板带钢板型控制

板带钢板型控制刖言近年来，轧钢生产已由过去单纯追求大型化、高速化、连续化转向注重节约能游和提高产品质孟，力求以尽可能低的能源和原材蚌消耗创造尽可能高的经济效益。为了实现这个目标，采用了大量的新技术和新设备.在板带生产中板形控制技术就是一项引人注目的新技术。板形是带钢的重要质量指标。随着其它工业部门生产的发展，对板带钥板形质量的要求也日趋严格。特别是近年来由千AGC系统的不断完善和广泛采用，板带的纵向厚度精度越来越高，相形之下，板形问题就变得日益突出。关于板形间题的研究和应用始于六十年代，M.D.斯通(Stone)的弹性龚础梁理论和液压弩辊的实用研究，使板形问题取得了较大的突破，以后各国相继进行这方面的研究，工作开屏得湘当居跃.共取得了朴去的珍暑.目刖•笋于板形问颖的理论研究和实验研究的成果已经大量地应用到生产实践中去，使板带生产的面貌发生了根本变化。国内开展板形问题研究的时间不长，刚刚开始应用于生产实践二即使是近年引进的先进设备，如武汉钢铁公司的带钢冷、热连乳机也只是具有手动的液压弯辊装置，控制质量还是较差的。至于原有老厂普遍缺乏最墓本的板形控制和调整手段。每年由板形不良所造成的经济方面的损失是十分严重的。所以，解决我国板带生产中板形质量问题是一项具有巨大经济意义的课题。如果国内板带生产厂能够广泛采用各种新技术提高板形质量，经济效益将是十分可观的。鉴于此，作者在总结国内板形方面工作的同时.广泛地参考了有关的国外文献，特别是近几年的最新进展写成了这本书，把它奉献给广大读者，希望它能够为解决我国板带生产中的板形问题、提高我国板带生产技术水乎作出微薄的贡献。第一章板形及有关板形的基本概念1.1板形的基本概念板形直观来说是指板带材的翘曲度，其实质是板带材内部残余应力的分布。只要板带材内部存在残余应力，即为板形不良。如残余应力不足以引起板带翘曲，称为“潜在”的板形不良;如残余应力引起板带失稳，产生翘曲，则称为“表观”的板形不良。取一定长度的带钢自然地放到一个平面上，常常可以观察到带钢的翘曲。翘曲有各种形式，大多数是波浪形，薄带钢常产生皱纹或局部凸四。翘曲有时可以遍布整个带宽，有时只限于局部。达种翘曲和带钢的变形不均及内应力分布不均密切相关。轧制过程实质是金属在旋转的弹性休一轧辊一一作用下发生塑性变形的过程，一定断面形抉的坯料经过轧制发生明显的纵向延伸和一定的横向流动，最终成为一定尺寸的成品。板带轧制对变形过程有一个主要的要求，即沿板带宽度各部分有均一的纵向延伸。设想将带钢分刽成若于纵条，如果任何一条上压下量发生变化，都会引起该窄条的纵向延伸发生变化，同时又会影响到相邻窄条的变形。由于带钢实际上是一个整体，各窄条之间必定互相牵制，互相影响。因此，当沿横向的压下量分布不均时，各窄条就会相应地发生延伸不均，这就会在各窄条之间产生相互作用的内应力。当这个内应力足够大时，就会引起带钢翘曲。由于轧制过程是一个复杂的物理过程，金属所发生的塑性变形和轧辊所发生的弹性变形受到许多因素的影响，要想彻底消除这种变形所发生的弹性变形受到许多因素的影响，要想彻底消除这种变形不均，是不可能的。但是，应该将这种变形不均限制在尽可能小的范围内，以防止带钢翘曲。为了说明金属纵向变形不均的程度，引入了板形(Shape)这个概念。所谓板形，直观说来，是指板材的翘曲程度;就其实质而言，是指带钢内部残余应力的分布。只要带钢中存在残余的内应力，就称为板形不良。