為12 kW/(m2·K)[12]；環(huán)境溫度設定為30℃，軋件與空氣之間的熱交換系數(shù)為0.02 kW(m2·K)，熱輻射交換系數(shù)由輻射定律計算得出。

選取生產(chǎn)現(xiàn)場軋制的典型規(guī)程作為分析對象，坯料尺寸為248 mm×1 700 mm×3 281 mm(厚度×寬度×長度)，成品尺寸為24 mm×2 967 mm(厚度×寬度)，軋制需25道次，分為3個階段：成形、展寬和精軋。第1，2道次為成形軋制、第3～10道次為展寬軋制、第12～25道次為精軋（第11道次轉鋼后進行延伸軋制）。該規(guī)程軋制的展寬比（成品寬度與坯料寬度之比）為1.75，延伸比（成品長度與坯料長度之比）為5.91。

1.2 清理坯的形狀尺寸

根據(jù)連鑄板坯表面缺陷，一般對連鑄板坯采用6種清理方式，具體如表1。根據(jù)板坯表面質量的差異確定不同的清理方式，清理方式不同，其對板坯斷面形狀和尺寸的影響也不同，需分類進行分析與處理。

表1 板坯清理模式Tab.1 Mode of slab cleanning

1.3 平面形狀控制MAS方法

寬厚板平面形狀控制一般采用MAS軋制法，如圖1所示，其關鍵在于對成形道次和展寬最后一道次進行變厚度軋制即對軋件進行“挖坑”，圖中d1，d2為“挖坑深度”。對于延寬比（延伸比與展寬比之比）較大的鋼板，軋制后頭尾及邊部均為凸形；對于延寬比較小的鋼板軋制后頭尾為凸形，邊部為凹形。通常，成形軋制MAS用于控制鋼板邊部的凸形或凹形；展寬軋制MAS用于控制鋼板頭尾的凸形或凹形。經(jīng)過MAS軋制后的板坯在隨后的軋制過程中，板坯挖坑形成的凸出部分金屬恰好能補償?shù)筋^尾及邊部金屬缺少的區(qū)域，從而得到接近矩形化的鋼板。

圖1 MAS軋制參數(shù)示意Fig.1 Schematic of MAS rolling

2 結果及分析

基于MARC有限元分析軟件，依據(jù)現(xiàn)場實際軋制規(guī)程，模擬寬厚板軋制的變形過程，通過后處理得出軋件各道次軋后平面形狀和尺寸。軋制過程中由于延伸和寬展分布的不均勻性，導致軋件頭尾和邊部存在不同程度的凹凸現(xiàn)象。軋件頭尾及邊部的凹凸量用圖2所示的a1～a4、b1～b4表示，正值表示凸出，負值表示凹進。

圖2 平面形狀參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic of plan-view shape parameters

2.1 非清理坯的平面形狀控制分析

對非清理坯按常規(guī)軋制和MAS平面形狀控制方法軋制過程進行模擬。模擬中MAS控制采用圖1所示的7點控制，成形MAS軋制時，d0，d1，d2分別為1.0，4.0，1.5 mm；展寬MAS軋制時，d0，d1，d2分別為0，4，0 mm。

圖3所示為2種軋制方式下最終平面形狀。由圖3可知，采用MAS軋制的鋼板平面形狀更趨于矩形化。常規(guī)軋制的切頭、切尾量分別為121.2，138.4 mm，MAS軋制后的切頭、切尾量分別減少為20.1，64.0 mm。常規(guī)軋制及MAS軋制后，邊部靠近頭尾都呈凹形，但是常規(guī)軋制后的鋼板邊部中間段呈顯著凸形，凸出量12 mm，考慮到軋件長19 400 mm，單邊剪切金屬量約5.58×106mm3，采用MAS軋制后，只需對鋼板邊部靠近頭尾進行剪切，單邊剪切金屬量約1.34×106mm3?？梢姴捎肕AS工藝軋制鋼板，其頭尾和邊部剪切量均顯著降低。

