羅 敏 石文敏 駱新根 楊 光 郭 軍

(國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢：430081)

HiB鋼是Si含量大于3.2%的特殊電工鋼之一，與普通硅鋼在金屬學(xué)上最大的不同點(diǎn)是高斯位向的織構(gòu)度非常高[1]，這一特性使得HiB鋼具有更高的導(dǎo)磁率。相比普通硅鋼，在相同磁場(chǎng)強(qiáng)下HiB鋼獲得的磁感強(qiáng)度更高，表現(xiàn)出的鐵損值也更低，因此HiB鋼成為各大電工鋼企業(yè)競(jìng)相生產(chǎn)的焦點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于HiB鋼特殊的Si-C比例使得其具有硬度高脆性大的生產(chǎn)特性，造成HiB鋼在冷軋工序產(chǎn)生大量帶頭廢，嚴(yán)重影響HiB鋼的成材率。

1 HiB鋼冷軋工序帶頭廢現(xiàn)狀

在HiB鋼冷軋生產(chǎn)過(guò)程中，帶頭廢對(duì)HiB鋼成材率的影響很大。以某硅鋼廠二十輥森吉米爾軋機(jī)為例(見(jiàn)圖1)：出(入)口卷曲機(jī)卷筒直徑Φ0.54m[2]，正常情況下第一道次(1P)頭部3圈卷曲所耗費(fèi)的HiB鋼帶長(zhǎng)度約為5.0m，出口卷曲機(jī)與出口X-測(cè)厚儀的距離約2.5m，出口X-測(cè)厚儀與軋制中心線的距離約3.0m，因此從軋制中心線到出口卷曲機(jī)的帶頭長(zhǎng)度是5.5m，即第一道次(1P)頭部出口無(wú)法軋制的HiB鋼鋼帶總長(zhǎng)度約為10.5m,加上第二道次(2P)頭部入口帶頭長(zhǎng)度(入口卷曲機(jī)到軋制中心線距離)5.5m，帶頭總長(zhǎng)度一共是16m。也就是說(shuō)，在森吉米爾軋機(jī)正常軋制狀態(tài)下，HiB鋼原料卷至少有16m將作為帶頭廢耗費(fèi)掉。

圖1 森吉米爾軋機(jī)布局圖

按照該廠HiB鋼原料卷平均卷重16t，鋼帶厚度2.2mm，寬度1080mm，利用鋼卷重量公式計(jì)算出16m長(zhǎng)HiB鋼帶頭重量。

(1)

式中：B為板寬(m)；L為長(zhǎng)度(m)；H為板厚(mm)；ρ為HiB鋼密度(kg/m3)

由(1)得鋼帶全長(zhǎng)L=16×1000÷2.2÷1.080÷7.65=880(m)

16m帶頭重量

W1=16×16÷880=0.29(t)

(2)

冷軋生產(chǎn)過(guò)程中，HiB鋼一般按照5個(gè)道次(5P)或者6個(gè)道次(6P)的軋制工藝進(jìn)行，加上各道次切換產(chǎn)生的帶頭廢，HiB鋼在冷軋工序的帶頭廢更高。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，在1P、2P正常軋制情況下，軋機(jī)一般是在鋼帶尾部5圈左右停止運(yùn)轉(zhuǎn)。以某2.2mm*1080mm規(guī)格HiB鋼軋制規(guī)程為例，見(jiàn)表1。

表1 HiB鋼軋制規(guī)程表

按照公式:l=nπD，5圈引帶長(zhǎng)度l=3.14×0.54×5=8.5(m)

由于HiB鋼軋制是可逆軋制，依據(jù)式(1)和表一，則各道次切換間的帶頭廢W2為：

W2=7.65×1.08×8.5×(2.2+1.39+

0.88+0.57+0.37)÷1000=0.38(t)

(3)

根據(jù)式(2)和式(3)，帶頭廢總計(jì)達(dá)到

0.38+0.28=0.66(t)

(4)

2 帶頭廢偏高原因

二十輥森吉米爾軋機(jī)是生產(chǎn)冷軋HiB鋼的最優(yōu)秀設(shè)備之一，具有先進(jìn)的AGC厚度控制系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)通過(guò)液壓油缸的位置閉環(huán)、軋制壓力閉環(huán)、測(cè)厚儀監(jiān)控閉環(huán)三個(gè)主要的閉環(huán)回路能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼帶厚度差精準(zhǔn)連續(xù)的跟蹤與控制[4]，保證軋制出高精度、厚度均勻的產(chǎn)品。對(duì)于原料本身帶來(lái)的厚度波動(dòng)問(wèn)題在理論上經(jīng)過(guò)一個(gè)道次的軋制后就可以有效解決。其先進(jìn)的自動(dòng)減速與自動(dòng)帶尾停止[5]功能則不僅能實(shí)現(xiàn)軋機(jī)的精準(zhǔn)停車確保設(shè)備安全，更是可逆軋制過(guò)程中道次切換間提高帶頭利用率的可靠保證。

