一种热轧钛带横向翘曲板形缺陷的控制方法与流程

本发明属于金属板带热轧过程板形控制领域，具体涉及一种热轧钛带横向翘曲板形缺陷的控制方法。

背景技术：

钛及钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温等许多特性，是最具发展前途的新型结构材料。不仅在航空航天工业中有着十分重要的应用，而且已开始在化工、石油、轻工、冶金、发电等许多工业部门中广泛应用。

钛带由于其有别于带钢的高温材料特性，在热连轧过程中不进行轧制润滑，使钛带上下表面与上下工作辊之间的接触摩擦状态难以保持一致，会存在上下表面一方摩擦系数偏大，而另一方摩擦系数偏小的现象，这种上下非对称摩擦状态会导致轧件垂向的不对称变形，进而导致出口轧件呈现横向翘曲板形，即c翘板形缺陷。而这种板形缺陷难以通过拉矫进行有效的矫直，且增加了后续板形处理工艺的难度和成本。目前难以通过有效的方式直接对上下辊件间的摩擦状态进行控制，需要提出易操作且可实施性强的调控措施，来调控由非对称摩擦状态导致的钛带横向翘曲板形缺陷，改善热轧钛带板形质量。

在c翘控制方面，文献1(张清东，戴杰涛.带钢板形翘曲变形行为的仿真[j].北京科技大学学报，2011，33(08)：1006-1012)利用有限元温度场模型对平整过程在线带钢横向翘曲变形进行了仿真计算，结果表明厚度方向横向应变的最大差值越大，带钢发生横向翘曲的翘曲量越大。文献2(卢兴福.钢板带板形瓢曲与翘曲变形行为研究[d].北京：北京科技大学，2015)对拉矫平整过程中的横向翘曲缺陷进行了力学行为分析并建立了求解模型及算法。文献3(专利cn104117541a)公开了一种热轧马氏体不锈钢横向翘曲的控制方法，建立了层冷段上下冷却水喷水量比例与翘曲量、带钢厚度的关系，通过合理设定上下冷却水出水量比例的方式来控制带钢横向翘曲程度。分析可知，当前针对板带c翘板形缺陷的控制方法研究主要集中在带钢的层冷和后处理工艺，但由于钛带轧制过程中的工艺限制，该方法难以取得较好效果。因此，需要针对钛带提出一种轧制过程中c翘板形缺陷的控制方法，来提高热轧钛带成品的板形质量。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明在对工业钛带实际热轧生产现场设备参数及生产数据采集的基础上，经过大量理论分析研究和工业实践，建立了一种通过调整上下工作辊辊径差，实现c翘缺陷调控的有效方法，所述方法通过测量的c翘挠度和实际设备工艺数据建立有限元仿真模型，对非对称摩擦状态下钛带的c翘挠度进行计算，并对相同轧制条件下不同工作辊辊径差下的c翘挠度进行求解；再对不同厚度规格钛带工作辊辊径差和c翘挠度调控量之间的关系进行拟合；最后根据热轧工业生产现场实际钛带c翘挠度缺陷，计算调整工作辊辊径差，完成对c翘板形缺陷的控制；

本发明提供一种钛带热轧过程中c翘板形缺陷的控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：进行c翘挠度的表征与测量；

步骤2：结合现场实际设备和工艺数据建立钛带轧制过程有限元仿真分析模型；

步骤3：以步骤1中的表征与测量结果为计算目标，对非对称摩擦状态下钛带的c翘挠度进行计算，并对相同轧制条件下不同工作辊辊径差下的c翘挠度进行求解，得到工作辊辊径差和c翘挠度调控量之间的对应关系；

步骤4：对不同厚度规格钛带工作辊辊径差和c翘挠度调控量之间的关系进行拟合；

步骤5：根据热轧工业生产现场实际钛带c翘挠度缺陷和步骤4的拟合结果，计算需要调整的工作辊辊径差；

步骤6：根据步骤5中计算的工作辊辊径差，调整工作辊上下辊径配比，从而改善热轧钛带的c翘板形缺陷，提高钛带成品板形质量；

进一步地，所述步骤1中进行c翘挠度表征的方法具体为：用c翘挠度对热轧钛带的c翘板形缺陷程度进行表征，将钛带中性层宽度方向最外端的最大翘曲高度记为c翘挠度γw，以c翘挠度正负表示热轧钛带的翘曲方向，记γw<0为向下翘曲，表示钛带中性层宽度方向最外端向下翘，γw>0为向上翘曲，表示钛带中性层宽度方向最外端向上翘；

