丁 文 紅
（中冶南方工程技術有限公司 ，湖北 武漢 ４３０２２３）
摘 要：針對傳統熱軋平整工藝無法滿足高強鋼精整加工需求這一技術難題，開發出帶壓力增益調節功能的高強鋼矯直平整工藝ＬＴＰ－ＤＳＶ（Ｌｅｖｅｌｅｒ ａｎｄ Ｔｅｍｐｅｒ Ｐａｓｓｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｄｕａｌ Ｓｅｒｖｏ Ｖａｌｖｅ）。ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝利用矯直機降低高強鋼的殘余應力水平；利用雙伺服變增益軋制力控制技術提升高強鋼的性能穩定性；借助平整加工改善高強鋼的表面質量。在保證高強鋼性能的前提下充分降低產品的殘余應力水平。實際生產表明，ＬＴＰ－ＤＳ工藝能全面提升高強鋼的性能及質量。
關鍵詞：高強鋼；殘余應力；矯直；平整
１前言
采用高強鋼減少材料用量，降低環境影響，是現代工業的一項重要研究內容。在汽車制造領域，運用高強度鋼板減輕車身重量，已成為該領域的重要技術發展方向［１］，與此相適應，鋼鐵行業將高強鋼加工技術作為新的研究熱點，通過合金強化以及再結晶過程的控制，不斷提高材料強度，優化使用性能［２］，使高強鋼的應用領域不斷拓寬。
為了提升熱軋產品的表面質量、平直度以及厚度精度，傳統上采用熱軋平整工藝對熱軋產品進行精整加工。對于普通熱軋產品，其內部殘余應力水平相對較低，熱軋平整工藝可以滿足產品的后續加工及使用要求。但熱軋高強鋼產品的內部殘余應力水平相對較高，在平整加工后殘余應力水平依然較高，在后續使用過程中，高強鋼內部的殘余應力逐步釋放，造成材料變形，尺寸和形狀精度降低。為解決這一問題，需要對熱軋產品內部的殘余應力分布以及平整工藝對其內部殘余應力的改善機理進行研究。
２傳統熱軋平整工藝存在的技術問題
２．１平整機理及降低殘余應力的能力限制
２．１．１帶鋼內部的板織構特征
熱軋后的鋼板，其內部形成軋制板織構，致使組織內部的殘余應力分布具有如圖１所示的確定的方向性。這種與軋制方向平行的應力顯著大于其他方向上的應力，是造成熱軋板殘余應力水平高以及板形質量差的主要原因。
熱軋板內部應力的誘因主要有兩個：一是為了消除疏松、孔隙等鑄造缺陷，熱軋通常采用大壓縮比軋制；二是由于熱軋板表面溫度高，芯部溫度低，造成軋制過程中表層與芯部具有不同的流動性特征。因此，在熱軋板中存在顯著的具有板織構特征的殘余應力。改變這種板織構應力分布，是降低產品殘余應力水平的唯一途徑。
實際生產表明，平整工藝能夠在一定程度上降低熱軋產品的殘余應力，進而改善板形，這主要是基于摩擦機制和延伸率機制［３］。
２．１．２作用機制及其能力瓶頸
在軋制、平整過程中，由于軋輥與帶鋼之間的摩擦作用，使帶鋼在厚度方向上產生不均勻變形，加工后在帶鋼內部形成殘余應力。由于平整過程產生的殘余應力與軋制過程產生的殘余應力方向相反，因此，借助平整工序，可使軋制過程產生的宏觀級別的殘余應力得到降低，進而改善板形。其作用機理如圖２所示。
從摩擦機制可以看出，平整工藝降低殘余應力的能力受兩個因素影響，一是帶鋼與軋輥間的摩擦系數；二是平整過程中所采用的軋制力。而鋼板表面的粗糙度由產品表面狀態要求確定，平整軋制力由產品的性能決定，因此，對于既有表面粗糙度要求又有性能要求的產品，平整工藝就存在一個能力瓶頸。
延伸率機制是通過在帶鋼軋制方向上施加一定的延伸量，使帶鋼變形的不均勻程度得到改善，從而降低帶鋼內部的殘余應力。由于高強鋼對產品的性能有著嚴格的要求，為保證其性能，需要在加工過程中限制其延伸率。
因此，對于殘余應力水平相對較高，且性能敏感度也很高的熱軋高強鋼產品來說，傳統熱軋平整工藝無法滿足降低產品殘余應力的需求。
２．２平整工藝的性能缺陷
從高強鋼的強化機制來看，加工過程必須對高強鋼的性能進行嚴格控制。因此，作為降低高強鋼殘余應力的工藝必須兼具降低殘余應力與控制材料性能雙重功能。傳統平整工藝，在材料性能控制方面存在系統缺陷，將其應用于高強鋼加工，必須進行性能控制技術的提升。