如果这个应力虽然存在，但不足以引起带钢翘曲，则称为“潜在的”板形不良，如果应力足够大，以致引起带钢翘曲，则称为“表观的”板形不良。带钢在张力作用下冷轧有时并未发生翘曲，当去除张力后，带钢发生明显的翘曲，前者可称为潜在的板形不良，后者称为表观的板形不良。带钢中内应力分布的规律不同，它所引起的带钢翘曲形式也不同。所以，可以依据内应力的分布规律和带钢翘曲倩况，将板形缺陷分为不同的类型（图1-1）。1.2板形的表示方法板形的表示方法有相对长度差表示法、波形表示法、张力差表示法和厚度相对变化量表示法等多种方式。其中前两种方法在生产控制过程中较为常用。定量地表示板形，既是生产中衡量板形质量的需要，也是研究板形问题和实现板形自动控制的前提条件。因此，人们依据各自不同的研究角度及不同的板形控制思想，采取不同的方式定量地描述板形。现就主耍表示方法介绍如下：〔1〕相对长度差表示法图1-3a所示为轧后翘曲带钢的外形，该轧件由于边部产生较大的延仲而产生严重边波，将-2-钢板裁成若干纵条并铺平，则如图1-2所示，可清楚地看出横向各点的不同延伸。一个比较简单的方法就是取横向上不同点的相对垃度差，AL/L来表示板形.其中L是所取基准点白子扎后长度，AL是其它点相对基淮点的轧后长度差。相对长度差也称为板形指数P，P=AL/L.

外nswil-lJb—q上 din^BX—性!.I.此 r"M西毋.R由.J政图1-二秘曲带钢W及其分料3)〔2〕波形表示法在翘曲的钢板上测量相对长度来求出相对长度差很不方便，所以人们采用了更为直观的方法，即以翘曲波形来表示板形，称之为翘曲度。图1-A所示为带钢翘曲的两种典型情况。将带材切取一段置于平台之—上，如将其最短纵条视为一直线，最长纵条视为一正弦波，则如图1-3所示，可将带钢的翘曲度入表示为：a1-3正弦彼的波形曲线这中方法直观，易于测量，所以许多工作中采用这种方法表示板型。〔3〕残余应力表示法宽度方向上分成许多纵向小条只是一假设，实际上带钢是以整体，就是“小条变形是要受左右小条的限制”，因此当某小条延伸较大时，受到左右小条影响，将产生压应力，而左右小条将产生张应力。这些压应力或张应力称为内应力，带钢塑性加工后的内应力成为残余应力。理论上残余压应力将使带钢产生翘曲，实际上，由于带钢自生的刚性，只有当内部参与引力大-4-于某一临界值后，才会失去稳定性，使带钢产生翘曲。次临界值与带钢厚度，宽度有关。〔4〕张应力差表示法当使用剖分式张力辊式平坦度测量仪时获得的是实测的带钢宽度方向张应力分布（其积分值为总张力）张应力不均匀分布是由于存在内应力，由于内应力与张应力合成而造成张应力不均匀分布。因此张应力不均匀分布形态，实际上反应了内应力的分布形态。〔5〕厚度相对变化量差表示法这是一种比较简单的方法，它以边部和中心两点厚度相对变化量差来表示板形的变化，它主要在模拟计算中用来描述某些外扰对板形的影响，板形参数Sh表示为式中6c、6e—某种外扰引起的带钢中心和边部厚度的绝对变化量；hc、he一带钢中心和边部的厚度。当Sh=0时，说明带钢板形没有变化;当Sh>O时，说明带钢向边波方向变化;当Sh<o时，说明带钢板形向中波方向变化。1.3常见的板形缺陷及分析常见的板形缺陷有边部波浪、中间波浪、单边波浪、二肋波浪和复合波浪等多种形式，主要是由于轧制过程中带材各部分延伸不均，产生了内部的应力所引起的。