CN104338748A - 一种用于变厚度带材轧制的两道次轧制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，包括：计算第一道次所需的压下量及各段的长度；给定第二道次目标轧制力P_SET；假设第一道次的出口厚度h1_i和h2_i，并计算第一道次轧制所需的轧制力、轧制功率等参数；若超过轧机能力，则返回重新设定；根据第一道次的出口厚度计算出第一道次出口带材的变形抗力KF1_i和KF2_i；计算第二道次将带材由h1_i和h2_i轧制到h1和h2所需的轧制力Fr1和Fr2，判断与预设的第二道次目标轧制力P_SET是否相等，若不等，重新设定h1_i和h2_i并再次返回；计算出对应出口长度。根据本发明，两道次轧制可以在不增加轧制能力的条件下，实现较大的压下量；第二道次采用恒轧制力方式，可以矫正带材的板形。

Description

一种用于变厚度带材轧制的两道次轧制方法

技术领域

本发明有关冶金领域一种轧制变厚度带材的轧制方法，特别是，本发明涉及一种轧制变厚度带材的两道次轧制方法即通过两道次轧制实现周期性的变厚度轧制，具体地说是第一道次实现了大部分的压下，而第二道次采用恒压力轧制，既可以对带材进一步压下，又可以对带材的板形进行矫正。所述变厚度带材指出口的带材纵向厚度不断变化，所轧带材可以是带材和其他冷轧材料，如铝。

背景技术

为了实现汽车轻量化的目标，目前汽车行业正在推广使用一种通过轧制得到的厚度连续变化的带材——变厚板。这种变厚板的轧制称为变厚轧制，与常规轧制不同，常规轧制的辊缝设定值是不变的，只是根据实际出口的厚度对辊缝进行微调；而变厚轧制时轧辊的辊缝在轧制过程中设定值是根据出口轮廓的要求不断变化的，如此才能保证出口的厚度按照设定的轮廓不断变化（见图1）。

在进行变厚度轧制（使出口的带材纵向厚度不断变化）时，一般选用的来料是均一厚度的冷轧板或热轧板，经过一个道次直接轧制到目标形状。由于带材的出口厚度是变化的，而来料的厚度是均一的，因此，压下率沿带材纵向也是不断变化的。对于成品厚度较薄的段，要求轧机的轧制能力足够大，而且，一次过大的压下量还可能会带来板形问题。

为了能够顺利轧制，并保证各厚度段板形良好，有人提出通过两道次轧制（第二道次采用恒轧制力的方式）实现较大压下量轧制的方法。

东北大学曾经公开的专利200910012395.6有提到用两道次完成变厚轧制，专利中提到的方法是第一道次轧出一定的轮廓，在第二道次轧制时采用微跟踪的方法根据来料的形状进行轧制控制，实现该方法对来料轮廓识别精度的要求较高然而，该方法存在的问题是，该方法对机组的要求较高，需要对来料进行准确的识别，根据识别的结果再设定不同的轧制参数不容易实现。

发明内容

为克服上述问题，本发明提出了通过两道次轧制的方法实现变厚度轧制，在第一道次先完成大部分的压下，在第二道次采用恒轧制力的方式，将带材轧制到目标厚度。

比较现有技术的方法对机组的要求较高，需要对来料进行准确的识别，根据识别的结果再设定不同的轧制参数，而本发明的方法第二道次采用恒轧制力方式，因此，无需识别来料（即第一道次轧制出口的带材）的形状。本方法易于实现。

与常规轧制的设定不同，在对第一道次的压下进行设定时还必须考虑第二道次的轧制力。因此，发明所提及的轧制方法还包含与常规轧制不同的设定方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于变厚度带材轧制的两道次轧制方法，系对厚度H0的等厚带材，轧制成具有h1和h2两个等厚段厚度，所述等厚段长度分别为L1和L2，L1和L2之间形成过渡段长度为T1，其特征在于，在轧制之前，先按后一道次是恒轧制力的方式，计算第一道次所需的压下量及各段的长度，

