（机械设计及理论专业论文）冷连轧机核心工艺数学模型的开发与研究.pdf

摘要 摘要 随着冷连轧板带技术的发展，对冷连轧机的产量和产品质量都提出了 越来越高的要求。而冷连轧生产的工艺数学模型是冷连轧生产的关键技术。 如何通过理论与实践的结合进一步改进冷连轧的工艺数学模型，从而提高 冷连轧的轧制速度和带材表面质量具有很高的理论意义和应用价值。 从金属学的角度，考虑到热轧来料的碳当量、终轧温度和卷取温度对 组织结构和机械性能都存在着影响，而且这些参数控制又存在着波动，结 合大量的现场数据分析，找出其中的规律性，对热轧来料初始变形抗力进 行修正；另外，从塑性变形力学的角度，鉴于冷连轧的轧制速度高，轧件 变形速度快的特点，在变形抗力模型中引入变形速度这一影响因素，对变 形抗力模型进行修正。 在建立了润滑油膜厚度与摩擦系数关系的基础之上，结合流体动力学 和热力学原理，通过分析乳化液的浓度、流量、初始温度以及品质等因素 对轧制变形区温度场的影响机理，找出乳化液与油膜厚度之间的关系，从 而建立工艺润滑制度与摩擦系数之间的工艺模型，并定性的分析工艺润滑 制度各控制参数对摩擦系数的影响。 在连轧理论的基础之上，采用逐机架多目标的优化思想，以第五机架 出口板形良好，1 5 机架负荷分配均匀为目标，并充分考虑到咬入角、打 滑等约束条件，对冷连轧生产过程的压下分配和张力制度进行综合优化。 关键词冷连轧机；变形抗力；轧制规程；数学模型；板形 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fc o l dr o l l e ds t e e ls t r i p ，m o r ea n d m o r eh i g hd e m a n dh a sb e e np u tf o r w a r dt ot h eo u t p u to fc o l dt a n d e mm i l la n d t h ep r o d u c tq u a l i t y b u tt h et e c h n o l o g i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o l dt a n d e m r o l l i n gp r o d u c t i o ni si tk e yt e c h n i q u e i th a sv e r yi m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c e a n da p p l i a n c ev a l u et h a th o wt of u r t h e ri m p r o v et e c h n o l o g i cm a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h ec o l dt a n d e mr o l l i n gt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h e o r ya n d e x p e r i e n c ea n dt h e ni m p r o v er o l l i n gs p e e do fc o l dt a n d e mm i l la n ds u r f a c e q u a l i t yo f s t e e ls t r i p o nt h ep o i n to fm e t a l l i c p h a s e ，c o n s i d e r i n gt h a te q u i v a l e n tw e i g h to f c a r b o n , f i n i s h e d r o l l i n gt e m p e r a t u r ea n dc r i m pt e m p e r a t u r eo fh o tr o l l i n gs t e e l s t r i pw h i c hc o n t r o l l e de x i s tf l u c t u a t ea f f e c ti t ss t r u c t u r ea n dm a c h i n ec a p a b i l i t y , a n dc o m b i n i n gam a s so ff i e l dd a t aa n a l y s i sa n dt h e nf i n do u ti t sr u l e ，t h e r e s i s t a n c eo fd e f o r m a t i o no fh o t - r o l l i n gf i n i s h e ds t e e ls t r i pi se m e n d e d ；b e s i d e s ， o nt h ep o i n to fp l a s t i cy i e l dm e c h a n i c s ，w h e r e a st h ec h a r a c t e r