正常軋制狀態(tài)下，HiB鋼帶的剩余長(zhǎng)度始終被森吉米爾軋機(jī)AGC控制系統(tǒng)監(jiān)視著，在每一道次軋制即將結(jié)束時(shí)，為保證設(shè)備安全避免上一道次軋制線軋過(guò)軋輥，入口段的速度將自動(dòng)減速，這種自動(dòng)減速控制不僅可以完成800m/min高速軋制中的自動(dòng)減速，還能維持降速后的200m/min恒定以及60m/min保持，更主要的是能實(shí)現(xiàn)軋機(jī)的精準(zhǔn)停車：當(dāng)入口段實(shí)際剩余長(zhǎng)度小于等于帶鋼減速行程長(zhǎng)度時(shí)[6]，或者當(dāng)實(shí)際厚度與系統(tǒng)設(shè)定厚度出現(xiàn)偏差時(shí)，軋機(jī)能根據(jù)測(cè)厚儀測(cè)量結(jié)果實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車避免沖帶纏輥事故的發(fā)生。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)了解發(fā)現(xiàn)，森吉米爾軋機(jī)AGC厚度控制系統(tǒng)的投入使用是有前提條件的，類似于汽車的定速巡航控制系統(tǒng)(CRUISE CONTROL SYSTEM)只有在行駛速度40km/h及以上時(shí)才能激活一樣，森吉米爾二十輥軋機(jī)AGC控制系統(tǒng)只有在軋制速度大于60m/min才能有效投入，而HiB鋼在冷軋生產(chǎn)過(guò)程中尤其是1P和2P起步階段，因?yàn)榘鍦氐?、材質(zhì)硬度大、起步軋速低、AGC控制系統(tǒng)來(lái)不及投入使用等原因，系統(tǒng)預(yù)設(shè)的軋制壓力不足以迅速將鋼帶從初始厚度軋制到設(shè)定厚度，鋼帶厚度會(huì)有一個(gè)緩慢壓下的過(guò)程。在這個(gè)由初始厚度向設(shè)定厚度轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，HiB鋼帶大約要經(jīng)過(guò)5-7圈甚至更長(zhǎng)的長(zhǎng)度才能實(shí)現(xiàn)，而在自動(dòng)減速階段，因?yàn)閷?shí)際厚度與系統(tǒng)設(shè)定厚度出現(xiàn)偏差，軋機(jī)根據(jù)測(cè)厚儀測(cè)量結(jié)果也會(huì)在離軋制線5圈左右的地方實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車，正是基于以上原因造成了HiB鋼冷軋生產(chǎn)過(guò)程中的大量帶頭廢。

3 解決方案

3.1 思路原理

想要降低帶頭廢，就必須減少厚度偏差量，控制軋機(jī)起步時(shí)的超差長(zhǎng)度(主要是1P和2P)。同時(shí)確保起步階段AGC控制快速響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)后續(xù)軋制道次自動(dòng)減速停機(jī)的精確控制。

軋制力對(duì)鋼帶出口厚度的影響很大。要消除出口鋼帶的厚度差首先就需要對(duì)軋制力進(jìn)行優(yōu)化。利用彈塑性曲線可以很直觀地闡述優(yōu)化軋制力消除出口鋼帶厚度差的原理(見(jiàn)圖2)。

圖2 厚度偏差消除原理[7]

假定HiB鋼原料的初始厚度為Ha，初始軋制壓力為pa，軋出的鋼帶厚度為ha。若鋼帶的入側(cè)厚度變?yōu)镠b，將使軋制力變?yōu)镻b，軋出的鋼帶厚度變?yōu)閔b，產(chǎn)生Δh的厚度差[8]。如果要消除這個(gè)厚度偏差Δh，就需要改變預(yù)設(shè)輥縫，使輥縫增加ΔS，這樣才能保持出口鋼帶厚度不變。也就是說(shuō)在軋制力給定的情況下，當(dāng)鋼帶的厚度增加時(shí)，軋出厚度也將增加，若要保持出口鋼帶厚度不變，就必須減小輥縫，使軋制力進(jìn)一步變大；當(dāng)鋼帶的厚度減少時(shí)，軋制力也會(huì)隨同減小，軋出厚度也要變小，如果要保持出口鋼帶厚度不變，就需要增大輥縫，使軋制力減小。

第二就是要實(shí)現(xiàn)1P、2P帶頭的起步快速控制。帶頭快速控制不僅能縮短超差長(zhǎng)度，也是后續(xù)軋制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車的必要保證[9]。帶頭快速控制的原理就是在起步階段讓軋制速度快速提升到60m/min以上，盡量避免軋機(jī)在低速環(huán)境下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)AGC厚度控制系統(tǒng)的迅速響應(yīng)，減少起步偏差軋制時(shí)間。

