点击下载——特殊钢大棒材连轧规程的研究.doc

摘 要：为方便研究特殊钢大棒材的现场生产条件、轧制工艺参数对其在轧制过程中变形、温度、轧制力矩的影响，采用C语言编写源程序、MFC模块编写人机交互界面，开发了特殊钢大棒材连轧规程系统。通过本系统对20CrMnTi齿轮钢大棒材的实际轧制工艺参数进行计算，计算值与实测值进行比较，得出计算值与实测值吻合较好。验证了该系统可以较准确预测轧件在轧制过程中温度、轧制力、轧制力矩和能耗的变化情况，为研究特殊钢大棒材的生产工艺以及质量和组织的控制提供可靠的工艺参数。

关键词：特殊钢；大棒材；轧制规程

随着国家“十二五”计划的开始，特殊钢将广泛应用于高铁、城轨、海洋工程和海上石油开采、大型和特殊性能船舶和舰艇、节能环保汽车、水电、核电、风电、特高压电网、节能建筑和房屋工厂化建设、冶金、矿山、石化大型成套设备、大型工程机械等方面，其生产和应用是反映一个国家钢铁工业发展水平的重要标志[1]。

在特殊钢生产过程中，轧制规程是轧制工艺的核心，对轧钢生产至关重要。由于目前这方面的研究和应用大多仅限于小直径棒材[2~3]，对>Ф100 mm的大棒材控制轧制问题研究较少[4]。同时，由于轧制规程设计依靠设计人员的实践经验设计，设计周期长，容易丧失对市场做出快速反应的时机。而运用计算机辅助规程设计不仅能大大缩短设计周期，而且由于目前计算机强大的计算能力，使得规程设计系统可以选择一些复杂但精度较高的数学模型，从而使设计结果更能精确地反映现场的实际情况，减少试轧次数[5~6]。因此，利用计算机技术进行特殊钢大棒材轧制规程系统的研究开发有着非常重要的意义。

1 程序流程与系统组成及功能

1.1程序流程

本系统软件计算了整个精轧过程中各道次的变形力学参数及工艺参数等，具有边计算边校核的功能，即每道次的参数结果都按轧制力、力矩和轧制功率进行校核。如果校核满足条件，程序就继续往下计算；如果校核不能满足条件，计算机则根据初设条件重新分配延伸系数进行计算[7]。具体的程序流程见图1。

1.2 系统组成

本系统是由一个系统主管理模块和孔型设计、几何关系设计、轧制过程分析、输入数据、输出数据5个分模块组成，各个分模块又包含各自的子模块，这些子模块都具有各自的功能，这样便构成了一个多层次、多功能的软件系统。具体结构见图2。

1.3 系统主要功能

本套系统是基于Windows平台用VC语言编写源程序，利用VC++中MFC模块编制人机交互界面。借助于界面上的菜单或控制图标，用户可以保存输入的原始参数、打开已存在的数据文件并调用auto CAD自动绘制孔型图形、打印计算输出结果[8]。本系统共有5个模块，各个模块既相互独立，又可通过数据文件相互联系。这5个模块是：

(1) 文件管理模块：具有建立数据文件、保存文件、打印文件和退出系统等功能；

(2) 初始数据输入模块：包括轧机参数输入、轧件参数输入以及初始温度、速度等工艺参数输入等；

(3) 核心计算模块：主要用来精确计算轧件在各道次孔型中的变形、轧制过程中的温度、力能参数和功率等；

(4) 孔型自动绘制模块：通过连接auto CAD软件直接绘制孔型图形；

(5) 结果输出模块：通过引用Excel提供的库文件接口，利用对象按照一定的格式记录结果参数

并操作Excel表格自动批量导出结果参数，方便用户查看各道次计算结果及相应的关系。

2 孔型设计

2.1 成品孔型设计

按照国家标准GB/T 702-2008，Ф120 mm圆钢一组精度允许偏差为±1.2 mm，取热膨胀系数为1.018，则Ф120 mm 成品孔的宽度 b 和高度 h 分别为：

b=[d+(0.5~1)△+（]1.007~1.02）=（120+1×1.2）×1.018=123.38 (1)

h=[d-(0~1)△-（]1.007~1.02）=（120-0×1.2）×1.018=122.16 (2)

扩张角α一般为20~30°，取25°。辊缝值考虑轧辊利用率等综合因素S取值为12 mm，成品孔外圆角r取4 mm，具体尺寸如 图3(b)所示。

2.2 成品前椭圆孔型设计

根据经验公式，确定Ф120 mm成品前椭圆孔型高度h和宽度b分别为：

h=(0.88~0.94)d=0.935×120=112.2（mm） (3)

b=(1.26~1.50)d=1.495×120=179.4（mm） (4)

辊缝取14 mm，则

R'=[(h-s)2+b2]/[4(h-s)]=106.48（mm） (5)