i s t i co fv e r yh i 曲 r o l l i n gs p e e do f c o l dt a n d e mm i l la n dv e r yr a p i ds p e e do fd e f o r m a t i o no fr o l l e d p i e c e ，t h e f a c t o ro fs p e e do fd e f o r m a t i o nw i l lb ei n d u c t e dt h em o d e lo f r e s i s t a n c eo fd e f o r m a t i o n , w h i c hm a ye m e n dt h em o d e lo fr e s i s t a n c eo f d e f o r m a t i o n o nt h eb a s eo ft h er e l a t i o no fl u b r i c a t i n go i lf i l mt h i c k n e s sa n df r i c t i o n ， c o m b i n i n gt h et h e o r yo fh y d r o k i n e t i c sa n de n e r g e t i c s ，t h e nt h et e c h n o l o g y m o d e lb e t w e e ng r e a s i n gs y s t e ma n df r i c t i o nw i l lb ep u tf o r w a r dt h r o u g h a n a l y z i n gt h ea f f e c tm e c h a n i c so ft h ec o n s i s t e n c y , f l u x ，i n i t i a lt e m p e r a t u r ea n d t r a i to fo i lw a t e re m u l s i o nt ot e m p e r a t u r ef i e l da n df i n d i n go u tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nl u b r i c a t i n go i lf i l mt h i c k n e s sa n do i lw a t e re m u l s i o n , o nt h es a m et i m e ， q u a l i t a t i v e l ya n a l y s eh o wt oa f f e c tf r i c t i o nb yt h ec o n t r o l l e dp a r a m e t e ro f a b s t r a c t g r e a s i n gs y s t e m 。o nt h eb a s eo f t a n d e mt h e o r y , i n t r o d u c i n gt h eo p t i m i z a t i o ni d e aw h i c hh a s s e v e r a lo p t i m i z a t i o no b j e c ta n da d o p tap o i m b y - p o i n tf r a m e w o r km e t h o d ， d e p r e s sa l l o c a t i o na n dt e n s i o ns y s t e mw i l lb eo p t i m i z e di n t e g r a t i v e di nt h e p r o d u c t i o np r o c e s so fc o l dt a n d e mm i l lw h i c ht a k eg o o ds h a p eo fs t r i po ft h e f i f t hf r a m e w o r ka n ds y m m e t r i c a la l l o c a t i o no f b u r d e no f f r o mo n ef r a m e w o r kt o f i v ef r a m e w o r ka so p t i m i z a t i o no b j e c ta n da b u n d a n t l yc o n s i d e r i n gs e v e r a l c o n s t r a i n tc o n d i t i o ns u c ha sn i pa n g l ea n ds l i p p i n g k e y w o r d s c o l dt a n d e mm i l l ；r e s i s t a n c eo f d e f o r m a t i o n ；r o l l i n gr u l e s ； m a t h e m a t i c a lm o d e l ；s h a p eo f s t r i p 1 1 i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文冷连轧机核心工艺数学 模型的开发与研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 燕山大学硕士学位论文使用授权书 冷连轧机核心工艺数学模型的开发与研究系本人在燕山大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕 山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密伊。