平整机前后张力辊辊径与轧制力之间的关系研究

张 涛，李自量，王 麒

（唐山钢铁集团高强汽车板有限公司，河北 唐山 063016）

平整工艺实际上是一个小压下率的冷轧形变过程，是连续退火工艺中具有重要意义和作用的一道生产工艺。平整的目的就是改善钢板的机械性能，扩大材料塑性变形范围，消除屈服平台，防止在冲压加工时出现不均匀变形，改善板形，使钢板获得良好的平直度，赋予带钢表面合适的粗糙度[1]。

作为平整机生产过程控制带钢力学性能的重要变形指标，延伸率的大小直接影响着带钢的屈服强度，带钢的屈服强度决定了带钢的机械性能和冲压性能，进而直接影响带钢的平整质量。世界各钢材生产厂都尽可能提高带钢生产的工艺水平和设备能力，因此平整工艺得到了更为广泛的应用，各国学者对平整机的设备结构、轧制板形以及延伸率的综合控制的研究也就有了越来越重要的实际意义[2]。

本文主要针对现场实际问题研究延伸率的计算与控制，讨论张力辊辊径对延伸率以及轧制力的影响。

1 现场问题

某钢厂连退产线平整机组由奥地利的VAI公司设计，平整前后各配有一组张力辊（双辊，带钢运行成“S”形），可为实现平整机的控制提供必需的张力和速度。平整机本体采用四辊湿平整，配有液压弯辊系统，通过伺服阀控制工作辊“正、负”弯辊，以达到有效控制板形的目的。轧制力由位于机架底部的液压缸提供，延伸率的控制采用轧制力+张力共同控制模式，可通过轧制力与张力共同调节实现闭环控制，达到良好的控制精度，使得带钢轧制后具有稳定的机械性能，平整段示意图如图1所示。

图1 平整段示意图

2020年6月，通过大数据监控发现，连退平整机相同钢种、规格的带钢，自2019年6月开始轧制力出现下降趋势。

经分析，在2019年12月—2020年6月期间，CR340/590DP钢种的连退生产工艺条件（退火速度、退火温度、平整机延伸率）未发生改变，原料来源无改变，原料性能无异常波动，但平整机在相同延伸率下的轧制力从2020年4月开始明显下降，从4月的3 300 kN下降到6月的1 900 kN。

通过系统排查、轧制力检测以及液压系统检查，排除了轧制力显示以及执行层面的故障，而轧制力的大小除了直观地表现在液压系统上外，还有另一个影响因素就是延伸率闭环控制。

2 延伸率控制模式简介

众所周知，平整机可使带钢产生一定程度的延伸，令其上屈服极限提高，屈服平台消失、强度提高，从而使得退火平整后的带钢防冲压开裂性能得到改善。但随着延伸率的不断升高，带钢屈服极限也会进一步提升，导致加工硬化现象的发生，同时伴随加工硬化程度的不断增大，钢板的形变性能逐步降低，进而提升了冲压开裂的风险。带钢轧制力-应变关系图如图2所示。

图2 带钢轧制力-应变图

因此，平整延伸率应控制在既能消除屈服平台，又不会产生加工硬化的轧制力范围内。平整延伸率的大小与带钢的化学成分、冶炼方法、退火质量、最终用途等相关。深冲用汽车板的屈服极限要求很低，同时还要求能消除屈服平台，目前公认的最佳延伸率范围为0.8%～1.4%。针对平整工艺而言，每一种带钢材质都对应有相应范围的最优延伸率，而对于相同材质的每卷钢来说，保持延伸率恒定，或可在一定允许误差内小幅波动，才能使带钢的纵向性能得到有效保障，降低深加工时冲压开裂的风险。

延伸率控制（Automation Elongation Control，简称AEC）是平整工序的首要控制对象，延伸率控制系统是平整机的上级控制系统，液压控制、张力调节、速度调节等系统都是其下级系统，为延伸率精准控制服务。所有控制系统都与延伸率实行闭环连锁，围绕着延伸率给定值这一最高调节目标来进行控制调节[3]。

延伸率控制的影响因素主要有：张力、轧制力、平整速度、平整类型，同时也与带钢的钢种及厚度相关。对于固定平整类型以及带钢，影响延伸率的最主要的因素为张力和轧制力，由此确定了延伸率控制的三种模式，即轧制力模式、张力模式、轧制力+张力模式。下面分别阐述三种模式控制方式。

轧制力模式控制延伸率：适用于平整轧制较厚带钢，由于轧制力与延伸率基本上呈线性关系，同时对于较厚的带钢，张力对延伸率的影响很小，故优先采用轧制力控制延伸率的方案。即封锁张力调节延伸率积分器，使附加张力为零，维持机架前后张力恒定，只依靠附加张力调节延伸率。若附加值达到其调节范围上下限，还未能消除延伸率差值，电气系统就向平整机发出信号，要求控制程序改变目前的轧制力设定值。平整机根据这个信号来决定改变轧制力的设定值，从而使偏差减小，保持延伸率处于恒定状态。

