丁 文 红

（中冶南方工程技术有限公司 ，湖北　武汉　４３０２２３）

摘  要：针对传统热轧平整工艺无法满足高强钢精整加工需求这一技术难题，开发出带压力增益调节功能的高强钢矫直平整工艺ＬＴＰ－ＤＳＶ（Ｌｅｖｅｌｅｒ　ａｎｄ　Ｔｅｍｐｅｒ　Ｐａｓｓｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｔｈ　Ｄｕａｌ　Ｓｅｒｖｏ　Ｖａｌｖｅ）。ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺利用矫直机降低高强钢的残余应力水平；利用双伺服变增益轧制力控制技术提升高强钢的性能稳定性；借助平整加工改善高强钢的表面质量。在保证高强钢性能的前提下充分降低产品的残余应力水平。实际生产表明，ＬＴＰ－ＤＳ工艺能全面提升高强钢的性能及质量。

关键词：高强钢；残余应力；矫直；平整

１前言

采用高强钢减少材料用量，降低环境影响，是现代工业的一项重要研究内容。在汽车制造领域，运用高强度钢板减轻车身重量，已成为该领域的重要技术发展方向［１］，与此相适应，钢铁行业将高强钢加工技术作为新的研究热点，通过合金强化以及再结晶过程的控制，不断提高材料强度，优化使用性能［２］，使高强钢的应用领域不断拓宽。

为了提升热轧产品的表面质量、平直度以及厚度精度，传统上采用热轧平整工艺对热轧产品进行精整加工。对于普通热轧产品，其内部残余应力水平相对较低，热轧平整工艺可以满足产品的后续加工及使用要求。但热轧高强钢产品的内部残余应力水平相对较高，在平整加工后残余应力水平依然较高，在后续使用过程中，高强钢内部的残余应力逐步释放，造成材料变形，尺寸和形状精度降低。为解决这一问题，需要对热轧产品内部的残余应力分布以及平整工艺对其内部残余应力的改善机理进行研究。

２传统热轧平整工艺存在的技术问题

２．１平整机理及降低残余应力的能力限制

２．１．１带钢内部的板织构特征

热轧后的钢板，其内部形成轧制板织构，致使组织内部的残余应力分布具有如图１所示的确定的方向性。这种与轧制方向平行的应力显著大于其他方向上的应力，是造成热轧板残余应力水平高以及板形质量差的主要原因。

热轧板内部应力的诱因主要有两个：一是为了消除疏松、孔隙等铸造缺陷，热轧通常采用大压缩比轧制；二是由于热轧板表面温度高，芯部温度低，造成轧制过程中表层与芯部具有不同的流动性特征。因此，在热轧板中存在显著的具有板织构特征的残余应力。改变这种板织构应力分布，是降低产品残余应力水平的唯一途径。

实际生产表明，平整工艺能够在一定程度上降低热轧产品的残余应力，进而改善板形，这主要是基于摩擦机制和延伸率机制［３］。

２．１．２作用机制及其能力瓶颈

在轧制、平整过程中，由于轧辊与带钢之间的摩擦作用，使带钢在厚度方向上产生不均匀变形，加工后在带钢内部形成残余应力。由于平整过程产生的残余应力与轧制过程产生的残余应力方向相反，因此，借助平整工序，可使轧制过程产生的宏观级别的残余应力得到降低，进而改善板形。其作用机理如图２所示。

从摩擦机制可以看出，平整工艺降低残余应力的能力受两个因素影响，一是带钢与轧辊间的摩擦系数；二是平整过程中所采用的轧制力。而钢板表面的粗糙度由产品表面状态要求确定，平整轧制力由产品的性能决定，因此，对于既有表面粗糙度要求又有性能要求的产品，平整工艺就存在一个能力瓶颈。

延伸率机制是通过在带钢轧制方向上施加一定的延伸量，使带钢变形的不均匀程度得到改善，从而降低带钢内部的残余应力。由于高强钢对产品的性能有着严格的要求，为保证其性能，需要在加工过程中限制其延伸率。

因此，对于残余应力水平相对较高，且性能敏感度也很高的热轧高强钢产品来说，传统热轧平整工艺无法满足降低产品残余应力的需求。

２．２平整工艺的性能缺陷

从高强钢的强化机制来看，加工过程必须对高强钢的性能进行严格控制。因此，作为降低高强钢残余应力的工艺必须兼具降低残余应力与控制材料性能双重功能。传统平整工艺，在材料性能控制方面存在系统缺陷，将其应用于高强钢加工，必须进行性能控制技术的提升。