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名；雾琴乏多u 日期：细辞，z 月牛日 导师签名：闺亥旧 日期：2 彤年胆月脬日 第1 章绪论 第1 章绪论 一直以来，连轧带钢产量的比例是衡量一个国家冶金工业生产技术水 平的重要标志，特别是冷轧带钢的产量和生产技术水平，对整个国家工业、 国防、农业和其它关键性领域中生产技术的发展和进步有着举足轻重的影 响。就冷连轧带钢的生产特点而言，二级机过程控制的数模系统是整个连 轧生产的核心工艺，直接影响着带钢的产量和质量。因此，世界各国纷纷 加大了在冷连轧生产工艺数学模型方面的研究和攻关。 1 1国内外冷轧带钢生产工艺发展简介 1 1 1 世界冷轧带钢生产工艺的发展 钢板的冷轧作为一种生产工艺经过了多种演变，由单机架非可逆单张轧 制发展到成卷可逆轧制。冷轧机也由单机架逐步发展到三机架、四机架、五 机架乃至六机架的连轧机，最后出现了全连续式冷连轧机”“。冷轧由二辊、 三辊、四辊、多辊等各种辊系的轧机组成，其中以四辊轧机应用最为广泛。 冷连轧机又称串列式冷轧机。第一套三机架四辊式冷连轧机首先于 1 9 2 4 年在美国由阿姆科钢铁公司巴勒特厂( b u l t e r ) 建成。1 9 2 6 年作为初 期的轧机，它在技术上是非常原始的，在产量和质量上也是比较低的。当 时受到轧机刚度、电机单驱动及调速、轴承等技术的限制，在3 0 年代冷连 轧的发展滞后于单机冷轧，此时所建造的轧机多是单机架或四机架的。为 了能够生产更薄的板带，出现了五机架冷连轧机。6 0 年代初期美国杨斯顿 板管公司( y o u n g s t o w ns h e e t & t u b ec o ) 建成了世界上第一套六机架冷连 轧机，其目的是为了生产厚度为0 0 8 6 0 0 9 m m 的较薄的镀锡原板。以后日 本、西德等也都安装了六机架冷连轧机1 4 - 7 j 。 带材的宽度在1 8 9 3 年以前最宽者仅为1 7 8 m m ，1 9 0 5 年时为4 0 6 m m ，1 9 2 5 年发展到9 1 4 m m ，此后宽度增长非常迅速，1 9 2 7 年为1 2 2 0 m m ，1 9 3 2 年为 1 8 3 0 m m ，1 9 3 8 年即达到2 3 3 7 m m ，带钢厚度和最大宽度极限范围，1 9 3 7 年时， 燕山大学工学硕士学位论文 当带钢最小厚度为0 2 5 r a m 时，最大宽度为8 9 0 r a m ，当厚度为0 9 2 r a m 时，最 大宽度为2 3 3 7 m m n 。 早期冷轧机的速度很低，在l m s 一下，1 9 3 0 年为2 m s ，1 9 4 0 年达到 l o m s ，1 9 4 5 年接近2 0 m s ，1 9 5 5 年以达到了3 0 m s ，1 9 6 1 年为3 5 m s ，1 9 7 0 年最高轧制速度在六机架冷连轧机上达4 1 6 m s ，日本川崎制铁千叶工厂2 。线轧机速度达到4 6 8 8 m s1 4 j 。 近几十年冷轧板带生产有了很大的发展。1 9 4 4 年供直接使用的薄板全 部采用冷轧方式生产，热轧板卷只用来做冷轧板带、焊管和冷变形钢的原 料。5 0 年代末，前苏联、西德和法国等国家的薄板5 5 以上都实现了冷 轧的方式生产，7 0 年代以来这些国家( 英、日在内) 薄板基本全为冷轧生 产。7 0 年代初期，日、法、西德等国曾致力于用热连轧机精轧机组增加8 ， 9 机架来生产1 o m m 或o 8 n u n 的薄带，但实践证明，从产品质量和设备重 量来说这都是不可行的，因此，到了7 0 年代末期就放弃了这一方案，仍大 力发展冷轧生产| 5 - s j 。 进入7 0 年代后，由于世界性的能源问题。美、日、英、德、俄( 前苏联) 等钢铁工业发达国家的冷轧板带生产不太景气，因而新建的冷轧机较少。 在这一阶段这些国家的投资基本上都花在冷轧机的改造上，而不是用在新 建冷轧机上。而改造冷轧机的趋势是 4 1 ：改善板带产品的板形，减小板厚， 降低能耗，提高轧速，增大卷重，从而提高冷轧板带的质量和产量。为此， 在节省投资的情况下，具体措施是改造原有轧机，尽量提高轧机的装备水 平，增设必要的控制手段，采用新技术，局部采用新设备、新工艺。这一 时期，世界上出现了控制板形的各式各样的新型轧机，也同时出现了各生 产工序连续化的全连续式冷轧机。