进一步地，所述步骤1中进行c翘挠度测量的方法具体为：在工业钛带实际热轧生产现场对不同典型厚度规格的钛带c翘挠度γw进行批量测量，在每一厚度规格下分别获得多次测量值，取某一厚度下测量值中的最大值记为某一厚度下的c翘挠度最大值γw0；

进一步地，所述步骤2中建立有限元仿真模型的方法具体为：建立辊件一体化的动态有限元仿真分析模型，以工业钛带实际热轧生产现场的热连轧机中的最后一架作为样本，以其实际生产设备参数、轧件参数和轧制工艺参数作为输入条件，进行有限元仿真分析模型建模；

进一步地，所述步骤3中对非对称摩擦状态下钛带的c翘挠度进行计算的方法具体为：

3-1：以工业钛带实际热轧生产现场热连轧机最后一架实际工作辊直径范围的中间值d0作为仿真分析模型的上下工作辊辊径基准，定义上工作辊辊径减去下工作辊辊径为辊径差δd，上下工作辊辊径均取d0时，δd＝0；以摩擦系数f＝0.3作为仿真分析模型的带钢上下表面的摩擦系数基准；

3-2：分别对生产现场不同典型厚度规格的钛带生产过程进行有限元仿真分析，钛带宽度取某厚度规格下的最大值，当c翘挠度γw<0时，执行下面的仿真步骤.3-3；当c翘挠度γw>0时，执行下面的仿真步骤3-4；

3-3：取带钢上表面摩擦系数f＝0.3，带钢下表面摩擦系数以f＝0.3为基准，以fs为摩擦系数增加量，依次在仿真过程中增大带钢下表面摩擦系数，下表面摩擦系数f依次取f＝0.3+fs、f＝0.3+2fs、f＝0.3+3fs…，计算钛带在非对称摩擦状态下的c翘变形，分别得到钛带在非对称摩擦状态下的c翘挠度计算值γw1，直到计算值γw1与步骤2的c翘挠度最大值γw0的相对误差在临界值ε以内时，摩擦系数不再增加，定义此时的下表面摩擦系数为最大摩擦系数f′，此时的挠度值记为γ′w1；

取带钢上表面摩擦系数f＝0.3，带钢下表面摩擦系数取本步骤中刚刚得到的最大摩擦系数f′，取d0作为上工作辊辊径，下工作辊辊径以d0为基准，以ds为辊径增加量，依次在仿真过程中增大下工作辊的辊径，辊径差δd<0，且依次取δd＝-ds、δd＝-2ds、δd＝-3ds…，分别得到钛带在非对称摩擦状态下的c翘挠度计算值γw2，直到计算值γw2的绝对值小于临界值γ′w，下工作辊的辊径不再增加，从而得到一系列辊径差δd和c翘挠度计算值γw2之间的对应数据；

3-4：取带钢下表面摩擦系数f＝0.3，带钢上表面摩擦系数以f＝0.3为基准，以fs为摩擦系数增加量，依次在仿真过程中增大带钢上表面摩擦系数，上表面摩擦系数f依次取f＝0.3+fs、f＝0.3+2fs、f＝0.3+3fs…，计算钛带在非对称摩擦状态下的c翘变形，分别得到钛带在非对称摩擦状态下的c翘挠度计算值γw1，直到计算值γw1与步骤2的c翘挠度最大值γw0的相对误差在临界值ε以内时，摩擦系数不再增加，定义此时的上表面摩擦系数为最大摩擦系数f′，此时的挠度值记为γ′w1；