即，对于来料厚度是H0的等厚带材，

（1）根据经验给定第二道次目标轧制力P_SET；

（2）先假设第一道次的出口厚度h1_i和h2_i，h1_i和h2_i分别大于成品厚度h1和h2，

（3）并计算第一道次轧制所需的轧制力、轧制功率参数，

（4）判断：步骤（3）所得第一道次轧制力是否超过轧机性能范围，若超过轧机能力，则返回重新设定h1_i和h2_i并再次执行步骤（2）；

（5）根据第一道次的出口厚度计算出第一道次出口带材的变形抗力KF1_i和KF2_i；

（6）计算第二道次将带材由h1_i和h2_i，控制Fr1和Fr2与P的偏差在一定（具体）范围内（采用通用的轧制力模型进行计算），判断计算的第二道次轧制力Fr1和Fr2与预设的上述给定的第二道次目标轧制力P_SET的偏差是否落在范围内，若超出范围，重新设定h1_i和h2_i并再次执行步骤（3）；

（7）按照每段体积不变的原则，并忽略带材的宽展，第一道次出口的带材长度为L1_i＋T1_i＋L2_i，根据相应的轧制力Fr1和Fr2计算出第二道次对应出口的带材长度为L1＋T1＋L2。

见附图，横坐标表示带材的长度，纵坐标表示带材的厚度。来料是等厚度（厚度值为H0）；

经过第一次轧制后，出口的厚度如虚线所示，即“第一道次出口”有两个厚度，分别为h1_i和h2_i，各段的长度分别为L1_i和T1_i和L2_i，轧制出这两个厚度所需的轧制力分别为Fr1_i和Fr2_i，对应这两个厚度的材料变形抗力分别为KF1_i和KF2_i。“i”用于表示这些值都是“中间值”，不是轧制所要的目标值。

经过第二次轧制后，轧制的成品厚度用实线表示，即“第二道次出口”有两个厚度，分别为h1和h2，各段的长度分别为L1，T1和L2，轧制出这两个厚度所需的轧制力分别为Fr1和Fr2，对应这两个厚度的材料变形抗力分别为KF1和KF2。

i就是第一道次出口的两个等厚段厚度（两个段各一个），因为成品厚度是h1和h2，第一道次出口可以理解为中间厚度，所以用i来表示“中间”。

无论是第一道次还是第二道次，我们都需要用轧制力公式的计算所需要的Fr1_i和Fr2_i和Fr1和Fr2，计算出Fr1和Fr2之后，将Fr1和Fr2与设定的第二道次目标轧制力P_SET相比较。如果相差较多，则返回修正一道次出口厚度h1_i和h2_i，并重新计算所需要的Fr1_i和Fr2_i和Fr1和Fr2；否则，可结束计算，输出结果。当然在计算时还需要对第一道次计算得到的轧制力、功率是否超限进行判断。

在步骤1)，P_SET要求是必须大于轧机稳定轧制的最小轧制力如果第一道次计算得到的轧制力、功率等没有超过轧机设计的范围，不需要调整P_SET；否则，需要调整P_SET，并进行再次计算。

第一道次出口的两个等厚段厚度轧制到成品厚度h1和h2所需的第二道次实际轧制力Fr1和Fr2（采用通用轧制力模型计算得到），希望Fr1和Fr2与P_SET的偏差在一定范围内，但是，计算结果可能会不尽如人意，这样就需要我们重新设定h1_i和h2_i并再次执行步骤（3）。

本发明的关键其实就是在轧机允许的范围内确定好第一道次出口的两个等厚段厚度h1_i和h2_i，即使不具备精确的轮廓判断条件也可以在第二道次采用恒轧制力方式轧制出所需要的两个厚度h1和h2；至于各长度值（L1_i和T1_i和L2_i与L1和T1和L2）是根据已经确定好的h1_i和h2_i与h1和h2，忽略带材的宽展，按照体积不变的原理计算得到。