到上世纪末，由于汽车，家电等行业的 迅猛发展，这一趋势稍有改观，不少国家又开始新建或准备新建一些冷轧 机。 1 1 2 国内冷轧板带生产的发展 我国在解放前及解放后初期没有冷轧薄板的生产设备，就连窄带钢的 生产设备也极少。 2 第l 章绪论 我国第一套宽带冷轧机是1 9 6 0 年5 月在鞍山钢铁公司建成的，为 1 7 0 0 m m 可逆式四辊冷轧机，1 9 6 4 年又建一台1 2 0 0 m m 可逆式四辊冷轧机， 均由苏联引进【1 j 。 6 0 年代中期，我国自行设计制造了2 3 0 0 m m 四辊式可逆冷轧机。6 0 年 代末到7 0 年代初太原钢铁公司从西德引进一套m k w 轧机、一套罗恩型二十 辊轧机，用来生产不锈钢、硅钢片和合金钢板。 7 0 年代武汉钢铁公司从西德引进了一套7 0 年代水平的1 7 0 0 m m 五机架 冷连轧机，采用全液压压下、快速换辊及弯辊装置、大功率可控硅整流和 电子计算机控制。酸洗机组为盐酸酸洗工艺，有双机架二次冷轧及平整机。 车间还安装有改进的森吉米尔法高速连续热镀锌和电镀锡机组及相应剪切 线。同时期从日本引进了两台森吉米尔二十辊冷轧机用以生产硅钢片。 1 9 8 6 年鞍山市冷轧带钢厂建成了一套五机架四辊6 5 0 m m 带钢冷连轧 机，是我国第一套6 5 0 m m 五机架窄带钢冷连轧机，辅助设备还在继续建设。 1 9 9 9 年已开始进行大规模改造。 1 9 8 8 年1 0 月上海宝山钢铁总厂2 0 3 0 m m 冷连轧机建成，为四辊五机架 全连续式冷轧机。这套轧机是世界上第四套四辊全连续式冷轧机，其设计 年产量2 1 0 万吨，性能与苏联新利比茨克厂相近似，主机、酸洗、平整设 备由德国引进，连续退火设备由日本引进，涂层机组由美国引进。 1 9 9 3 、1 9 9 6 年上海宝山钢铁( 集团) 公司分别从德国西马克公司和日 本日立公司引进了1 4 2 0 、1 5 5 0 冷连轧机组。1 4 2 0 冷连轧机组宝钢引进的第 二套c v c 冷连轧机组，其c v c 板形控制技术已趋完善和成熟，无论从机械、 液压和仪表方面，或从过程控制和基础自动化方面，其水平比l o 年前引进 的2 0 3 0 机组上了一个台阶。主要生产电镀锡薄板，连酸连轧。五个机架， 前三机架c v c 四辊，后二机架c v c 六辊，六辊c v c 中间辊带“s ”辊形，在 s l $ j 力的作用下，工作辊紧靠中间辊，间接构成辊缝凸度，且工作辊和中 间辊设有正负液压弯辊。1 5 5 0 机组是引进的第一套五机架全部采用u c m w 机型，是在h c 轧机的基础上发展起来的最新一代冷轧机。中间辊和工作辊 都可以轴向移动，中间辊设有正弯辊、工作辊设有正负弯辊，板形控制能 力强，且具有带钢边部减薄控制功能，采用先进的模糊控制技术，最后机 燕山人学工学硕士学位论文 架2 8 个区的工作辊精细冷却系统u - 4 】。现在我国投入生产的宽带钢轧机有 1 8 套，窄带钢轧机有4 1 8 套。在这3 0 年中我国冷轧薄板的生产能力增加了 2 0 多倍，生产装备技术水平已由只能生产低碳薄板而发展到能生产高碳钢、 合金钢、高合金钢、不锈钢、镀锌板涂层钢板、塑料复合薄板和硅钢片等。 但随着科学技术的发展，无论在数量上还是在品种质量上都远远满足不了 社会发展的需要，为此必须增造新轧机、改造现有冷轧机，大力发展冷轧 生产。 1 2 论文背景介绍 宝钢分公司冷轧薄板厂1 2 2 0 五机架冷连轧机组全部采用四辊式冷连轧 机，主要从事薄规格产品的轧制，具有轧制速度高、可轧规格范围大的特 点。带钢来料厚度为1 5 m m 3 5 m m ，成品厚度为o 1 7 m m 0 8 m m ，宽度为 5 5 0 m m - - 1 0 5 0 m m ，所轧钢种包括低碳钢、中碳钢、i f 钢、高碳钢以及镀锡 板等不同钢种，最大轧制速度可达到1 8 0 0 m m i n 。1 2 2 0 五机架冷连轧机的 生产工艺流程如图1 1 所示。1 2 2 0 五机架冷连轧机组于2 0 0 0 年进行现代化 改造。在现代化改造过程中采用了许多当前国际先进的设备与工艺技术， 如全连续冷连轧带钢生产、电气传动数字化控制、工作辊交叉与横移、支 承辊滚动轴承、装备了完善的检测仪表、多种类型、功能完善的厚度自动 控制和板形自动控制系统。在控制方面采用三级计算机控制系统，一级计 算机用于基础自动化，完成a g c 、a f c 、a t r 、a p c 等功能。二级计算机 用于过程控制，主要完成模型系统的参数计算、自适应学习、生产线轧制 过程的跟踪、通讯、与一级计算机和三级计算机之间的数据传输、工程报 表的打印、生产实际数据的收集、o p s 显示等功能。三级计算机为生产管 理计算机，主要完成生产计划的制订、合同安排、轧辊数据管理、质量管 理等功能。由于采用了先进的生产技术、先进的设备及计算机控制系统， 使宝钢1 2 2 0 冷连轧机组的产量及冷轧带钢质量达到了世界先进水平。 在宝钢1 2 2 0 五机架冷连轧机组的控制系统中，二级计算机过程控制是 重要的组成部分。二级计算机过程控制模型系统是轧钢工艺在控制系统中 4 第l 章绪论 liu；o写自olo上8-芒。