圖3 2種軋制方式終軋后平面形狀Fig.3 Plan-view shape of two kinds of rolling method

圖4為2種軋制方法下軋件各道次平面形狀參數(shù)。最終的板面形狀是由各道次不均勻延伸或寬展的累加而成。由圖4可看出：板坯頭部的平面形狀參數(shù)在展寬軋制結束之后逐道次增加，常規(guī)軋制后頭尾最終平面形狀為凸形；邊部突出量逐道次減小，最終平面邊部形狀大體呈為凹形。展寬MAS軋制時對板坯進行挖坑形成了頭尾厚、中間薄的斷面，在隨后轉鋼進行精軋時，厚度較大的頭尾轉變?yōu)檫叢?，邊部金屬壓下量較大，流向軋件頭尾的金屬也隨之增加，頭尾形成了較顯著的凹形。因此頭尾的平面形狀參數(shù)顯著小于常規(guī)軋制的參數(shù)；隨著軋制的進行，流向頭尾中間區(qū)域的金屬不斷補償之前所形成的凹形，得到了接近矩形的鋼板，減小了頭尾切損量。可見，經(jīng)過MAS軋制后的頭尾板面形狀得到有效改進，鋼板邊部金屬剪切量也顯著降低，從圖3的邊部形狀可以看出，與常規(guī)軋制相比較，MAS軋制后邊部形狀為平直。

圖4 2種軋制方式軋制過程平面形狀參數(shù)Fig.4 Shape parameters of rolling process of two kinds of rolling method

由圖4還可以看到，軋件在延伸軋制后基本可以判定平面形狀參數(shù)變化趨勢。文中對清理坯軋制模擬只分析前13道次的軋制情況，因經(jīng)過13個道次的軋制，由板坯的清理而造成的斷面形狀差異對后續(xù)軋制的影響可以忽略。

2.2 清理模式對板坯平面形狀的影響

研究清理模式對軋制過程中板坯平面形狀的影響規(guī)律是修正清理坯軋制板面形狀控制參數(shù)的重要依據(jù)。圖5所示為6種清理坯在展寬軋制結束時的平面形狀。由圖5可看出，各清理模式對板坯平面形狀影響的大小不同，鋼板頭尾（寬展方向）總體上呈不同程度的凹形（圖5(a)所示），在展寬軋制結束時，D和E清理方式頭尾（該道次寬度方向）中央有較為顯著的凸出，頭部凸出量分別為5和10 mm，靠近角部呈凹形，這一形狀特點顯著區(qū)別于其他清理坯；鋼板邊部圖5(b)(軋制方向)均呈凸形，其中A和F清理坯較為明顯，凸出量為52和48 mm，其余均為40 mm左右。

圖5 清理坯軋制第10道次平面形狀Fig.5 Plan-view shape of the 10thpass rolled with cleaned billets

圖6為清理坯軋制過程中平面形狀參數(shù)。由圖6可以看出，板坯軋制時，清理坯金屬流動的不均勻性大于規(guī)整斷面的非清理坯。清理坯在軋制開始到展寬軋制結束后鋼板頭尾（展寬軋制時的寬展方向，分析時均采用鋼板的頭尾進行對比）的凸出量大于非清理坯。圖7所示為展寬軋制后，轉鋼并進行2道次延伸軋制后各清理坯對應板面形狀。由圖7可看出清理坯頭尾中央的凸出量大于非清理坯，邊部影響區(qū)別不大。D，E清理坯軋制后的角部都呈凹形，頭部中央凸出量為13.7，16.6 mm，尾部中央凸出量為16.6，15.1 mm，頭尾中央凸出量顯著大于其他坯料的軋制情況：A，B，C，F(xiàn)等清理方式下的頭部中央凸出量分別為7.4，8.0，9.6，5.9 mm；尾部中央凸出量分別變?yōu)?3.7，7.6，5.8，12.7 mm。邊部的凸出和頭尾中央的凸出量在隨后的軋制過程中會進一步增加。鋼板頭尾中央凸出量是決定頭尾剪切量的主要因素，軋制中應盡量減小鋼板頭尾中央的凸出量。

圖6 清理坯軋制過程中平面形狀參數(shù)Fig.6 Shape parameters during rolling process with cleaned billets

圖7 清理坯第13道次平面形狀Fig.7 Plan-view shape of the 13thpass rolled with cleaned billets

上述分析表明，板坯的局部清理模式（即D，E 2種清理方式）對平面形狀影響較大。這是由于上下表面局部扒皮清理的坯料在軋制過程中容易增加金屬不均勻變形的程度，最終影響了軋制后的平面形狀。因此，在板面形狀控制時，應適當增加清理坯展寬MAS道次的挖坑深度，以補償板坯軋后頭尾角部金屬的缺失，尤其是D和E 2種清理模式。