3.2 具體方法

由于原始帶頭的厚度差使得變形抗力增加，要想保持出口鋼帶厚度h不變，就需進(jìn)一步壓下使輥縫減小，增加軋制壓力[10]。因此在HiB鋼1P、2P的冷軋起步階段，需要對(duì)軋制力實(shí)行手動(dòng)干預(yù)以加大軋制壓力，使鋼帶出側(cè)厚度能迅速達(dá)到設(shè)定值，縮短從初始厚度到設(shè)定厚度的偏差長(zhǎng)度。HiB鋼軋制是一個(gè)多道次可逆軋制過(guò)程，上一道次的頭部即下一道次的尾部，因此本試驗(yàn)重點(diǎn)只對(duì)HiB鋼冷軋生產(chǎn)過(guò)程中的1P和2P做討論研究。

為保證試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，試驗(yàn)選取在同一批次的相同HiB鋼原料卷上開(kāi)展。首先按照正常軋制規(guī)程做好開(kāi)軋準(zhǔn)備，在系統(tǒng)預(yù)設(shè)軋制力的基礎(chǔ)上，手動(dòng)增加1%軋制力，結(jié)合帶頭起步快速控制方法讓AGC控制系統(tǒng)迅速投入，待軋制狀態(tài)平穩(wěn)后，記錄從初始厚度Ha到設(shè)定厚度ha的圈數(shù)和長(zhǎng)度。

按照上述步驟，將軋制壓力在系統(tǒng)預(yù)設(shè)基礎(chǔ)上手動(dòng)依次增加2%、3%、4%……并依次記錄從初始厚度Ha到設(shè)定厚度ha的圈數(shù)和長(zhǎng)度，在滿足工藝要求和保證設(shè)備安全的前提下尋找最佳軋制壓力優(yōu)化比例。

3.3 試驗(yàn)效果

通過(guò)將軋制力優(yōu)化與帶頭快速控制技術(shù)相結(jié)合，使得HiB鋼帶頭要經(jīng)過(guò)5-7圈才能實(shí)現(xiàn)的壓下過(guò)程縮短至2-3圈。其關(guān)系如圖3所示。

圖3 加壓比例與偏差圈數(shù)的關(guān)系

由圖3可以看出：①軋制力增加5%—7%時(shí)，軋制狀況平穩(wěn)，鋼帶邊部狀況良好，后續(xù)軋程穩(wěn)定，偏差圈數(shù)控制在2-3圈最佳范圍。壓下過(guò)程和厚度變化如圖4所示。

按照2-3圈的最佳范圍，5個(gè)道次的軋制過(guò)程每個(gè)道次厚度偏差量縮短3圈計(jì)算，可有效利用的帶頭重量為：

W=7.65×1.08×5.08×(2.2+1.39+0.88+0.57+0.37)÷1000=0.23(t)

圖4 軋制力優(yōu)化前后厚度變化對(duì)比

②軋制力增大到8%以上時(shí)，由于壓力過(guò)大，鋼帶邊部出現(xiàn)裂口碎邊等問(wèn)題影響后續(xù)軋制：壓下率過(guò)大使得鋼帶邊部經(jīng)過(guò)卷曲機(jī)卷曲時(shí)產(chǎn)生邊裂和碎口，當(dāng)進(jìn)入下一道次軋制時(shí)，就會(huì)以這些小邊裂或碎口為起點(diǎn)引發(fā)斷裂造成卷曲困難或斷帶引起生產(chǎn)事故。通過(guò)對(duì)斷裂部位觀察發(fā)現(xiàn)，由這些小裂口引發(fā)的斷面基本呈現(xiàn)撕裂狀和鋸齒狀，經(jīng)電鏡掃描觀察，斷面主要成分是Si的氧化物，并無(wú)其他夾雜物。

③軋制力超過(guò)10%以上時(shí)，軋機(jī)主輥電流負(fù)荷過(guò)大超過(guò)主電機(jī)上限承載電流，運(yùn)行在超負(fù)荷的環(huán)境下很容易對(duì)電機(jī)等重要設(shè)備造成傷害：電機(jī)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行會(huì)使電流超額而發(fā)熱加劇[11]，進(jìn)而使電機(jī)處于高溫環(huán)境。在超出額定溫度的環(huán)境下電機(jī)絕緣層容易老化，電機(jī)軸承潤(rùn)滑也容易失效。

4 結(jié)論

在HiB鋼冷軋生產(chǎn)的1P和2P起步階段，通過(guò)優(yōu)化軋制力和采用帶頭快速控制方法，能有效縮短帶頭厚度偏差長(zhǎng)度，提高后續(xù)軋制道次的自動(dòng)停機(jī)精度，對(duì)提高HiB鋼帶頭利用率提升工序成材率具有很高的可行性和實(shí)用性。