口u：q2q gq口善_ploq鼍o；q暑甜jj6瞄onn 1 一嚣e 丑碟堪桐h址d暴霹裂受联嚣悄。纣一 i - i 习 坤烬 一fij联墨时三斡，器墨；一七甙畿卫一吾联毒。饕一基婪辎 ，口if番一霉5i三#口爵暮；_l 2垂i蜡毒嚣一8善张暑的撑哥联毒荽口哥联嚣；口蒜暑；一盘纂7畿i 燕山大学：亡学硕士学位论文 的体现。它决定了轧制过程中的工艺制度及控制参数。模型系统计算得到 的参数直接决定了生产过程是否能够顺利进行以及产品的产量和质量，因 此有必要对过程控制的模型系统做全面的、细致的掌握。 宝钢1 2 2 0 冷连轧机组二级计算机过程控制模型系统由日本三菱电机 公司与东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室合作完成，经过现 场生产的实际检验表明，该系统完全能够满足冷连轧生产各种功能的要求， 具有较高的计算精度和工作稳定性。 为了提高1 2 2 0 五机架冷连轧机组轧制速度与产品质量，宝钢分公司冷 轧薄板厂从2 0 0 3 年6 月开始进行划痕专项治理工作，经过努力项目取得了 较大的成功，轧制速度与产品质量都有了很大的提高。但与此同时，在划 痕治理与提速增产的研究过程中，项目组发现1 2 2 0 五机架冷连轧机当前所 采用的数模二级机系统，存在着一些不可忽视的问题，在轧制强度大规格 薄的带材时会出现数模计算不过去的现象，经常造成一些长时间的意外停 产、停机，严重影响着生产的顺利进行。另外，在轧制某些规格带材时在 第4 、5 机架会出现变形抗力变小的现象。因此，鉴于这些情况，对1 2 2 0 五机架冷连轧机的核心工艺数学模型进行进一步的改进与开发研究，解决 现场实际存在的问题，提高产品质量与轧机的生产效率，并最终形成具有 独立知识产权的冷连轧核心工艺数学模型就显得非常急迫、重要。 1 3 本论文的的主要研究内容及来源 本论文的研究内容主要来源于“宝钢1 2 2 0 冷连轧机数模备系统的建立 及相关轧制工艺模型改进研究”和“宝钢1 2 2 0 五机架冷连轧机轧制温度模 型研究”项目。 本论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 冷连轧机高速轧制过程中变形抗力模型的研究，包括：研究碳当量、 热轧终轧温度、热轧卷取温度等对带钢初始变形抗力的影响；研究高速冷 轧过程中相对压下量对变形抗力的影响，定性的模拟二者之间的关系；研 究高速冷轧过程中轧制速度对变形抗力的影响，定性的模拟二者之间的关 系；研究高速冷轧过程中相对压下量、轧制速度等因素综合作用对变形抗 6 第1 章绪论 力的影响。 ( 2 ) 冷连轧机高速轧制过程中摩擦模型的研究，包括：通过研究冷连轧 机冷却系统中乳化液浓度对摩擦系数的影响，模拟出乳化液浓度与摩擦系 数之间的关系；通过研究冷连轧机冷却系统中乳化液流量对摩擦系数的影 响，模拟出乳化液流量与摩擦系数之间的关系；通过研究冷连轧机冷却系 统中乳化液的初始温度对摩擦系数的影响，模拟出乳化液初始温度与摩擦 系数之间的关系；通过研究冷连轧机冷却系统中不同品质的乳化液对摩擦 系数的影响，模拟出乳化液特性与摩擦系数之间的关系。 ( 3 ) 冷连轧机轧制规程优化模型的研究，包括：板形与轧制规程的设定 关系的研究；负荷分配与轧制规程设定关系的研究；打滑发生概率与轧制 规程设定的关系；轧制规程综合优化模型的研究。 7 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章冷连轧机高速s l 韦l j 过程中变形抗力模型的 研究 物体有保持其原有形状而抵抗变形的能力，而度量物体的这种抵抗变 形能力的力学指标，被定义为塑性变形抗力( 或简称为变形坑力) 1 9 j 。变形抗 力是一个非常重要的力能参数，它的准确与否直接影响着轧制压力计算的 准确性，从而影响电力、动力等参数的确定。 影响变形抗力的因素主要包1 9 1 ”“】材料的组织、成分和变形温度、变 形程度以及变形速度。前者属于材料本身的性质，称为静变形抗力到目 前为止，还没有准确的数学模型可盼描述其与变形抗力的关系。后者属于 变形条件，即不同的变形条件对材料变形抗力的影响。对于冷连轧生产而 言，现阶段研究更多的是变形程度对变形抗力的影响。而今连轧生产的轧 制速度已经提高到了一个很高的水平，那么变形速度对变形抗力的影响就 不能够被忽视。另外，热轧来料的碳当量、终轧温度和卷取温度与目标设 定值之问也存在着偏差，这样也会影响到带材的初始变形抗力值。因此， 为了更准确的预报带材在各个道次处的变形抗力值，就需要综合考虑这些 因素对变形抗力的影响。 2 1 碳当量、热轧终轧温度、热轧卷取温度等对来料初始变 形抗力的影响 对于冷轧变形抗力模型，人们已经进行了广泛而又深入的研究。然而， 人们的研究往往集中在变形条件即变形温度、变形程度和变形速度与变形 抗力的关系，而初始变形抗力值则直接由热轧来料给定。通常情况下，热 轧来料的变形抗力，是根据各钢种在某一终轧温度和卷取温度下经试验测 定的 1 1 j 。然而在实际生产中，热轧终轧温度和卷取温度的命中率并不高， 与目标控制温度不符，从而造成来料变形抗力的变化。如果此时冷轧变形 第2 章冷连轧机高速轧制过程中变形抗力模型的研究 抗力模型仍采用原值，将会造成冷轧变形抗力值的不准确。