2.3 清理坯板面形狀控制

對于清理坯的平面形狀控制，應增加展寬MAS軋制中的挖坑量。也即根據(jù)體積不變定律，將軋制結束之后，頭尾角部的缺失量，換算成在展寬軋制時對軋件進行挖坑形成的“狗骨”形狀的正楔形體積量。文中以D清理坯為例進行PVPC軋制的研究分析。按照表2中2種展寬MAS方案進行軋制模擬，S1方案為非清理坯PVPC控制參數(shù)，軋制結束后能得到接近矩形化的板坯，結果如圖3所示；對于清理坯在S1方案中將展寬MAS挖坑深度增加1 mm，即S2方案軋制。

圖8為2種方案下板坯的平面形狀參數(shù)。由圖8可以看出，從軋制過程的開始到MAS軋制前，S1，S22種方案板坯的頭尾形狀參數(shù)有較大的差異，在經(jīng)過MAS軋制進行精軋的第13，14道次后，S2方案板坯的頭尾及邊部形狀較MAS軋制之前更接近于S1方案頭尾。圖9所示為2種方案下板坯的第14道次平面形狀對比結果，由圖9可見，在對清理坯平面形狀控制的S2方案中，板坯的頭尾及邊部的形狀尺寸與非清理坯的S1方案接近。說明對于D清理模式，只需在非清理坯的展寬MAS道次將挖坑深度增加1 mm，即可達到理想的平面形狀。

表2 清理坯軋制方案Tab.2 Rolling program of cleaning billet

圖8 S1和S2方案下平面形狀參數(shù)Fig.8 Shape parameters of scheme S1and S2

圖9 S1和S2方案下平面形狀Fig.9 Plan-view shape of scheme S1and S2

D，E 2種板坯清理模式對板面形狀參數(shù)的影響較為接近，可采用相同的工藝參數(shù)進行板面形狀控制。其他板坯清理模式對板面形狀參數(shù)的影響較小，由體積不變定律，在進行展寬MAS軋制工藝參數(shù)修改時，只需在非清理坯平面形狀控制的展寬MAS軋制工藝參數(shù)的基礎上將挖坑深度增加0.5 mm即可使改善清理坯的平面形狀控制效果。

3 結 論

1)采用三維彈塑性有限元方法，建立寬厚板軋制過程中平面形狀變化的分析模型，利用板面形狀參數(shù)分析各道次平面形狀的演變規(guī)律。

2)分析清理模式對板坯軋制過程平面形狀的影響規(guī)律。板坯的不同局部清理加劇了板坯在軋制過程中的不均勻變形，導致最終平面形狀的不良大于非清理坯。

3)根據(jù)清理坯軋制過程中平面形狀的變化規(guī)律，提出了清理坯軋制平面形狀控制時MAS工藝參數(shù)的改進方案。對于表面局部扒皮清理的板坯，在展寬MAS軋制時適當調整挖坑深度可獲得較理想的鋼板平面形狀。

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責任編輯：何莉

Research on Plan View Pattern Control of Heavy Plate Rolled with Cleaned Billet

ZHANG Yuefei1a,WANG Guangke2,SUN Yaxin1a,YAN Jun1b
(1a.School of Materials Science and Engineering,1b.School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243032,China;2.Heavy Plate Plant,Shanghai Baosteel Co.Ltd.,Shanghai 201900, China)

With finite element analysis software MARC,a simulation model was established for the actual rolling schedule data of a steel plant,and changes of plan-view shapes of heavy plate rolled with non-cleaned and cleaned billets were simulated.Influence of the cleaning mode of the billet on the plan-view shape was analyzed.The plan-view shape was improved by modifying the controlling parameters of the cleaned billet.Results show that according to the influence of different cleaning modes,the cleaning mode can be divided into two groups:partial surface cleaning and corner cleaning.It was found that the partial surface cleaning on the billet has a higher impact on the shearing displacement of the plate’s head and tail.So,to obtain an ideal plan-view shape,the depth of digging in the broadening MAS(Mizushima automatic plan view pattern system)rolling pass should be increased by 1 mm for the partial surface cleaned billet and 0.5 mm for the corner cleaned billet.

heavy plate;cleaned billet;numerical simulation;plan view pattern control

TG 335.5

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.04.002

1671-7872(2016)04-0309-07

2016-05-06

安徽省重大科技專項(15CEEO2036)

張躍飛(1991-)，男，安徽淮北人，碩士生，主要研究方向為軋制過程中仿真模擬。

孫雅馨(1974-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，博士，副教授，主要研究方向為新能源材料研究。