取带钢下表面摩擦系数f＝0.3，带钢上表面摩擦系数取本步骤中刚刚得到的最大摩擦系数f′，取d0作为下工作辊辊径，上工作辊辊径以d0为基准，以ds为辊径增加量，依次在仿真过程中增大上工作辊的辊径，辊径差δd>0，且依次取δd＝ds、δd＝2ds、δd＝3ds…，分别得到钛带在非对称摩擦状态下的c翘挠度计算值γw2，直到计算值γw2的绝对值小于临界值γ′w，上工作辊的辊径不再增加，从而得到一系列辊径差δd和c翘挠度计算值γw2之间的对应数据；

进一步地，步骤3中c翘挠度调控量定义为δγw＝γ′w1-γw2，根据步骤3-3或步骤3-4的结果，获得各厚度规格下辊径差δd与c翘挠度调控量δγw之间的对应数据；

进一步地，所述步骤4中拟合方法如下：采用式(1)所示二次多项式，应用最小二乘法对步骤3所得的各厚度规格下辊径差δd与c翘挠度调控量δγw之间的对应数据进行拟合，得到各厚度规格下辊径差δd和c翘挠度调控量δγw之间的数学表达式，

δd＝α1δγw²+α2δγw+α3(1)

式(1)中，α1、α2、α3分别为拟合得到的多项式系数；

进一步地，所述步骤5中需要调整的工作辊辊径差的计算如下：在工业钛带实际热轧生产过程中，当发现c翘板形缺陷时，测量c翘挠度，选择步骤4所获得的该厚度下的拟合数学表达式，将测得的c翘挠度作为δγw代入数学表达式，计算得到辊径差δd；

进一步地，所述步骤6中的调整方法如下：参照步骤5所得δd，进行后续该厚度规格生产过程中热连轧机最后一架的轧辊配置，实现对c翘的有效调控；

进一步地，所述方法步骤3-3和步骤3-4中的摩擦系数增加量fs在0.005-0.02中取值，临界值ε在5％-10％中取值，辊径增加量ds在0.01mm-0.2mm中取值，临界值γ′w在1mm-10mm中取值；

本发明的有益效果如下：

(1)该方法建立了辊径差与实测c翘挠度之间的数学表达式，实际使用过程中计算方便；

(2)采用辊径差作为c翘板形缺陷的调控手段，在工业生产现场切实可行；

(3)针对不同厚度规格进行分别测试、计算和数学回归，从而形成不同厚度规格的针对性控制策略；

(4)该方法使用过程以有限元仿真分析结果为依据，有限元仿真分析长期以来被应用于板带轧制过程的板形控制领域仿真分析研究，具有较强的有效性，仿真分析结果具有一定的可信性；

(5)该方法以现场测试的c翘挠度最大值作为计算对象，获得的控制策略可覆盖工业生产现场的c翘板形缺陷控制需求。

附图说明

图1为本发明中钛带c翘缺陷现场图；

图2为本发明中钛带c翘缺陷示意图；

图3为本发明中钛带c翘挠度示意图；

图4为本发明中有限元仿真模型示意图；

图5为本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及针对某热轧钛带工业生产现场的具体实施例进行详细描述。

本发明的具体实施过程如图5所示，具体包括：

步骤1：用c翘挠度对热轧钛带的c翘板形缺陷程度(如附图1、附图2所示)进行表征，将钛带中性层宽度方向最外端的最大翘曲高度记为c翘挠度γw(如附图3所示)，以c翘挠度正负表示热轧钛带的翘曲方向，记γw<0为向下翘曲，表示钛带中性层宽度方向最外端向下翘(如附图1所示)，γw>0为向上翘曲，表示钛带中性层宽度方向最外端向上翘(如附图2所示)。

步骤2：在工业钛带实际热轧生产现场对不同厚度规格的钛带c翘挠度γw进行批量测量，该现场生产厚度规格主要为3.0mm、5.0mm和6.0mm，宽度虽有所不同，但规格较少，且集中在1050、1150和1250mm，一般宽度越大，c翘缺陷越大，所以本方法在后续仿真分析中不专门考虑宽度的影响，而将宽度因素在后续数据回归中适当考虑。

在每一厚度规格下分别获得多次测量值，取某一厚度下测量值中的最大值记为某一厚度下的c翘挠度最大值γw0，如表1所示为在现场测得的3mm和6mm厚度下的部分c翘挠度值。