另外，在实际 生产中同一钢种的碳当量也不尽相等，也会影响来料的变形抗力值j 因此， 进行碳当量、热轧终轧温度和卷取温度对变形抗力影响的研究就显得非常 重要了。通过研究并建立相关数学模型对来料初始变形抗力进行修正，从 而提高冷轧变形抗力的预报精度。 2 1 1 碳当量对初始来料变形抗力的影响 2 1 1 1碳当量对钢材机械性能的影响机理通过研究铁碳合金的结晶过 程可以看出1 1 6 - 1 s 】，钢的基本组成相为铁素体和渗碳体，其基本的组织组成 物为珠光体。对于亚共析钢其组织组成物为珠光体和铁素体：共析钢全为 珠光体；过共析钢为珠光体和渗碳体。根据铁碳合金的组织成分的变化情 况，可以得出如下规律：随着合金中碳含量的增加，工业纯铁中的三次渗 碳体含量也随着增加；亚共析钢中铁素体含量随之减少；而过共析钢中二 次渗碳体含量却随着增加。 5 组织决定性能。铁素体的晶体结构为体心立方，具有很好的软韧性。 而渗碳体是由1 2 个铁原子和4 个碳原子组成的正交点阵晶体结构的间隙化 合物f 3 c ，具有硬脆性。因此，钢的机械性能主要决定与铁素体和渗碳体的 相对量，同时还决定于它们的分布特性。表2 1 列出了主要相渗碳体、铁素 体和组织组成物珠光体的一些机械性能指标。增加钢中的碳含量，会使钢 的强度值提高，塑性降低。通过不同含碳量的钢在缓冷状态下的机械性能 可以看出，亚共析钢的机械性能与含碳量的关系几乎成直线变化。这是由 于含碳量的增加，铁素体含量减少，而珠光体含量增加，故塑性、韧性降 低，而硬度、强度增加。当含碳量为0 7 7 时，全部为珠光体组织，其强 度较高，o b ：9 8 0 m n m 2 ，h b = 2 4 0 ，但塑性较差，其延伸率为万= 1 0 ， 断面收缩率= 2 5 。应该指出当过共析钢的含碳量达到1 0 时，强度 极限出现峰值，随后不仅塑性、韧性继续降低，而强度却显著的下降。这 是由于二次渗碳体的碳含量超过1 o 后会形成连续的网状结构，使钢的脆 性增大，容易发生早期的断裂，从而降低强度极限 1 6 - 1 s j 。但是应该注意到 硬度值却一直在增大，这是由于在测量硬度时，材料所承受的是局部压缩 9 燕山人学工学硕士学位论文 应力，在这种局部压缩应力条件下，二次渗碳体本身的脆性会降低，而且 还由于渗碳体本身具有高硬度，而使钢的硬度得到增加。 表2 一l铁碳合金室温时平衡状态下主要相和组织组成物的机械性能 t a b l e 2 - lm e c h a n i c a lc h a r a c t e ro f c h i e f p h a s ea n ds t r u c t u r eu n d e rb a l a n c e ds t a t ei nr o o m t e m p e r a t u r e 名称 ob ( m n m 2 ) h b a , ( j c r n 2 )6 ) 铁崇体 2 5 0 一3 5 08 0 1 2 0 1 6 0 2 0 03 0 5 0 渗碳体 3 58 0 0 - - 8 2 0o0 珠光体 7 7 01 8 03 0 - - 4 0 2 0 一3 5 综上分析可见，钢中碳含量的不同直接影响着热轧板的组织组成物的 对比含量，从而影响其机械性能，进而影响了热轧板的最终变形抗力。 2 1 1 2 碳当量与变形抗力关系模型的建立金属的化学成分及其组织对 变形抗力的影响是极为显著的。高碳钢的变形抗力远比低碳钢的大；合金 钢的变形抗力又大于普通碳钢；纯金属的变形抗力比其合金小得多。这些 事实是众所周知的。同一种金属包含不同的杂质时，其变形抗力也是不同 的。例如钢中增加0 1 的碳时，可使其强度极限增加6 0 8 0 n m m 2 ；当 m n 含量增加o 1 时，钢的强度极限将增加3 5 n m m 2 。固溶体的变形抗力 比两相合金低u “。到目前为止，合金元素对变形抗力作用的规律研究尚少。 对于钢而言，m n 和s i 元素对钢的强度影响比较大，其它元素相对比较小。 现阶段人们只知道随着钢中碳含量的增加变形抗力也呈增加趋势，并给出 了二者之间的定量关系式。但是当变形温度超过1 0 0 0 时，基本上看不出 碳含量的变化对变形抗力有较大的影响u 。 通过碳当量对钢的组织结构及机械性能影响的研究并且参考相关文 献，碳当量与变形抗力二者之问有如下线性关系存在： 盯。= c r 0 + r ( c , 一c o )( 2 1 ) 式中以一实际变形抗力，m p a 一目标变形抗力，m p a c 一实际碳当量( ) “一目标碳当量( ) 1 0 第2 章冷连轧机高速轧制过程中变形抗力模型的研究 r 一碳当量比例系数，r = 7 5 0 现阶段关于碳当量的计算虽然有学者提出了一些公式，但是都不尽相 同，一般都是通过试验或数据分析而得到的，对于很多钢种并不适用。针 对宝钢分公司冷轧薄板厂1 2 2 0 冷连轧机组来料钢种的特点，并通过大量的 数据回归得到了一个碳当量的计算公式： q2 + 吉。