傳統平整工藝采用恒延伸率方式控制材料性能。在延伸率閉環控制模式下，當實際延伸率與設定延伸率之間出現偏差時，采用調節軋制力的方式使延伸率保持恒定。因此軋制力動態控制精度直接決定了平整加工后帶鋼的性能穩定性。平整機的伺服控制系統采用流量伺服閥調節平整軋制力。在負載情況下，流量伺服閥的零位壓力增益較大，因此，實施動態軋制力調節時，較小的電流輸入會造成很大的壓力變化量，降低軋制力的動態控制精度，造成產品性能穩定性不高。因此，傳統平整機的伺服控制系統無法滿足熱軋高強鋼的性能控制需要。
３針對熱軋高強鋼的矯直平整工藝
如前所述，降低熱軋高強鋼殘余應力水平的關鍵是減小鋼板上下表面與中部的應力差，而增加鋼板上下表面的變形量，是降低具有軋制板織構特征熱軋產品的最直接手段。同時，作為高強鋼的加工工藝，還必須能夠準確控制材料的性能。綜合上述兩項要求，研制出具有高精度性能控制能力的高強鋼矯直平整工藝（Ｌｅｖｅｌｅｒ ａｎｄ Ｔｅｍ－ｐｅｒ Ｐａｓｓｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ以下簡稱ＬＴＰ）。
３．１降低殘余應力的機理
降低板織構殘余應力水平的核心是減小帶鋼表層與中部的變形差，而彎曲矯直工藝的變形特點正好滿足了這一需求。圖３為輥式矯直工藝示意圖以及帶鋼進行矯直加工時的變形特點。矯直過程中，帶鋼沿輥子表面彎曲，在帶鋼厚度方向上，其伸長量存在差異，即帶鋼外表面伸長量大，中部區域伸長量小。同時，通過調整矯直輥輥徑或者壓入深度，就可以改變帶鋼表層與帶鋼中部的變形差，有效降低軋制后帶鋼內部的殘余應力水平。
對高強鋼而言，僅降低鋼板內部的殘余應力不能滿足其使用性能要求。而傳統的輥式矯直工藝在帶鋼性能控制上缺乏手段，因此，開發出新的矯直平整工藝。
３．２矯直平整工藝設計
新矯直平整工藝（ＬＴＰ）：具有伺服控制功能的平整機可以通過調節鋼板的延伸率控制材料的性能，結合矯直工藝改變軋制板織構應力分布，以滿足高強鋼加工的工藝需求。利用矯直機降低產品的殘余應力，借助平整機的動態調節，保證產品的性能要求。其工藝布置見圖４。
熱軋高強鋼矯直平整機組主要包括開卷機、入口轉向夾送輥、矯直機、平整機、出口轉向夾送輥、卷取機等關鍵設備，并在入口轉向夾送輥、出口轉向夾送輥處配置延伸率控制編碼器。
在熱軋高強鋼精整加工過程中，通過矯直機充分降低軋制后高強鋼內部的殘余應力水平；利用入口轉向夾送輥、出口轉向夾送輥的延伸率檢測以及平整機的實時動態調整功能控制加工后高強鋼產品的性能；借助平整機的平整加工提升熱軋高強鋼產品的表面質量。因此，
ＬＴＰ工藝既具有強的殘余應力控制能力、穩定的產品性能控制手段，又具有優異的產品表面質量改善功能。
平整機利用伺服控制系統可以實時調控材料的性能，但在性能控制精度上還無法滿足高強鋼的性能控制需求。針對高強鋼的特點，還需要進一步改進平整機的性能控制能力。
３．３提升高強鋼性能穩定性的變增益伺服控制系統
平整機采用軋制力調節方式控制材料性能，實現軋制力動態調節控制的技術手段為借助流量伺服閥對軋制力實施控制。由于流量伺服閥在負載情況下零位的壓力增益較大，軋制力的動態控制精度低，無法滿足高性能高強鋼產品的性能穩定性需求。針對這一問題，研制出變增益軋制力控制技術。
３．３．１雙伺服變增益軋制力控制技術
為了降低軋制力控制系統在負載狀態下的壓力增益，采用大、小兩個伺服閥的并聯組合形式替代傳統的伺服閥，如圖５所示。在正常工作時，用小流量伺服閥進行軋制力動態控制，用大流量伺服閥調整系統的壓力－流量系數，降低系統的壓力增益。在靠輥壓下以及快開等工藝操作過程中，兩伺服閥同時投入，滿足各種工況的工藝需求。這就是變增益軋制力控制方法。將其應用于ＬＴＰ工藝，形成滿足高強鋼性能需求的矯直平整工藝（Ｌｅｖｅｌｅｒ ａｎｄ Ｔｅｍｐｅｒ Ｐａｓｓｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｉｔｈＤｕａｌ Ｓｅｒｖｏ Ｖａｌｖｅ以下簡稱ＬＴＰ－ＤＳＶ）。
３．３．２ ＬＴＰ－ＤＳＶ的性能模擬
圖６力控制系統與傳統單伺服閥軋制力控制系統控制力控制系統與傳統單伺服閥軋制力控制系統控制腔壓力曲線變化情況的對比。
圖７為給系統施加階躍響應信號時，雙伺服變增益軋制力控制系統與傳統單伺服軋制力控制系統控制腔壓力曲線的對比。
因此，采用雙伺服變增益軋制力控制系統可以有效提高軋制力的動態控制精度，進而提升延伸率的控制精度以及加工后帶鋼的性能。實際生產數據表明，采用雙伺服變增益軋制力控制技術后，延 伸 率 的 波 動 范 圍 由±０．０５％降 低 為±０．０３％。
４ ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝的實際應用
為驗證ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝的實際應用效果，對ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝與傳統熱軋平整工藝進行了對比性試驗。比較了兩種工藝對不同強度級別、不同厚度規格帶鋼平直度的改善情況。并據此分析了兩種工藝對產品殘余應力的控制能力。采用 寬 度 為１５００ｍｍ，厚 度 分 別 為３．４０、４．５０、６．３５、１２．７０ｍｍ的１０鋼、５０鋼、８０鋼進行
試驗。將同一批次原料分為兩組，一組采用傳統熱軋平整工藝，另一組采用ＬＴＰ－ＤＳＶ
工藝。對加工后的帶鋼進行分條，測量分條后最長帶鋼與最短帶鋼間的長度差ΔＬ，計算加工后的平直度。由于帶鋼的平直度是帶鋼內部殘余應力水平的反應，因此可以通過平直度的改善情況分析殘余應力的水平。平直度計算公式：
式中，Ｌ為最短帶鋼的長度，ｍｍ。
４．１ 不同強度級別帶鋼殘余應力改善情況
第１組 試 驗 采 用 寬 度 為１５００ｍｍ，厚 度 為３．４ｍｍ的帶鋼，比較兩種工藝對不同強度級別帶鋼殘余應力水平的改善能力。圖８為兩種工藝加工后產品平直度的對比數據，圖９為兩種工藝下同種帶鋼的平直度之比。
從圖８可以看出，對于各種強度級別的帶鋼，ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝均比傳統平整工藝具有更強的殘余應力改善能力。從圖９可以看出，與普碳鋼相比，ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝對高強鋼具有更強的殘余應力改善能力。這主要是由于高強度帶鋼具有更高的抗表面不均勻屈服能力。
４．２不同厚度規格帶鋼殘余應力改善情況
第２組試驗采用寬度為１５００ｍｍ的５０鋼，比較兩種工藝對不同厚度規格帶鋼殘余應力水平的降低能力。試驗結果如圖１０、圖１１所示。
從圖１０可以看出，對于各種厚度規格的帶鋼，ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝均比傳統平整工藝具有更強的殘余應力改善能力。從圖１１可以看出，ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝對厚規格帶鋼殘余應力的改善能力強于對薄規格的改善能力。其原因是：為了保證試驗數據的可比性，在試驗過程中對各種厚度規格的帶鋼采用了相同的壓下量。在實際生產中，可以根據厚度調節上矯直輥的壓下量以得到滿意的效果。
５結論
充分降低產品的殘余應力水平以及提升產品的性能穩定性是生產熱軋高強鋼產品的兩個關鍵要素。本文研制出帶壓力增益調節功能的矯直平整工藝（ＬＴＰ－ＤＳＶ）解決了熱軋高強鋼生產的技術難題。ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝通過矯直機降低產品在軋制過程中形成的殘余內應力；依托平整機改善產品的表面質量；利用精確控制矯直平整工藝段的總延伸率，保證產品加工后的性能穩定性。實際生產表明：
（１）ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝較傳統熱軋平整工藝具有更強的產品殘余應力以及性能穩定性的控制能力。
（２）對于不同強度級別、不同厚度規格的帶鋼，采用ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝加工后的殘余應力水平均大幅低于采用傳統熱軋平整工藝加工后的殘余應力水平。
（３）ＬＴＰ－ＤＳＶ工藝對高強度級別帶鋼殘余應力的控制能力優于對普通熱軋產品殘余應力的控制能力。
參考文獻：
［１］ 李光瀛．新一代高強塑性鋼的開發與應用［Ｊ］．軋鋼，２０１１，２８（１）：１－９．
［２］ 中國產業競爭情報網．汽車用鋼產品需求特點及生產技術發展趨勢分析［Ｚ］．北京：中國產業競爭情報網，２００９．
［３］ 丁文紅．平整機的板形改善機制及其應用［Ｊ］．軋鋼，２０１２，２９（１）：２
６－２８．