Ф120 mm成品前椭圆孔型图见图3（a）所示。

2.3 等轴孔设计

设计连轧孔型系统的等轴孔时，首先将6个连轧孔分为3组，并确定各组的延伸系数，然后可以求出各中间等轴孔的尺寸。根据经验公式计算得，图4为第2道次和第4道次圆孔的孔型图。

2.4 中间扁孔设计

中间扁孔的宽度b和高度h由下式求得

式中:β2和β1分别为轧件在中间孔型和后一等轴孔型中的宽展系数；A和a分别为前后等轴孔型的尺寸。图5为第1道次和第3道次椭圆孔的孔型图。

3 结果分析

本文以轧制20CrMnTi齿轮钢为例，对Ф120 mm大棒材的轧制过程利用该规程系统软件进行计算。精轧前方坯的边长为220 mm×220 mm，经过6道次轧制成成品棒材。精轧机组采用椭圆-圆孔型系统。精轧机组基本参数如表1。

3.1 孔型尺寸分析

按照国家标准GB/T 702-2008中的要求，取成品为Ф120 mm的棒材一组精度允许偏差为±1.2 mm，热膨胀系数为1.018进行计算。在 现 场 采 集 50 组Ф120 mm 棒 材 6 道 次 孔 型 高 度 和 宽 度 数 据 ，取平均值与计算值比较，结果如图6、7。从图6和7中可以看出，计算结果与实测值基本一致，绝对误差在12 mm 以内，相对误差不超过 5%，说明本系统的孔型计算结果具有较高的精度。

3.2 轧制温度参数分析

取该钢种同规格产品的50组温度数据，每组含有6个道次温度，对应生产线上的6个道次测温点。通过系统软件计算轧件在测温点处的温度值，与实测值平均值比较结果如图8。从图8上可以看出，计算结果和实测值的绝对误差在10 ℃以内，相对误差不超过1%，达到了较高的精度。

3.3 轧制力矩参数分析

在棒材生产线上的CP2操作室，可以实时监测到轧制过程中每一道次的轧制力矩。我们取50组数据进行与系统软件轧制力矩的计算值对比分析，如图9所示，由图9中可看出，计算值与实测值的误差在10%以内。考虑到大棒材轧制时，温度、来料波动以及微张力的影响因素对轧制力矩的实测值造成较大的波动，误差在10%以内的结果已足够精确，可以作为轧制过程中工艺参数的参考数据。

3.4 成品棒材尺寸精度结果

取20组Ф120mm成品棒材进行直径尺寸精度的测量，测量结果与国标一组精度进行对比，结果如图10。该钢种成品为Ф120mm的棒材尺寸精度均满足国标一组精度标准，达到了成品尺寸精度的要求，说明了该系统对成品尺寸精度控制良好。

4 结论

本规程系统软件使用C语言编写源程序，用MFC系统编写人机交互界面，开发一套特殊钢大棒材精轧轧制规程计算系统，实现了自动绘制孔型、批量计算轧制温度、轧制力、力矩、功率等工艺参数、图形/图表显示计算结果、数据保存、导入与导出等功能，并通过生产线上的实测数据以及成品尺寸精度进行了验证，结果表明计算值和生产线上的实测值基本吻合，成品尺寸精度均达到国标一组标准。说明本系统可以较精确地预测在轧制过程中的温度、轧制力、力矩和能耗的情况以及对成品棒材尺寸精度控制良好，为研究特殊钢大棒材的生产工艺以及质量和组织的控制提供了可靠的工艺参数。

参考文献

[1] 陈思联,兰德年,刘正东,董瀚.高品质特殊钢技术开发的背景与目标[J].世界钢铁.2009,2:56

[2] 张国滨,张贵杰,吴学泽.棒、线材热轧力能参数计算软件的开发与应用[J].钢铁. 2000,11(11):34

[3] 姚俊,唐广波,刘正东,马宝国.棒线材热轧过程综合数值模拟系统的开发及应用[J].冶金自动化. 2010,9(5):25

[4] 赵玲玲,杜凤山,许志强等.大棒材热轧工艺的数值模拟[J].武汉科技大学学报. 2010,8(4):367

[5] Lee D, Lee Y. Application of neural-network for improv-ing accuracy of roll-force model in hot-rolling mill[J].Control Engineering Practice. 2002,10(4):474

[6] Kwon H C, Im Y T. Interacter computer-aided-design system for roll pass and profile design in bar rolling[J].Jour-nal of Materials Processing Technology. 2002,123(3):404.

[7] IZZO A.连轧棒材轧机的延伸系数分配[J].本钢技术.2008,4:41

[8] 郑坚,唐广波,程杰锋等.珠钢CSP热轧组织性能预报软件设计[J].轧钢. 2003, 20(1):15