m n + 西i s i - k l l 4 0 n j + 1 5 c , + 1 1 4 m o + 1 1 4 v ( 2 - 2 ) 式中m n m n 的百分含量( ) 研一所的百分含量( ) 朋一f 的百分含量( ) c r c r 的百分含量( ) m o m o 的百分含量( ) 矿一矿的百分含量( ) 由公式( 2 2 ) 计算而得到的不同钢种的变形抗力值与原值见表2 2 。 由上式( 2 1 ) 可以得到碳当量对变形抗力的影响系数k l ，即： k 。= 旦0 。一c o ) + l ( 2 3 ) 0 0 则有 q = 毛o - o( 2 - 4 ) 表2 - 2 不同钢种变形抗力实际值与计算值的对比 t a b l e 2 - 2 c o m p a r eb e t w e e nc a l c u l a t i o nv a l u ea n dr e a lv a l u eo f r e s i s t a n c eo f d e f o r m a t i o n o f d i f f e r e n ts t e e lg r a d e c 含量m n 含量s i 含量c 当量实际值计算值 误差0 0 钢种 ( )( )( 蛳( ) 1 7 口f w m 2 ) 盯口( n m z ) ( n i m z ) m r 2 t 30 0 8 5 20 4 3 5 50 0 1 0 50 1 5 8 36 8 9 9 27 17 8 7- 2 7 9 4 6 5 s t w 2 40 0 3 1 60 2 6o 0 0 8 30 0 7 5 35 9 7 45 7 2 0 92 5 3 0 7 3 m r 3 t 40 1 l o l0 4 8 9 60 0 1 2 00 1 9 2 27 7 1 4 17 8 3 0 01 1 5 9 0 8 s t 、v 2 30 0 4 9 60 3 2 0 60 0 1 4 50 1 0 3 6 6 0 5 9 6 7 l9 5 81 1 3 6 2 9 燕山人学工学硕士学位论文 续表2 - 2 c 含量m n 含量s i 含量c 当量实际值计算值 误差a c t 8 钢种 【)( 螂t ) ( ) 盯8 ( n m 2 ， 盯月( n m 2 ) ( n m 2 ) s t w 2 20 0 3 4 2 30 2 5 1 6 80 0 1 0 4 40 0 7 6 65 9 3 2 66 0 8 4 5 - 1 5 1 9 6 4 s p h eo 0 3 1 l02 4 3 0 0 1 0 60 0 7 26 0 5 9 66 0 2 2 7 3 6 8 7 5 s p h d0 0 3 5 3 30 2 5 5 8 30 0 1 0 0 80 0 7 8 46 0 5 9 66 0 4 3 0 1 6 5 3 0 1 3 s p h c0 0 3 7 7 90 2 5 3 1 30 0 1 lo0 8 0 4 6 0 3 5 46 2 1 6 8 - 1 8 1 4 5 5 m r l t 20 0 6 2 2 3o 3 8 0 6 60 0 1 0 4 60 1 2 6 16 0 5 7 26 7 7 8 3 87 2 1 0 8 e d d q 0 0 1 1 7 10 1 60 0 0 8 8 10 0 3 8 85 1 7 9 5 2 7 4 7 4- 9 5 7 4 在冷连轧过程中，由于轧制温度一般在4 0 0 c 以下u ，因此钢中碳当 量的波动对来料变形抗力的影响是比较大的。当知道来料的实际碳当量时 我们就可以根据上式来补偿由于碳当量的波动而导致的变形抗力的波动， 并进行修正。 2 1 2 热轧终轧温度、卷取温度对初始来料变形抗力的影响 2 1 2 1 热轧终轧温度、卷取温度对初始来料变形抗力的影响机理由铁碳 合金的相变过程可以看出 1 6 - 1 8 j ，传统的热轧方法主要是在奥氏体区( 一般 在9 0 0 - 9 5 0 c 以上) 对板材进行轧制，使奥氏体晶粒细化，再经过一定的 冷却方法，从而得到更加细化的铁素体晶粒，以提高钢的机械性能。铁素 体的晶粒经奥氏体到铁素体的相变后，将比奥氏体晶粒更加细化。铁素体 晶粒在奥氏体晶界上大量的生成，并向奥氏体晶粒内生长，直至铁素体晶 粒与晶粒相互接触为止停止生长。通过控制奥氏体的状态以增加铁素体的 相变核，在通过控制冷却降低相变温度，促使铁素体相变核的增加，以得 到相变组织的微细化。 热轧终轧温度的不同，实际上就是对精轧温度的控制1 1 9 】。当在9 0 0 9 5 0 以上对奥氏体轧制后再结晶以某种速度增长。在再结晶温度区的低温 侧轧制，奥氏体再结晶形成微细晶粒，其结果是铁素体晶粒也被细化。如 果在再结晶温度以下对奥氏体进行轧制，则奥氏体晶粒伸长，由于单位体 积的晶界面积增加，铁素体核的生长点也增加，铁素体晶粒被细化。并且奥 第2 章冷连轧机高速轧制过程中变形抗力模型的研究 氏体晶粒内大量引入被称为“变形带”的线状微观结构，同奥氏体晶界一 样，这些变形带中也生成铁素体核，所以奥氏体未在再结晶区的轧制对铁 素体晶粒细化起到很大作用。其效果与未再结晶区的累积变形量成正比， 机械性质的改善也与之成正比。 热轧卷取温度的不同，实际上是对热轧后板材的控制冷却，以得到更 加细化的铁素体晶粒，从而改善钢的机械性能。卷取温度越低，得到的晶 粒越细。