根据本发明所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，在步骤（4），所述带材变形抗力计算公式是

k_s=k(ε+m)ⁿ，

其中，k_s是静态变形抗力，

带材变形抗力参数分别为

k＜100，n＜1.0，m=0.01，

ε是轧制过程平均的应变率，,范围1.15～1.33。

k为基准值（MPa）；n表示变形抗力的斜率；m是偏移量，一般取0.01。每种材料的参数一般都是根据试验数据拟合得到的。

优选的是，k=30、n=0.1。

轧制力计算的时候需要用到动态变形抗力，而动态变形抗力又是根据静态变形抗力计算得到。

带材变形抗力参数为材料固有的性能参数，与钢种化学成分相关。

根据本发明所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，采用Hill公式计算轧制力。（根据本发明，目标第二道次轧制力是用来比较的，判断第二道次轧制力计算值是否与目标相差很多。）

$P=b\·k_p\·\mathrm{\κ}\·D_p\sqrt{R^{\′}\·(H-h)}\×Z_p$

式中，P—为轧制力（kN）；

b—为带材宽度（mm）；

k_p—为带材动态变形抗力，（kN/mm²）；

$k_p=k_s{(1000\·\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}})}^{\mathrm{\α}}$

其中，—变形速率（s^-1），采用Ekelend公式计算

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1000}{60}\·\frac{v_r}{\sqrt{R^{\′}\·H}}\·\frac{2}{2-r}\·\sqrt{r}$

v_r为机架速度（mmin）

κ—为带材张力影响系数；

$\mathrm{\κ}=(1-\frac{t_b}{k_p})\×(1.05+0.1\×\frac{1-\frac{t_f}{k_p}}{1-\frac{t_b}{k_p}}-0.15\×\frac{1-\frac{t_b}{k_p}}{1-\frac{t_f}{k_p}})$

t_b、t_f—带材的后、前（轧机入、出口）张力（MPa）；

D_p—为考虑压扁后的外摩擦应力状态系数（由公式计算，工作辊压扁半径、出口厚度等都是实际值，由工作辊压扁半径、出口厚度实际值、带材的相对变形量等计算得到），

r为带材的相对变形量，

R′—为工作辊压扁半径（mm）；

H、h—带材的入口、出口厚度（mm）；

Z_p—为带材轧制力计算自适应系数（范围0.7～1.3）。

优选的是，Z_p为带材轧制力计算自适应系数范围0.9～1.1。

根据本发明所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，

$D_p=1.08+1.79r\sqrt{1-r}\·\mathrm{\μ}\·\sqrt{\frac{R^{\′}}{h}}-1.02r,$

r为带材的相对变形量，μ为工作辊与所轧带材之间的摩擦系数（可取范围，0.025-0.035，优选的范围在0.02～0.12，更优选的是直接取0.03）；

$r=1-\frac{h}{H_0}$

R′—为工作辊压扁半径（mm）；

$R^{\′}=[1+\frac{C_{H}P}{b(H-h)}]R$

其中，C_H为带材的杨氏模量，R为工作辊半径（mm）

H、h—带材的入口、出口厚度（mm）；

Z_p—为带材轧制力计算自适应系数，范围在0.7～1.3。

根据本发明所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，优选的是，μ摩擦系数范围在0.02～0.12，更优选的是0.03。