表1不同规格钛带c翘挠度测量值

步骤3：建立钛带非对称摩擦状态下轧制过程的辊件一体化动态有限元仿真分析模型(如附图4所示)，以工业钛带实际热轧生产现场热连轧机最后一架实际生产设备参数、轧件参数和轧制工艺参数作为有限元仿真分析模型的建模输入条件。

步骤4：以工业钛带实际热轧生产现场热连轧机最后一架实际工作辊直径范围的中间值d0＝615mm作为仿真分析模型的上下工作辊辊径基准，定义上工作辊辊径减去下工作辊辊径为辊径差δd，上下工作辊辊径均取d0＝615mm时，δd＝0。

步骤5：以摩擦系数f＝0.3作为仿真分析模型的带钢上下表面的摩擦系数基准。

步骤6：分别对生产现场典型的厚度规格钛带生产过程进行有限元仿真分析，本实施例以6mm厚的钛带为例进行分析，钛带宽度取该厚度规格下的最大值1250mm，当c翘挠度γw<0时，执行下面的仿真步骤7；当c翘挠度γw>0时，执行下面的仿真步骤7′。本实施例针对的现场c翘缺陷均为向下翘曲，即γw<0，因此本实施例将采用下面的步骤7，步骤7′针对的是向上翘曲的情况，具体过程与本实施例的具体执行过程类似，实施例中不再详述。

步骤7：取带钢上表面摩擦系数f＝0.3，带钢下表面摩擦系数以f＝0.3为基准，以fs为摩擦系数增加量，依次在仿真过程中增大带钢下表面摩擦系数，即下表面摩擦系数f依次取f＝0.3+fs、f＝0.3+2fs、f＝0.3+3fs…，计算钛带在非对称摩擦状态下的c翘变形，分别得到钛带在非对称摩擦状态下的c翘挠度计算值γw1，本实施例中，γw0＝-17mm，取fs＝0.01，取临界值ε＝10％，利用有限元仿真分析模型依次计算下表面摩擦系数为0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39、0.40、0.41的c翘挠度值，直至下表面摩擦系数取0.41时，c翘挠度值为-15.6mm，与-17mm的相对误差小于10％，摩擦系数不再增加。此时不再进行仿真计算，定义此时的下表面摩擦系数为最大摩擦系数f1＝0.41，此时的挠度值记为γ′w1＝-15.6mm。

取带钢上表面摩擦系数f＝0.3，带钢下表面摩擦系数取本步骤中刚刚得到的最大摩擦系数f1＝0.41，取d0＝615作为上工作辊辊径，下工作辊辊径以d0＝615为基准，以ds为辊径增加量，依次在仿真过程中增大下工作辊的辊径，即辊径差δd<0，且依次取δd＝-ds、δd＝-2ds、δd＝-3ds…，分别得到钛带在非对称摩擦状态下的c翘挠度计算值γw2，本实施例中，取ds＝0.1mm，取临界值γ′w＝5mm，利用有限元仿真分析模型依次计算下工作辊辊径为615.1mm、615.2mm、615.3mm、615.4mm、615.5mm、615.6mm的c翘挠度值，当计算到下工作辊辊径为615.6mm时，c翘挠度计算值γw2＝-4.2mm，其绝对值开始小于γ′w＝5mm，此时不再计算，从而得到一系列辊径差δd和c翘挠度计算值γw2之间的对应数据如表2所示；

表2不同辊径差与对应的c翘挠度计算值

以上为c翘挠度γw<0时的实施例，当c翘挠度γw>0时，即产生图2所示的c翘板形缺陷时，采用下面步骤7′。

步骤7′：取带钢下表面摩擦系数f＝0.3，带钢上表面摩擦系数以f＝0.3为基准，以fs为摩擦系数增加量，依次在仿真过程中增大带钢上表面摩擦系数，即摩擦系数f依次取f＝0.3+fs、f＝0.3+2fs、f＝0.3+3fs…，计算钛带在非对称摩擦状态下的c翘变形，分别得到钛带在非对称摩擦状态下的c翘挠度计算值γw1，直到计算值γw1与步骤2的c翘挠度最大值γw0的相对误差在临界值ε以内时，摩擦系数不再增加，定义此时的上表面摩擦系数为最大摩擦系数f′，此时的挠度值记为γ′w1；