t c l s i l 后进行冷却时得到的是细晶粒铁素体和微细弥散型贝氏体的 混合组织。空冷时生成的珠光体在控制冷却下变成具有带状结构的贝氏体 的比率增加。铁素体晶粒细化和贝氏体比率的增加使强度增大。 综上分析可以看出，不同的热轧终轧温度、卷取温度对铁素体晶粒的 细化程度的影响是不同的。而铁素体的细化程度直接影响着热轧板的机械 性能，从而影响着热轧板的最终变形抗力。 2 1 2 2 热轧终轧温度、卷取温度与变形抗力关系模型的建立热轧终轧温 度、卷取温度对变形抗力的影响在实际中比较复杂，一般很难由一个准确 的数学模型来表述它。生产实践证明，热轧终轧温度每变化1 0 ，静变形 抗力一般变化2 6 5 m p a ；而热轧卷取温度每变化1 0 ，静变形抗力一般变 化3 5 2 m p a 。据此可以建立热轧终轧温度、卷取温度对初始来料的变形抗 力的影响关系： 盯= 一) 0 2 6 5 + ( 一) 0 3 5 2 ( 2 5 ) 则有 吒= 盯o + a o ( 2 6 ) 式中z k ，z k 一目标热轧终轧温度与实际热轧终轧温度 z k ，z k 一目标热轧卷取温度与实际热轧卷取温度 热轧终轧温度和卷取温度与来料变形抗力的关系见图2 1 所示曲线。 热轧来料的静变形抗力一般都在2 0 0 m p a 以上，如果热轧终轧温度、 卷取温度的波动不是很大，则对变形抗力的影响不是很明显。因此，正常 情况下其影响基本可以忽略。 燕山人学工学硕士学位论文 1 4 1 2 重l o 圣s 芑 羔6 蓍。 奇c 2 0 2 0 1 8 ，、1 6 耋1 4 磊1 2 篁1 0 篓8 蓍e 诤( 4 2 0 ： 一 )1 02 03 04 ( i5 终轧温度波动值( ) ( a ) i 01 02 03 04 05 0 卷取温度波动值( ) ( b ) 圈2 - 1 终轧温度和卷取温度与变形抗力的关系曲线 f i g 2 1 g u r v eo f t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i n i s h e dr o l l e dt e m p e r a t u r e ，b a t c h i n g t e m p e r a t u r ea n dr e s i s t a n c eo f d e f o r m a t i o n 2 1 3 初始变形抗力修正模型 通过研究碳当量、热轧终轧温度和卷取温度对来料初始变形抗力影响并 建立相关的数学模型，便可以定量的研究三者对初始变形抗力的实际影响 程度，对确定其实际的变形抗力值有着重要的意义。结合以上回归得到的 第2 章冷连轧机高速轧制过程中变形抗力模型的研究 数学模型，可以归纳出碳当量、热轧终轧温度和卷取温度与初始变形抗力 的函数关系，即： o t = k i o o + a a ( 2 - 7 ) 2 2 相对压下量对变形抗力的影响 2 2 1 相对压下量对变形抗力的影响机理 变形程度是影响变形抗力的重要因素之一u “。在冷变形状态下，金属 的强化作用( 即加工硬化) 随着变形程度的增加而增加，其变形抗力显著的提 高。加工硬化是指金属随着变形程度的增加，其强度指标( 屈服极限，强 度极限和硬度) 增大、塑性指标( 相对延伸率，断面收缩率和韧性等) 降 低、物理化学性能发生变化( 电阻率升高，耐腐蚀性及导热性能降低，导 磁率改变等) 等现象的总称。 由于金属的变形机理是滑移，金属的加工硬化通常认为是由于塑性变 形过程中，空间品格产生畸变( 或称位错) 而引起的u “。金属空间晶格的 畸变会阻碍滑移的进行。畸变的越严重，金属的塑性变形越难以产生，呈 现的变形抗力越大，塑性越低。随着变形程度的增大，晶格的畸变增大， 金属的滑移带产生严重的弯曲。在滑移带中，晶格将碎化成微晶粒，同时 产生微观裂纹，从而进一步使金属的变形抗力增加，塑性降低。 变形抗力随着变形程度的增加而增加的速度一般用强化强度来度量 i l o j 。强化强度可用强化曲线( 应力一应变曲线) 在相应点处切线的斜率来 表示。在相同的变形程度下，对于不同的金属，其强化强度是不同的。一 般情况下，纯金属和高塑性金属的强化强度要低于合金和低塑性金属。由 于金属的塑性不同，所以呈现出来的强化强度也不同。通过大量的研究发 现，变形抗力与变形程度之间存在如下关系i l k - i s l ： ( 1 ) 在高温下金属在塑性变形过程中仍存在着强化。因此，变形抗力随 着变形程度的增大而增大。但是在热状态下，随着变形温度的提高金属的 强化强度逐渐减小，这是由于随着温度的提高软化( 恢复与再结晶) 的速 度增大的原因。 燕山大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 变形抗力随着变形程度增加而增加的速率( 即强化强度) 随着变形 程度的增加而降低。一般变形程度在3 0 之前，强化强度比较大，变形抗 力随变形程度的增加而增加的比较快；其后变形抗力增加的速度将会逐渐 降低直至强度极限出现为止。另外，试验证明，随着变形程度的增加屈服 极限比强度极限增加的快。因此，随着变形程度的增加屈服极限与强度极 限之差不断减小。 ( 3 ) 变形抗力