分享：宽厚钢板板形控制理论及实践综述
新中国宽厚板工业经历了从无到有、从弱到强的发展过程。宽厚钢板的板形控制是生产过程中十分重要的质量控制环节。文章简要介绍了宽厚钢板生产的关键设备：加热炉、高压水除鳞装置、宽厚板轧机、矫直机、滚切式双边剪、热处理设备、压平机等的发展及关键工艺；综述了宽厚板轧制成形金属弹塑性变形理论、轧制过程中的变形理论、轧后的矫直和压平理论；针对宽厚板生产中出现的纵向弯曲、横向弯曲(镰刀弯)、边浪、中间浪等板形问题，分析了钢坯加热的不均匀、轧制过程中的冷却不均匀、轧制过程中轧机的不稳定性等影响因素并给出了生产实践解决方案；提出大厚度热矫直机、新型无氧化烧嘴、新材料无粘铁皮炉底辊等新技术的应用预测。
自1949年以来中国钢铁工业走过了一条不平凡的发展之路，中国宽厚钢板作为钢铁工业的一个重要领域，也同样经历了从无到有，从弱到强的艰辛历程。从40多年前中国第一家宽厚板生产科研基地——舞钢的诞生到数十家宽厚板生产线的成长，凝聚了无数宽厚板科研及生产工作者的共同努力。
当前，中国宽厚板生产面临的问题不再是产量的提高和低价的竞争，而是产品结构的优化调整和产品质量的不断提升。内在性能质量和外在板形质量这两大方面，都需要向国内外市场的更高标准看齐和迈进。板形质量在当前日益激烈的市场竞争中对于赢得客户特别是高端客户和高端市场尤为重要。对于一般的钢板来说，国内外的质量控制差距不大，但对于高强度大厚度的宽厚板来说，板形控制我们还有差距，当然也就有了提升和进步的巨大技术和市场空间，因此，宽厚板的板形控制研究就显得具有现实和长远意义。本文针对宽厚钢板的板形控制关键设备、工艺、理论和实践进行综述，旨在为生产实践提供借鉴和帮助。
宽厚板生产关键设备
在宽厚板生产过程中设备是基�。渲泄丶璞冈谡隽鞒讨蟹⒒幼殴丶淖饔�。
加热炉
加热炉是通过将来料钢坯加热到一定温度来满足轧机压力加工工艺的需求。宽厚板加热炉分为以下几个种类：一是加热钢锭的均热炉，采用加热
坑式的加热方式；二是连续式加热炉，分为推钢式加热炉和步进式加热炉两种。从加热使用的能源介质来说，包括：天然气、高炉煤气、转炉煤气以及混合气体等。从热风利用来说，有换热式和蓄热式两种。由于目前国际国内大厚度连铸坯的应用越来越广泛，加上大厚度电渣钢坯的应用，钢锭的使用量在减少，因此加热坑式的加热炉将逐渐减少，连续式加热炉的应用将逐渐增多。从大多数宽厚板厂家来看，基本上是采取一台推钢式加热炉加上一到两台步进式加热炉以达到保证生产的模式，能源介质基本上以高炉煤气为主。目前，自动加热技术得到了广泛应用，加热效率和节能效果都非常理想。
高压水除鳞装置
从加热炉出来的高温钢坯，由于在炉内表面产生氧化而存在有大量的氧化铁皮附着在钢坯表面，如果不能及时将氧化铁皮清除彻底，在后续的轧机轧制过程中将会产生表面质量问题。因此，出炉后的第一道高压水除鳞非常重要。除鳞效果的好坏主要取决于除鳞装置的压力以及喷头的设计。早期舞钢的除鳞水压力仅有16 MPa，而现在一般在20 MPa以上，对于清除钢坯表面的氧化铁皮发挥了更好的作用。
宽厚板轧机