为了得到高质量的轧制带材，必须随时调整轧辊的辊缝去适合来料的板凸度，并补偿各种因素对辊缝的影响。对于不同宽度、厚度、合金的带材只有一种最佳的凸度，轧辊才能产生理想的目标板形。因此，板形控制的实质就是对承载辊缝的控制，与厚度控制只需控制辊缝中点处的开口精度不同，板形控制必须对轧件宽度跨距内的全辊缝形状进行控制。—5—第二章影响板形的主要因素金属在轧辊作用下经过一系列变形过程轧成需要的板带材。最终产品的板形受到许多因素的影响，总括起来，这些因索可以分为内因（金属本性）和外因（轧制条件）两个方面。金属本身的物理性能（例如硬化特性、变形抗力）直接影响轧制力的大小，因而与板形密切相关。金属的几何特性，特别是板材的宽厚比、原料板凸度是影响板形的另一个重要因素。（1）轧制力变化对扳形的影响轧制力受许多因素的影响，例如变形抗力、来料厚度、摩擦系数、带钢张力等，因此它是轧制过程中一个非常活跃的因索。轧制力变化可以分为两种情况，一种是偶然性的波动，一种是稳定性的变化。所谓偶然性，是指它变化的时间与轧辊热凸度变化所用时间相比是短的，所谓波动是指变化汽本上会恢复原位。这种情况下，轧制力变化井不涉及到轧辊热凸度的变化。（2）来料板凸度对板形的影响前己迷及，获得具有良好板形的带钢的重要条件是来料断面形状和求载辊缝形状相匹配。一般来料断面主要决定于供料厂。通常采用的方法是大量测取原料数据，找出原料板凸度的变化规律，据此确定本车间的工艺参数，以保证获得良好板形。在实际生产中，当来料凸度变化时，己定的轧制状态就会改变，因而使板形发生变化。如图2-1,热凸度一轧制力关系曲线（3）热凸度变化对板形的影响轧制过程中，金属相对轧辊滑动产生的热量和金属变形所释放的热量有一部分传人轧辊，使轧辊温度升高，这是轧制过程巾轧辊的热输入。同时冷却水和空气又从轧辊中带走热量，使其温度降低，这是轧辊的热输出。在开轧后的一段时间内，轧辊的热输入大于热输出，轧辊温度逐渐升高，热凸度也陡之不断增大。在以某一特定规程轧制若千带卷之后，轧辊热输入和热输出相等，处于平衡状态，轧辊热凸度也保持一个稳定值。初始轧辊凸度对板形的影响板形控制来说，初始轧辊凸度的选择是一个十分重要的问题，合理地选择初始凸度，可使板形-6-变化始终被限制在轧机控制能力之内，这无疑是获得良好板形的重要保证。对所轧产品宽度变化大的轧机来说，应根据产品宽度的不同而采用相应凸度的轧辊，一般地说，在轧制力相同的情况下，板宽越大，所需凸度越小。张力对板形的影响张力对板形的影响体现在几个方面。其一是张力改变对轧辊热凸度发生影响，特别是后张力影响更大，因而调整张力是控制板形的手段。其二是张力对轧制压力发生影响，根据轧制理论，由干张力交化，特别是后张力变化，对轧制压力有很大影响，而轧制压力变化必然导致轧辊弹性变形灼生变化，所以必然对板形产生形响。其三是张力分布对金属横向流动发生影响。这个问题近年来已引起人们的广泛注意。研究表明，当张力沿横向分布不均时，会使金属发生明显的横向流动，即使对于板材轧制这种宏观看来近于平面变形的情况也是如此。在一定的高向变形下，横向流动的结果必然改变沿横向的延伸分布，因而必然改变带钢的板形。-7-第三章板形控制先进技术改善和提高板形控制水平，需要从两个方面入手，一是从设备配置方面，如采用先进的板形控制手段，增加轧机刚度等;二是从工艺配置方面，包括轧辊原始凸度的给定、变形量与道次分配等。