根据本发明所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，带材平均的总压下量：

$r_t=(1-\mathrm{\β})\·r_b+\mathrm{\β}\·r_f=\frac{H_0-h_m}{H_0}$

h_m=(1-β)·H+β·h

加权系数，β取值范围0～1。

根据本发明所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，优选的是，β取值范围0.25。

β考虑因素是带材的化学成分。

根据本发明所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，轧制过程平均的应变率为：

$\mathrm{\ϵ}=\ln \left(\frac{1}{1-r_t}\right)=\ln \left(\frac{H_0}{h_m}\right)$

式中，r_b、r_f为带材入口、出口总压下量：

$r_b=1-\frac{H}{H_0},$ $r_f=1-\frac{h}{H_0};$

h_m为所轧带材的平均厚度（mm）；

H、h为带材的机架入口、出口厚度（mm）；

H₀为带材来料厚度（mm）。

根据本发明所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，

h1和h2厚度满足如下要求：

0.1mm≤max(h1,h2)≤8.0mm，且

$0.2\≤\frac{H0-\min (h1,h2)}{H0}\≤0.6.$

根据本发明所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，控制Fr1和Fr2与P_SET的偏差在， $\mathrm{abs}\left(\frac{\mathrm{Fr}1-P}{P}\right)\≤10\%,$ $\mathrm{abs}\left(\frac{\mathrm{Fr}2-P}{P}\right)\≤10\%.$

根据本发明，带材平均的总压下量就是上文中提到的相对变形量r，下标t表示total，下标b表示backward，下标f表示forward。

以图2为例对本发明的方案进行具体说明：来料为厚度是H0的等厚板，必须轧制成具有h1和h2两个厚度（等厚段长度分别为L1和L2，过渡段长度为T1）的变厚度板。若是直接将板材由H0轧制至h1和h2，对轧机的最大轧制力和轧制功率有较高的要求，而且可能会增加板形调控的难度。因此，采用两道次轧制的策略——指导思想是第二道次采用恒轧制力方式，在轧制之前先计算第一道次出口的厚度和长度分布，以及等厚段长度L1_i和L2_i和过渡段长度T1_i）。假设第二道次的轧制力恒定为P_SET，在设定的时候先做如图3所示的计算。

与常规的一道次变厚度轧制比较，本发明具有如下优点：

两道次轧制可以在不增加轧制能力的条件下，实现较大的压下量；第二道次采用恒轧制力方式，可以矫正带材的板形。

附图说明

图1为变厚轧制示意图。

图2为本发明变厚轧制的厚度变化情况示意图。

图3为本发明设定计算流程图。

图4为变厚轧制轮廓设定示意图。

具体实施方式

实施例

某样件要求轧后轮廓如图4所示，h1=2.0mm、L1=200mm、T1=100mm、h2=1.0mm、L2=700mm，带材来料厚度为2.5mm，宽度300mm，工作辊的直径为160mm，轧制速度保持在150mm和s。来料材质为某钢种，其变形抗力计算公式是k_s=k(ε+m)ⁿ，变形抗力参数为k=30、m=0.01、n=0.1。