取带钢下表面摩擦系数f＝0.3，带钢上表面摩擦系数取本步骤中刚刚得到的最大摩擦系数f′，取d0作为下工作辊辊径，上工作辊辊径以d0为基准，以ds为辊径增加量，依次在仿真过程中增大上工作辊的辊径，即辊径差δd>0，且依次取δd＝ds、δd＝2ds、δd＝3ds…，分别得到钛带在非对称摩擦状态下的c翘挠度计算值γw2，直到计算值γw2的绝对值小于临界值γ′w，上工作辊的辊径不再增加，从而得到一系列辊径差δd和c翘挠度计算值γw2之间的对应数据。

步骤8：定义钛带c翘挠度调控量δγw＝γ′w1-γw2，本实施例中γ′w1＝-15.6mm，根据步骤7的结果，由表2获得各厚度规格下辊径差δd与c翘挠度调控量δγw之间的对应数据，如表3所示。

表3不同辊径差与对应的c翘挠度调控量

步骤9：采用式(1)所示二次多项式，应用最小二乘法对步骤8所得的各厚度规格下辊径差δd与c翘挠度调控量δγw之间的对应数据进行拟合，得到各厚度规格下辊径差δd和c翘挠度调控量δγw之间的数学表达式，

δd＝α1δγw²+α2δγw+α3(1)

式中，α1、α2、α3分别为拟合得到的多项式系数，在本实施例中如表4所示：

表4拟合系数

步骤10：在工业钛带实际热轧生产过程中，当发现c翘板形缺陷时，测量c翘挠度γw，在某批次生产中测得某6mm厚钛带的γw＝-11mm，选择该厚度下的拟合数学表达式如式(2)所示：

δd＝-1.063×10^-3δγw²+4.039×10^-2δγw-3.284×10^-3(2)

将γw＝-11mm作为δγw代入数学表达式，计算得到辊径差δd＝-0.58mm。

步骤11：以步骤10所得δd＝0.58mm，进行后续生产过程中的热连轧机最后一架轧辊配置，受现场实际轧辊直径限制，并不需严格满足δd＝-0.58mm，如选择上下辊径分别为620.701mm和621.132mm的一套轧辊进行生产，此时δd＝-0.43mm，利用该套轧辊继续生产6mm厚度规格的钛带，实现了对c翘的有效调控。

在上述实施例中，步骤7和7′中的摩擦系数增加量fs，主要根据计算速度、计算工作量，并考虑临界值ε在0.005-0.02中取值，fs取值越小，计算工作量越大；fs取值过大，而临界值ε取值过小，则可能出现相对误差无法在临界值ε以内的情况，本实施例中取fs＝0.01。临界值ε主要考虑企业的板形控制水平要求来进行选择，一般在5％-10％中取值，临界值ε取值越小，该方法的有效性和精度越高，仿真的计算量也越大；与此同时ε的取值也应与fs的取值配合考虑，ε取值过小，而fs取值过大，则可能出现相对误差无法在临界值ε以内的情况，本实施例中取ε＝10％。

在上述实施例中，步骤7中的辊径增加量ds，主要根据计算速度、计算工作量，并考虑临界值γ′w在0.01mm-0.2mm中取值，ds取值越小，计算工作量越大；ds取值过大，而临界值γ′w取值过小，则可能出现计算值γw2的绝对值无法小于临界值γ′w的情况，本实施例中取ds＝0.1mm。临界值γ′w主要考虑企业的板形控制水平要求来进行选择，一般在1mm-10mm中取值，临界值γ′w取值越小，该方法的有效性和精度越高，仿真的计算量也越大；与此同时γ′w的取值也应与ds的取值配合考虑，γ′w取值过小，而ds取值过大，则可能出现计算值γw2的绝对值无法小于临界值γ′w的情况，本实施例中取γ′w＝5mm。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。