轧机是整个宽厚板生产的关键核心设备。从早期的三辊劳特式轧机，到现在的全自动厚度控制轧机，宽厚板轧机的发展经历了上百年的历史。随着我国工业化进程的加快，各行各业对宽厚板的质量要求日益提高，因而对轧机的轧制力、轧制精度等都有了新的要求，随之带来了轧机装备水平及控制技术的不断提升，如AGC技术、弯辊技术、窜辊技术等对于实现低速大压力下改善钢板内在质量具有十分重要的作用。目前，我国宽厚板轧机的最大轧制力都在近万吨，与早期舞钢的4200 mm功勋轧机(图1)的4200 t轧制力相比产生了质的飞跃。另外，大直径支承辊的应用对板形控制有较好的提升作用；主传动轴采用十字包式的万向接轴替代传统的滑块式万向接轴，使得传动效率得到了极大提高；自动控制二级模型极大地改变了人工操作带来的不确定
坑式的加热方式；二是连续式加热炉，分为推钢式加热炉和步进式加热炉两种。从加热使用的能源介质来说，包括：天然气、高炉煤气、转炉煤气以及混合气体等。从热风利用来说，有换热式和蓄热式两种。由于目前国际国内大厚度连铸坯的应用越来越广泛，加上大厚度电渣钢坯的应用，钢锭的使用量在减少，因此加热坑式的加热炉将逐渐减少，连续式加热炉的应用将逐渐增多。从大多数宽厚板厂家来看，基本上是采取一台推钢式加热炉加上一到两台步进式加热炉以达到保证生产的模式，能源介质基本上以高炉煤气为主。目前，自动加热技术得到了广泛应用，加热效率和节能效果都非常理想。
高压水除鳞装置
从加热炉出来的高温钢坯，由于在炉内表面产生氧化而存在有大量的氧化铁皮附着在钢坯表面，如果不能及时将氧化铁皮清除彻底，在后续的轧机轧制过程中将会产生表面质量问题。因此，出炉后的第一道高压水除鳞非常重要。除鳞效果的好坏主要取决于除鳞装置的压力以及喷头的设计。早期舞钢的除鳞水压力仅有16 MPa，而现在一般在20 MPa以上，对于清除钢坯表面的氧化铁皮发挥了更好的作用。
宽厚板轧机
轧机是整个宽厚板生产的关键核心设备。从早期的三辊劳特式轧机，到现在的全自动厚度控制轧机，宽厚板轧机的发展经历了上百年的历史。随着我国工业化进程的加快，各行各业对宽厚板的质量要求日益提高，因而对轧机的轧制力、轧制精度等都有了新的要求，随之带来了轧机装备水平及控制技术的不断提升，如AGC技术、弯辊技术、窜辊技术等对于实现低速大压力下改善钢板内在质量具有十分重要的作用。目前，我国宽厚板轧机的最大轧制力都在近万吨，与早期舞钢的4200 mm功勋轧机(图1)的4200 t轧制力相比产生了质的飞跃。另外，大直径支承辊的应用对板形控制有较好的提升作用；主传动轴采用十字包式的万向接轴替代传统的滑块式万向接轴，使得传动效率得到了极大提高；自动控制二级模型极大地改变了人工操作带来的不确定性因素的影响，为实现轧机的稳定运行，保证产品质量的一致性提供了可靠的支撑。我国的宽厚板生产自2005年后进入飞速发展的阶段，为我国制造业的发展提供了强有力的支撑。
矫直机
在宽厚板的整个轧制过程中，由于受到诸如坯料尺寸、加热温度、轧机稳定性等因素的影响，宽厚钢板板形极易出现问题，而在冷态下仅通过轧机的轧制能力很难实现宽厚板的板形挽救从而生产出合格产品。因而，对于宽厚板生产来说在轧机后面设立一道矫直矫平工序显得十分必要。目前应用较为普遍的是九辊和十一辊矫直机(图2)。过去的矫直机基本上采用机械压下装置，而现在均采用全液压系统方式，包括液压压下、液压辊系倾斜等。现阶段的矫直机同时实行L1、L2自动模型控制，使得各种原始板形的矫直纠正都能得到很好的效果。另外，快速换辊系统的应用为节省检修时间提供了帮助。
滚切式双边剪
早期的宽厚板双边剪采用斜刃剪方式，这种剪子剪切效率低，剪切质量差。之后在汲取国外先进技术的基础上，20世纪90年代国内几家制造厂陆续开发出了一轴三偏心、二轴二偏心，到目前的三轴三偏心滚切式双边剪。三轴三偏心滚切式双边剪是利用两根曲轴完成剪切动作，另外一根曲轴完成碎边剪切，由此钢板的剪切质量得到了很大提高。