传统平整工艺采用恒延伸率方式控制材料性能。在延伸率闭环控制模式下，当实际延伸率与设定延伸率之间出现偏差时，采用调节轧制力的方式使延伸率保持恒定。因此轧制力动态控制精度直接决定了平整加工后带钢的性能稳定性。平整机的伺服控制系统采用流量伺服阀调节平整轧制力。在负载情况下，流量伺服阀的零位压力增益较大，因此，实施动态轧制力调节时，较小的电流输入会造成很大的压力变化量，降低轧制力的动态控制精度，造成产品性能稳定性不高。因此，传统平整机的伺服控制系统无法满足热轧高强钢的性能控制需要。

３针对热轧高强钢的矫直平整工艺

如前所述，降低热轧高强钢残余应力水平的关键是减小钢板上下表面与中部的应力差，而增加钢板上下表面的变形量，是降低具有轧制板织构特征热轧产品的最直接手段。同时，作为高强钢的加工工艺，还必须能够准确控制材料的性能。综合上述两项要求，研制出具有高精度性能控制能力的高强钢矫直平整工艺（Ｌｅｖｅｌｅｒ　ａｎｄ　Ｔｅｍ－ｐｅｒ　Ｐａｓｓｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ以下简称ＬＴＰ）。

３．１降低残余应力的机理

降低板织构残余应力水平的核心是减小带钢表层与中部的变形差，而弯曲矫直工艺的变形特点正好满足了这一需求。图３为辊式矫直工艺示意图以及带钢进行矫直加工时的变形特点。矫直过程中，带钢沿辊子表面弯曲，在带钢厚度方向上，其伸长量存在差异，即带钢外表面伸长量大，中部区域伸长量小。同时，通过调整矫直辊辊径或者压入深度，就可以改变带钢表层与带钢中部的变形差，有效降低轧制后带钢内部的残余应力水平。

对高强钢而言，仅降低钢板内部的残余应力不能满足其使用性能要求。而传统的辊式矫直工艺在带钢性能控制上缺乏手段，因此，开发出新的矫直平整工艺。

３．２矫直平整工艺设计

新矫直平整工艺（ＬＴＰ）：具有伺服控制功能的平整机可以通过调节钢板的延伸率控制材料的性能，结合矫直工艺改变轧制板织构应力分布，以满足高强钢加工的工艺需求。利用矫直机降低产品的残余应力，借助平整机的动态调节，保证产品的性能要求。其工艺布置见图４。

热轧高强钢矫直平整机组主要包括开卷机、入口转向夹送辊、矫直机、平整机、出口转向夹送辊、卷取机等关键设备，并在入口转向夹送辊、出口转向夹送辊处配置延伸率控制编码器。

在热轧高强钢精整加工过程中，通过矫直机充分降低轧制后高强钢内部的残余应力水平；利用入口转向夹送辊、出口转向夹送辊的延伸率检测以及平整机的实时动态调整功能控制加工后高强钢产品的性能；借助平整机的平整加工提升热轧高强钢产品的表面质量。因此，

ＬＴＰ工艺既具有强的残余应力控制能力、稳定的产品性能控制手段，又具有优异的产品表面质量改善功能。

平整机利用伺服控制系统可以实时调控材料的性能，但在性能控制精度上还无法满足高强钢的性能控制需求。针对高强钢的特点，还需要进一步改进平整机的性能控制能力。

３．３提升高强钢性能稳定性的变增益伺服控制系统

平整机采用轧制力调节方式控制材料性能，实现轧制力动态调节控制的技术手段为借助流量伺服阀对轧制力实施控制。由于流量伺服阀在负载情况下零位的压力增益较大，轧制力的动态控制精度低，无法满足高性能高强钢产品的性能稳定性需求。针对这一问题，研制出变增益轧制力控制技术。

３．３．１双伺服变增益轧制力控制技术

为了降低轧制力控制系统在负载状态下的压力增益，采用大、小两个伺服阀的并联组合形式替代传统的伺服阀，如图５所示。在正常工作时，用小流量伺服阀进行轧制力动态控制，用大流量伺服阀调整系统的压力－流量系数，降低系统的压力增益。在靠辊压下以及快开等工艺操作过程中，两伺服阀同时投入，满足各种工况的工艺需求。这就是变增益轧制力控制方法。将其应用于ＬＴＰ工艺，形成满足高强钢性能需求的矫直平整工艺（Ｌｅｖｅｌｅｒ　ａｎｄ　Ｔｅｍｐｅｒ　Ｐａｓｓｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｔｈＤｕａｌ　Ｓｅｒｖｏ　Ｖａｌｖｅ以下简称ＬＴＰ－ＤＳＶ）。