模型采用Hill公式计算轧制力：

$P=b\·k_p\·\mathrm{\κ}\·D_p\sqrt{R^{\′}\·(H-h)}\×Z_p$

式中，P—为轧制力（kN）；

b—为轧件宽度（mm）；

k_p—为平均变形抗力（kN/mm²）；

κ—为张力影响系数；

D_p—为考虑压扁后的外摩擦应力状态系数，

$D_p=1.08+1.79r\sqrt{1-r}\·\mathrm{\μ}\·\sqrt{\frac{R^{\′}}{h}}-1.02r,$

r为相对变形量，μ为摩擦系数（本例取0.03）；

$r=1-\frac{h}{H}$

R′—为工作辊压扁半径（mm）；

$R^{\′}=[1+\frac{C_{H}P}{b(H-h)}]R$

其中，C_H为杨氏模量，R为工作辊半径（mm）

H、h—带材的入口、出口厚度（mm）；

Z_p—为轧制力计算自适应系数。

平均的总压下量：

$r_t=(1-\mathrm{\β})\·r_b+\mathrm{\β}\·r_f=\frac{H_0-h_m}{H_0}$

h_m=(1-β)·H+β·h

β=0.25

轧制过程平均的应变率为：

$\mathrm{\ϵ}=\ln \left(\frac{1}{1-r_t}\right)=\ln \left(\frac{H_0}{h_m}\right)$

式中，r_b、r_f为入口、出口总压下量：

$r_b=1-\frac{H}{H_0},$ $r_f=1-\frac{h}{H_0};$

h_m为平均厚度（mm）；

H、h为机架入口、出口厚度（mm）；

H₀为来料厚度（mm）；

在本例中，设定第二道次的轧制力为1000kN。

根据以上数据，结果计算，得到第一道次出口的厚度h1_i=2.015mm、h2_i=1.011mm，第二道次出口的厚度h1=2.0mm、h2_i=1.0mm是比较合适的，此时计算出第一道次的轧制力为4767和6013kN，而第二道次的轧制力为1028和1022kN。满足轧制力设定要求，且没有超限（轧制力极限为8000kN）。

根据目标h1=2.0mm、L1=200mm、T1=100mm、h2=1.0mm、L2=700mm的设定，按照每段体积不变的原则，并忽略带材的宽展，可以计算出，第一道次出口每段的长度为：

$L1\_i=\frac{h1}{h1\_i}\×L1=\frac{2.0}{2.015}\×200=198.5\mathrm{mm}$

$L2\_i=\frac{h2}{h2\_i}\×L2=\frac{1.0}{1.011}\×700=692.4\mathrm{mm}$

$T1\_i=\frac{h2-h1}{h2\_i-h1\_i}\×T1=\frac{2.0-1.0}{2.015-1.011}\×100=99.6\mathrm{mm}$

本发明无需对现有的变厚度轧制机组进行设备上的改动，只需修改轧制规程、设定模型和控制系统即可实现。

汽车轻量化是目前全球汽车行业研究的重点课题之一，变厚度板材又以其显著的减重效果获得了汽车行业的认同，因此，这种可根据负载情况进行设定厚度轮廓的板材将来的市场需求将不断增加，研究其轧制方法将很有前景。本发明提出的轧制方法可以拓宽成品规格、改善成品质量，而且对现有机组改动不大，可以在生产变厚板的同行中进行推广应用。

Claims (10)

1.一种用于变厚度带材轧制的两道次轧制方法，系对厚度H0的等厚带材，轧制成具有h1和h2两个等厚段厚度，所述等厚段长度分别为L1和L2，L1和L2之间形成过渡段长度为T1，其特征在于，在轧制之前，先按后一道次是恒轧制力的方式，计算第一道次所需的压下量及各段的长度，

即，对于来料厚度是H0的等厚带材，

1)根据经验给定第二道次目标轧制力P_SET；

2)先假设第一道次的出口厚度h1_i和h2_i，h1_i和h2_i分别大于成品厚度h1和h2，

3)计算第一道次轧制所需的轧制力、轧制功率参数，

4)判断：步骤3)所得第一道次轧制力是否超过轧机性能范围，若超过轧机能力，则返回重新设定h1_i和h2_i，并再次执行步骤3)；

5)根据第一道次的出口厚度计算出第一道次出口带材的变形抗力KF1_i和KF2_i；

6)计算第二道次将带材由h1_i和h2_i，即第一道次出口的两个等厚段厚度轧制到成品厚度h1和h2所需的第二道次实际轧制力Fr1和Fr2，判断第二道次实际轧制力Fr1和Fr2与预设的上述给定的第二道次目标轧制力P_SET的偏差是否落在设定的范围内，若超出范围，重新设定h1_i和h2_i并再次执行步骤3)；

7)按照每段体积不变的原则，并忽略带材的宽展，第一道次出口的带材长度为L1_i＋T1_i＋L2_i，根据相应的轧制力Fr1和Fr2计算出第二道次对应出口的带材长度为L1＋T1＋L2。