热处理设备
热处理设备主要包括：正火炉、回火炉、淬火炉和淬火机等。随着时代的发展，制造业对钢板质量的要求越来越高，一是高强度需求，二是减量化需求，三是特殊条件下的应用需求。因此，现在的宽厚板生产中相当一部分需要进行不同的热处理加工以满足不同规格的钢板性能需求，例如薄规格和厚规格的淬火钢板对淬火炉和淬火机的要求就有所不同。为了配合热处理工艺实现满足钢板最终质量和性能的要求，热处理区域一般需要配备矫直机和抛丸机等。
压平机
压平机作为宽厚板企业保证出厂前钢板的板形质量的关键设备，一般需要配备一台或几台。压平机用于实现大厚度钢板的板形控制，或者对矫直机没能实现板形矫正的问题钢板进行质量挽救。压平机的轧制力从20 MN到50 MN不等，通常能够压制的钢板(σs≤800 MPa)厚度最大可以达到250 mm，特殊情况下采取带温压平技术可以实现更大厚度钢板的板形矫正。
宽厚板生产关键工艺
加热工艺
钢坯在轧制前，需要对其进行加热以达到压力加工所需的温度，从而可以提高钢坯的塑性，减小轧制过程中的变形抗力；使钢坯内外的温度均匀，消除内在应力，避免断裂现象出现；通过高温加热，促使钢坯内部的不均匀组织和一些夹杂物得到扩散，改变钢坯内部结晶组织，对于特殊品种钢尤为重要。加热工艺包括加热温度、加热速度、加热时间、炉内气氛和加热炉的燃烧介质等。其中需要考虑不同加热能源介质的热值情况，因而燃烧介质从早期的重油到现在的天然气或者转炉、高炉煤气对于加热工艺来说都具有一定的影响。同时，也需要考虑不同加热炉热效率的影响，例如由于换热式炉和蓄热式炉热效率的不同，加热工艺就有所不同。为了更好的做到节能降耗，目前各个企业都在大力推动热装热送工艺。因而钢坯加热是实现稳定高效轧制的前提，良好的加热质量，对于实现钢板板形控制非常重要。
轧制工艺
经过高温加热的钢坯，经过高压水除鳞后进入轧机轧制。宽厚板轧制工艺分为展宽轧制和延伸轧制两个工序。展宽轧制包括横向展宽和纵向展宽两种，其目的是通过展宽来达到成品板所需的宽度。展宽轧制后，就需要进行延伸轧制达到板形控制、厚度控制、性能控制以及表面质量控制的目的。延伸轧制通常在主传动能力允许的条件下，尽量采取低速大压力下的轧制策略，这样既减少了轧制道次，提高了轧制效率，又有利于改善内部组织结构，保证内在质量，提高探伤合格率。在整个轧制过程中，通过科学合理的二级规程的设计，包括一级自动化的监控，来实现轧制过程的安全稳定运行。另外，对于不同的钢种，又有不同的轧制工艺，例如一些特殊的高强钢，对开轧温度和控轧温度以及终轧温度等都有严格的工艺限制要求，这也是宽厚板生产中的技术难点。
热矫直工艺
经过轧制的钢板，温度通常为600~800℃，必须进行热矫直以实现钢板的平直度。轧制后的宽厚钢板由于内部残余应力的存在，在自然冷却过程中会导致钢板的各种瓢曲变形例如边浪、中间浪等问题出现。因此在轧制工序完成之后，需要对钢板进行一个或者多个道次的矫直来消除轧制过程中的残余应力和轧制后的不均匀变形，为保证钢板板形质量提供保证。热矫直机一般具有动态辊缝调整、矫直辊横向弯曲补偿、整体倾动、入出辊带钢调整等功能，可以最大限度地消除可能出现的各种板形缺陷。
钢板剪切工艺