３．３．２　ＬＴＰ－ＤＳＶ的性能模拟

图６力控制系统与传统单伺服阀轧制力控制系统控制力控制系统与传统单伺服阀轧制力控制系统控制腔压力曲线变化情况的对比。

图７为给系统施加阶跃响应信号时，双伺服变增益轧制力控制系统与传统单伺服轧制力控制系统控制腔压力曲线的对比。

因此，采用双伺服变增益轧制力控制系统可以有效提高轧制力的动态控制精度，进而提升延伸率的控制精度以及加工后带钢的性能。实际生产数据表明，采用双伺服变增益轧制力控制技术后，延 伸 率 的 波 动 范 围 由±０．０５％降 低 为±０．０３％。

４　ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺的实际应用

为验证ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺的实际应用效果，对ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺与传统热轧平整工艺进行了对比性试验。比较了两种工艺对不同强度级别、不同厚度规格带钢平直度的改善情况。并据此分析了两种工艺对产品残余应力的控制能力。采用 宽 度 为１５００ｍｍ，厚 度 分 别 为３．４０、４．５０、６．３５、１２．７０ｍｍ的１０钢、５０钢、８０钢进行

试验。将同一批次原料分为两组，一组采用传统热轧平整工艺，另一组采用ＬＴＰ－ＤＳＶ

工艺。对加工后的带钢进行分条，测量分条后最长带钢与最短带钢间的长度差ΔＬ，计算加工后的平直度。由于带钢的平直度是带钢内部残余应力水平的反应，因此可以通过平直度的改善情况分析残余应力的水平。平直度计算公式：

式中，Ｌ为最短带钢的长度，ｍｍ。

４．１　不同强度级别带钢残余应力改善情况

第１组 试 验 采 用 宽 度 为１５００ｍｍ，厚 度 为３．４ｍｍ的带钢，比较两种工艺对不同强度级别带钢残余应力水平的改善能力。图８为两种工艺加工后产品平直度的对比数据，图９为两种工艺下同种带钢的平直度之比。

从图８可以看出，对于各种强度级别的带钢，ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺均比传统平整工艺具有更强的残余应力改善能力。从图９可以看出，与普碳钢相比，ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺对高强钢具有更强的残余应力改善能力。这主要是由于高强度带钢具有更高的抗表面不均匀屈服能力。

４．２不同厚度规格带钢残余应力改善情况

第２组试验采用宽度为１５００ｍｍ的５０钢，比较两种工艺对不同厚度规格带钢残余应力水平的降低能力。试验结果如图１０、图１１所示。

从图１０可以看出，对于各种厚度规格的带钢，ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺均比传统平整工艺具有更强的残余应力改善能力。从图１１可以看出，ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺对厚规格带钢残余应力的改善能力强于对薄规格的改善能力。其原因是：为了保证试验数据的可比性，在试验过程中对各种厚度规格的带钢采用了相同的压下量。在实际生产中，可以根据厚度调节上矫直辊的压下量以得到满意的效果。

５结论

充分降低产品的残余应力水平以及提升产品的性能稳定性是生产热轧高强钢产品的两个关键要素。本文研制出带压力增益调节功能的矫直平整工艺（ＬＴＰ－ＤＳＶ）解决了热轧高强钢生产的技术难题。ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺通过矫直机降低产品在轧制过程中形成的残余内应力；依托平整机改善产品的表面质量；利用精确控制矫直平整工艺段的总延伸率，保证产品加工后的性能稳定性。实际生产表明：

（１）ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺较传统热轧平整工艺具有更强的产品残余应力以及性能稳定性的控制能力。

（２）对于不同强度级别、不同厚度规格的带钢，采用ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺加工后的残余应力水平均大幅低于采用传统热轧平整工艺加工后的残余应力水平。

（３）ＬＴＰ－ＤＳＶ工艺对高强度级别带钢残余应力的控制能力优于对普通热轧产品残余应力的控制能力。

参考文献：

［１］  李光瀛．新一代高强塑性钢的开发与应用［Ｊ］．轧钢，２０１１，２８（１）：１－９．

［２］  中国产业竞争情报网．汽车用钢产品需求特点及生产技术发展趋势分析［Ｚ］．北京：中国产业竞争情报网，２００９．

［３］  丁文红．平整机的板形改善机制及其应用［Ｊ］．轧钢，２０１２，２９（１）：２

６－２８．