张力模式控制延伸率：适用于平整轧制薄带钢，轧制薄带钢时由于工作辊弹性压扁严重，轧制力调节延伸率效果较差，故此时采用张力控制模式较为合理。即延伸率偏差主要通过PI调节器计算得到出口侧的附加张力，再将出口侧的张力控制偏差作为轧制力的补偿来获得。此时张力便成为延伸率控制的主要控制量，轧制力作为张力控制的补偿量。

轧制力+张力模式综合控制延伸率：实际生产过程中，带钢厚度基本维持在某一厚度区间内，很少有带钢过厚或过薄的极限情况出现，此时轧制力与张力对延伸率的影响都比较显著，故采用轧制力+张力模式综合控制延伸率较为合理。即优先采用轧制力补偿控制的方式，二级计算机在收到前一次延伸率调节超范围信号时，应先调节轧制力的给定值，当轧制力调节达到一定数值时（轧制力限幅），如果此时延伸率还达不到要求，再调张力给定值，最终使得延伸率达到设定要求。

以上三种模式决定了延伸率、轧制力、张力在控制上相互影响。延伸率的定义为带钢经过平整轧制工序后，产生长度增量部分占原始长度的百分比。对于本文所述情况而言，带钢产生长度增量的主要影响因素就是轧制力，因此一般来讲，延伸率闭环控制主要是控制轧制力的大小，使得带钢长度增量保持在一个固定值。所以轧制力异常除与自身检测与执行系统异常有关外，延伸率的闭环反馈也是影响其轧制力大小的重要因素之一，延伸率系统的异常很有可能导致轧制力表现出异常。

3 延伸率理论计算

通过延伸率的定义我们可知道，延伸率是指带钢被拉伸后，其标距段的变形量与原标段长度之比的百分数，其计算公式如下[4]：

式中：δ为带钢的延伸率，%；L0为平整前的带钢长度，mm；L1为平整后的带钢长度，mm。

带钢平整是一个压下率很小的轧制过程，延伸率一般控制在0.5%~3%之间，而直接检测带钢平整前后的长度比较困难，所以现实生产中往往用平整机前后张力辊的速度来进行延伸率的实际测量，其公式可以转化为[5]：

式中：δ为带钢的延伸率，%；v0为平整机的入口速度，m/s；v1为平整机的出口速度，m/s。

连退产线平整机延伸率的测量采用编码器测量张力辊角速度的方式进行转换，平整机前5号张力辊为两个驱动辊，生产中采用2号辊数据计算延伸率，平整机后6号张力辊同样为两个驱动辊，生产中采用1号辊数据计算延伸率，其公式如下：

式中：a=编码器数值×辊径（6号张力辊1号辊）×π/传动比（6号张力辊1号辊）；b=编码器数值×辊径（5号张力辊2号辊）×π/传动比（5号张力辊2号辊）；传动比为常量，每根辊此数值不同。

即平整机延伸率=a/b-1，通过公式（3）可以得出：当a不变，b减小，a/b变大，计算平整机延伸率变大。同理可知，当（5号张力辊2号辊）辊径变小，计算延伸率应变大，但在相同设定延伸率的情况下，就需要降低轧制力来保证延伸率。

4 现场试验

通过调查得知，2020年4月18日之前5号张力辊、6号张力辊程序辊径为1 200 mm；4月18日测量辊径情况如下页表1所示。

表1 张力辊实际辊径

程序中采用辊径数据为4月18日测量的辊径数据，同时连退平整机在相同延伸率情况下轧制力偏低。

2020年7月21日连退产线使用两个过渡卷，过渡卷到平整机后，平整机打开，随后将5号张力辊和6号张力辊辊径修改为1 200 mm（4月18日之前的状态），修改完毕后重新投入平整机，观察平整机轧制力情况，并且需要安排观察低延伸率DC04钢的轧制力状态。试验结束后使用过渡卷打开平整机，随后修改回原测量辊径。

4月19日—7月20日期间，平整机延伸率为0.7%情况下，轧制力为1 900 kN，修改辊径后，相同钢种、相同厚度、相同延伸率的轧制力为3 400 kN，轧制力大幅提升，恢复到4月18日之前的水平。

5 结论

根据以上实验对比可知，张力辊辊径直接影响延伸率，这一影响直观地表现在轧制力上。同时进一步论证了前面通过公式计算得出的“当平整机前张力辊（5号张力辊2号辊）输入辊径变大，后张力辊（6号张力辊1号辊）辊径保持不变，平整机同规格、同钢种、同延伸率的情况下，轧制力会变大”的结论。