宽厚钢板经过轧制、矫直之后，在冷床上冷却到室温，然后再进行切头切尾和切双边工作。一般来说，从目前剪切机的能力来看，使用剪机剪切的钢板厚度均在50 mm以下，50 mm以上的厚钢板需要进行人工或数控火切。剪切过程中关键的是剪切的尺寸质量和剪切的切边质量。通常切边余量在50~100 mm之间，无论是剪机还是火切，都需要考虑剪切后钢板的矩形，即剪切后需要对钢板的对角线进行�：艘月憧突У囊�。另外对一些特殊的钢种来说，还需要实行温切，即需要钢板在较高温度下进行切割，否则容易导致钢板剪切后的边部裂纹，从而造成废品，如14Cr1MoR、12Cr2Mo1VR等特殊钢种都需要带温切割。
热处理工艺
现阶段热处理工艺作为宽厚板领域的关键工序，使得众多的特殊钢宽厚板都需要进行热处理。如：锅炉汽包板、各种压力容器板、石化、煤化、核电等特殊品种的钢板，都需要进行不同状态的热处理以满足不同使用状态下的钢板性能要求，如大厚度抗撕裂要求、耐候耐腐蚀要求、低温要求等。因而为了实现不同用途钢板的需求对应有不同的热处理工艺，包括：纯正火态交货、正火加回火交货、调质状态交货等。目前的热处理工艺都依赖于良好的设备状况和监测仪表以及各种控制元件的良好运行和配合。例如：淬火机水系统的完好是实现良好钢板淬火的关键技术条件之一。
压平工艺
压平工艺作为挽救工艺的一种，是通过对前面许多工序矫正后板形依然不能达到标准要求而再次进行压平操作。目前压平机的压力可达50 MN，能够压平的钢板最大厚度与屈服强度有关，如：250 mm(σs≤800 MPa)等。
板形控制理论基础
板形是衡量宽厚板产品合格的要素之一。板形合格是由整个生产过程中的板形控制系统来实现的。对于宽厚板轧制来说，轧制成形理论的基础是金属的弹塑性变形理论，主要包括轧制过程中的变形理论、轧后的矫直和压平理论。弹塑性变形和轧制成形理论
金属在受到外力产生变形时，应力和应变关系：ε=σ/E，式中ε为应变，σ为应力，E为弹性模量。在轧制过程中，金属变形遵循的是体积不变原理和最小阻力定律。在钢板进入轧辊辊缝前，轧辊的空载辊缝为S0；当轧辊进入轧辊辊缝后，在轧制力P的作用下，轧辊辊身中部产生一定的变形f，f=h–S0，式中h为轧制后的钢板厚度。由于在轧制力的作用下，不同的轧机会有不同的弹性变形，因此对整个轧制过程会产生不同的影响。为了解决这个问题，引入轧机刚度C的概念，即：使轧机产生1 mm变形所需的轧制力。有了这个基�。陀辛嗽牡匠�：h=S0+P/C。
弹塑性变形和钢板矫直理论
钢板经过矫直机的过程是一个弹塑性弯曲变形的过程。钢板在外负荷弯曲力矩的作用下产生弯曲变形，此时中性层以上的纵向纤维受到拉伸变形，中性层以下的纵向纤维受到压缩变形。根据外负荷力矩的大�。职逋淝湫畏治智榭�：一是纯弹性弯曲变形，钢板处于弹性变形状态，外负荷去除后变形能够全部恢复；二是弹塑性变形，随着外负荷增大，钢板各层纤维继续发生变形，当负荷达到一定值后，钢板外层纵向纤维应力超过了材料的屈服极限，纤维产生塑性变形，当外负荷去除后，变形无法完全恢复；三是纯塑性变形，随着外负荷的继续加大，整个钢板断面的纵向纤维应力都超过了屈服极限，则所有纵向纤维都处于塑性变形状态。通常在宽厚钢板矫直过程中，整个钢板是处于弹塑性变形状态的。
钢板在弯曲变形过程中会出现几种曲率：(1)原始曲率1/r0，钢板在矫直前具有的曲率；(2)反弯曲率1/ρ，钢板在弯曲力矩作用下的曲率；(3)残余曲率1/r，钢板在去除外负荷后，经过弹复后的剩余曲率；(4)弹复曲率1/ρy，在弹性恢复阶段，钢板弹性恢复的曲率。如果所取的反弯曲率在数值上等于弹复曲率，则弹复后的钢板得到矫直，即：1/ρ=1/ρy。