2.如权利要求1所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，在步骤4)，所述带材变形抗力计算公式是：

k_s=k(ε+m)ⁿ，

其中，k_s是静态变形抗力，

ε是轧制过程平均的应变率范围1.15～1.33，

带材变形抗力参数分别为：

k＜100，n＜1.0，m=0.01，

k为基准值（MPa）；n表示变形抗力的斜率；m是偏移量。

3.如权利要求1所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，采用Hill公式计算第二道次轧制力：

$P=b\·k_p\·\mathrm{\κ}\·D_p\sqrt{R^{\′}\·(H-h)}\×Z_p$

式中，P—为计算轧制力（kN）；

b—为第二道次带材宽度（mm）；

k_p—为带材动态变形抗力，（kN/mm²）；

$k_p=k_s{(1000\·\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}})}^{\mathrm{\α}}$

其中，—变形速率（s^-1），采用Ekelend公式计算

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1000}{60}\·\frac{v_r}{\sqrt{R^{\′}\·H}}\·\frac{2}{2-r}\·\sqrt{r}$

v_r为机架速度（mmin）

α表示受影响的灵敏度指数，等于。

κ—为带材张力影响系数；

$\mathrm{\κ}=(1-\frac{t_b}{k_p})\×(1.05+0.1\×\frac{1-\frac{t_f}{k_p}}{1-\frac{t_b}{k_p}}-0.15\×\frac{1-\frac{t_b}{k_p}}{1-\frac{t_f}{k_p}})$

t_b、t_f—带材的后、前张力（MPa）；

r—为带材的相对变形量，

R′—为工作辊压扁半径（mm）；

H、h—分别为带材的入口、出口厚度（mm）；

D_p—为考虑压扁后的外摩擦应力状态系数，

Z_p—为带材轧制力计算自适应系数，范围0.7～1.3。

优选的是，Z_p范围0.9～1.1。

4.如权利要求3所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，

$D_p=1.08+1.79r\sqrt{1-r}\·\mathrm{\μ}\·\sqrt{\frac{R^{\′}}{h}}-1.02r,$

r为带材的相对变形量，

$r=1-\frac{h}{H_0}$

μ为工作辊与所轧带材之间的摩擦系数，范围在0.02～0.12；

R′—为工作辊压扁半径（mm）；

$R^{\′}=[1+\frac{C_{H}P}{b(H-h)}]R$

其中，C_H为带材的杨氏模量，R为工作辊半径（mm）

H、h—带材的入口、出口厚度（mm）；

Z_p—为带材轧制力计算自适应系数，范围0.7～1.3。

5.如权利要求3所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，μ摩擦系数范围在0.02～0.12。

6.如权利要求3所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，μ优选的是0.03。

7.如权利要求3所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，带材平均的总压下量即rt，即上述相对变形量r，入口总压下量rb，出口总压下量rf如下：

$r_b=1-\frac{H}{H_0},$ $r_f=1-\frac{h}{H_0}$

$r_t=(1-\mathrm{\β})\·r_b+\mathrm{\β}\·r_f=\frac{H_0-h_m}{H_0}$

h_m=(1-β)·H+β·h

β加权系数，取值范围0～1。

8.如权利要求7所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，β取值范围0.25。

9.如权利要求3所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，轧制过程平均的应变率为：

$\mathrm{\ϵ}=\ln \left(\frac{1}{1-r_t}\right)=\ln \left(\frac{H_0}{h_m}\right)$

式中，r_b、r_f为带材入口、出口总压下量：

$r_b=1-\frac{H}{H_0},$ $r_f=1-\frac{h}{H_0};$

h_m为所轧带材的平均厚度（mm）；

H、h为带材的机架入口、出口厚度（mm）；

H₀为带材来料厚度（mm）。

10.如权利要求1所述一种用于变厚度轧制的两道次轧制方法，其特征在于，h1和h2厚度满足如下要求：

0.1mm≤max(h1,h2)≤8.0mm，且

$0.2\≤\frac{H0-\min (h1,h2)}{H0}\≤0.6.$