弹塑性变形和钢板压平理论
通常矫直机是有能力限制的，对于强度级别较高或者钢板厚度较大的情况下将无法实现钢板的矫直。如果宽厚钢板在矫直工序后仍出现板形问题，就需要到压平机上进行压平。压平机能够压平的钢板最大厚度与屈服强度有关。如果压平机采用50 MN的压力，一般可以完成的规格是：最大厚度：410 mm(σs≤400 MPa)；最大厚度：300 mm(σs≤600 MPa)；最大厚度：250 mm(σs≤800 MPa)；最大厚度：180 mm(σs≤1200 MPa)。在钢板压平的过程中，操作人员要对钢板的变形情况做出准确判断，然后采取加载垫铁的方式设立弯曲支点，最后在压头的作用下使得弯曲变形部位得到弹塑性变形。由于通常的变形都是不同的，因此每次设定垫铁部位和压平机的压力等都需要根据经验来计算。如果计算出现偏颇则极易造成钢板表面的压伤，因而相对于矫直机而言，压平机的操作更需要实践经验。
板形问题解决方案
在宽厚板生产中，板形问题主要表现为：纵向弯曲、横向弯曲(镰刀弯)、边浪、中间浪等。产生以上板形问题的主要因素包括：钢坯加热的不均匀、轧制过程中的冷却不均匀、轧制过程中轧机的不稳定性等。针对以上问题和因素，在生产实践中采取如下解决方案。
加热环节
钢坯要在加热炉里进行充分均匀加热就要严格执行加热工艺，加热温度参考表1。
轧制环节
要做好板形控制，首先要优化二级模型，充分发挥控制系统的自学习功能。对于不同规格、不同品种的钢板要有最优的二级模型支撑，只有轧制规程得到优化，才能有理想的轧制效果。在轧制过程中，每一道次的压下量、每一道次的轧制温度都将直接或间接影响到板形的好坏，如如何设计平整道次、如何设计最终道次，都是在理论和实践相结合的基础上才能很好完成板形控制。然而这些都依赖于设备的稳定性保证，即厚度自动控制(AGC)系统。通过对轧制力、辊缝、轧机弹跳等的综合计算，AGC油缸的伺服阀实时跟踪调节，消除了轧辊膨胀、油膜轴承厚度变化等因素的影响达到轧机辊缝的动态稳定，从而保证板形良好。为了实现厚度的自动控制，通常在轧机后面都有一台测厚仪用于实时测量每一道次的钢板厚度，然后反馈给自动控制系统，结合AGC实现动态调节，也叫自适应功能。在轧制过程中，采用凸度轧辊和弯辊以及窜辊技术来实现良好的板形控制。例如，西马克通常采用CVC辊型技术，奥钢联通常采用SmartCrown辊型技术。通过采用不同的辊型技术，加上实时的窜辊技术，可以很好地实现板形的控制。除此之外，在轧制过程中，轧辊冷却水的均匀性、高压除鳞水的均匀性、前后推床的对中问题等都会间接的影响板形效果。在实践中探索不同情况下的轧制方案，形成一套完整的轧制模型，配以完好的设备状况，就能很好地解决轧制环节的板形控制问题。
ACC快速冷却环节
无论是采取DQ工艺还是TMCP工艺，钢板在快冷装置中的冷却过程容易造成板形问题，这主要受两方面因素影响，一是轧制板形的不均匀性，需要在轧制过程中控制；二是快速冷却装置在喷水时水的分布均匀性，需要定期或不定期对快冷装置进行水量标定，以保证水量的稳定、均匀。当前，解决轧制板形的不均匀性的办法是在快冷前加装预矫直机，即在钢板经过轧机轧制后进入快冷装置之前，将钢板进行一次矫平，并且确保钢板入水均匀，避免造成钢板局部水的积压而引起过冷。水的分布均匀性关键在于快冷设备的维护、点检、检修，对于快冷装置的各种阀门以及过滤器等，要采取及时标定、及时处理，确保设备完好和完整。
热矫直环节
钢板经过快冷(有的钢种不需要快冷)之后，进入热矫直机。此道工序是将有一定温度的钢板再次进行矫平。矫直工艺目前都具有二级模型计算，可以根据不同的钢板信息进行参数设定，如是否需要辊系倾斜、引料辊的开口度设置、压下量的设定等，从而实现钢板的热矫平。
热处理环节
为了保证钢板经过热处理后的板形，需要做好钢板的抛丸工作，由于在前期加热、轧制、冷却过程中，钢板表面会有一层氧化铁皮存在，如果不进行很好的抛丸处理，氧化铁皮得不到彻底清除，在热处理炉里就会出现受热不均现象，造成钢板出炉后再次冷却过程中由于内应力不均匀而再次瓢曲。因此，现在更多的宽厚板生产厂家在回火炉后面增加了温矫直机以解决此问题。
压平环节
作为最后一道处理钢板板形问题的工序，压平机目前在宽厚板生产领域被普遍使用，特别是大厚度的钢板。这种采用强制外力来矫平钢板的方式，有其固有的限制，如压平机的能力限制、压力限制、尺寸限制等。对于短粗的大厚度钢板就无法实现作业。为了解决此类特殊难题，舞钢在完成我国大飞机项目——世界最大的8万t模锻压机所需390 mm厚电渣钢20MnNiMo的板形压平时，采取的是先加热到一定温度再实施压平的方案，有效解决了该项难题，很好地完成了国家重点项目用钢的生产。
冷矫直机环节
作为冷处理的设备，目前所能矫平的钢板在20 mm以下，厚度太大、强度太高的钢板不能实现冷矫直。因此，对于大多数宽厚板生产厂家而言，板形控制基本上集中在前几道工序，如轧制、热矫直等，对于在冷床上冷却过程中再次出现瓢曲的薄规格钢板，最后才使用冷矫直机进行矫平。
结束语
随着市场的发展，客户对宽厚钢板板形的质量要求越来越高，企业如果不能满足客户的要求将无法适应未来的发展。随着新技术新工艺的发展和应用，从各生产环节来看，都存在诸多可改进的空间，例如，加热技术中采取更加精确的自动烧钢技术、烧嘴自动空燃比调节手段、优化炉内氧化气氛、控制微正压烧钢等，对于钢坯的稳定均匀性和一次氧化铁皮控制都将产生良好影响。此外，预矫直机和热矫直机的配合使用，ACC装置的科学应用，及时消除钢板轧制后的内部应力造成的钢板不均匀变形，为热处理板形控制提供基�。彩呛芎玫拇胧┖褪侄�。大厚度矫直机将是未来的发展趋势，目前由于热矫直机的能力所限，一些大厚度如超过100 mm，高强度如超过500 MPa的高强度钢板，如果再经过快速冷却装置，进入矫直机的温度将远远低于热矫直机所规定的温度，强行矫平对设备本身会产生严重影响。但如果不经过热矫直机的矫平，后续处理起来将会更加的困难。可以预测，大厚度的热矫直机将会很快推出。
热处理过程的板形控制，其实是加热炉本身的加热控制和淬火机淬火水量、水温等的控制能力。目前对于中间厚度的钢板，淬火的板形控制较为容易，但对于10 mm以下及150 mm以上的淬火钢板，板形控制还具有偶然性。因此，提高热处理设备的控制精度，夯实设备基础管理是未来热处理工序控制板形的关键。一些新技术如新型无氧化烧嘴、新材料无粘铁皮炉底辊等都将为解决现实问题而得以应用。
展望未来，尽管宽厚板板形控制技术还存在很多技术难题和管理工作难题，但相信在不远的将来，中国高质量宽厚钢板将走向世界，为世界的发展和建设提供坚强的钢铁支撑。
文章来源——金属世界
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