常规的板形控制手段主要有弯辊控制技术、倾辊控制技术和分段冷却控制技术等。近年来，一些特殊的控制技术，如抽辊技术（HC轧机和UC系列轧机）、涨辊技术（VC轧机和IC轧机）、轧制力分布控制技术（DSR动态板形辊）和轧辊边部热喷淋技术等先进的板形控制技术，得到日益广泛的应用。在此，分别就其中几种典型技术作以简单介绍。3.1抽辊技术一-HC轧机轧辊横移板形控制系统HC轧机是20世纪70年代日本日立公司和新日铁钢铁公司联合研制的新式6辊轧机。HC（HighCrown）即高性能轧辊凸度。该轧机是在普通4辊轧机的基础上，在支撑辊和工作辊之间安装一对可轴向移动的中间辊，中间辊的轴向移动方向相反。通过对普通4辊轧机轧辊挠曲的分析，工作辊与支撑辊之间超出轧件宽度区域的有害接触区，导致了轧辊的过度挠曲。这种挠曲不仅取决于轧制力的大小，而且取决于轧件宽度。另一方面，在工作辊上施加弯辊力时，轧辊的挠曲会在超出轧件宽度部分受到支撑辊的约束。HC轧机是通过中间辊的横移，消除了支撑辊与工作辊之间的有害接触区，提高了轧制的板形控制能力，可适用于任何宽度带材的轧制。HC轧机目前已发展出多种形式，如中间辊传动的HCM6辊轧机；中间辊和工作辊均能窜动的HCMW6辊轧机；中间辊带辊型曲线的HC--CVC轧机;及HCW、UCM、UVMW、MB、UC2~UC4等多种改进型轧机。HC轧机的优点？（1）板形控制能力强，HC轧机仅需不太大的弯辊力即可较好地调节带钢波形度。（2）可消除工作辊与支撑辊边部的有害接触部分，使带钢边部减薄现象减轻，并可减少裂边（3）由于工作辊辊径减小（比常规四辊减小30左右），因此可加大压下量，实现大压下量轧制，并减少能耗。（4）采用标准无凸度轧辊就能满足各种带宽的带材轧制，减少了轧辊各件。日前，由于消除了辊间的有害接触部分，而使工作辊挠曲得以大大减轻或消除，同时也使液压弯辊装置能有效地发挥控制板形的作用。因此，从20世纪70年代以来，世界各国已建HC轧机200多架，直到至今仍是一种较流行的机种。3.2曲面辊技术〔1〕CVC辊板形控制CVC辊板形控制技术是德国西马克-德马格公司于1980年开发的。CVC(CoutinuouslyVariableCrown)的原意是连续可变凸度。经过20多年的发展与完善，CVC轧机已发展出很多种机型，广泛应用于冷轧板带生产中。先进的控制策略和控制手段相结合，使CVC技术成为目-8-前世界上最先进的轧制技术之一。它的控制原理很简单，就是将上、下轧辊辊身磨削成相同的S形CVC曲线，上、下辊的位置倒置180度，当曲线的初始相位为零时，形成等距的、形平行辊缝，通过轧辊窜动机构，使上、下CVC轧辊相对同步窜动，就可在辊缝处产生连续变化的正、负凸度轮廓，从而适应工艺对轧辊在不同条件下，能迅速、连续、任意改变辊缝凸度的要求。由于板带轧制产品的宽厚比大，尽管辊缝有轻微的“S”形，也不会对板带平直度造成可以检测到的影响，因此，CVC辊没有移动时，其对板形造成的影响与平辊轧制时相同。而当工作辊双向抽动时，如果轧件中间处的轧辊外廓距离比轧辊边部处的辊缝小，这种移动对板形所产生的影响与采用正凸度工作辊时的相同。如果轧件中间处的轧辊外廓距离比轧辊边部处的辊缝大，这种移动对板形所产生的影响与采用负凸度工作辊时的相同。由于CVC轧机凸度控制范围大，并且可以连续调节，具有较好的凸度控制能力;能够满足多种轧制系统的要求，轧机适应能力强，可以轧制多种不同的合金;工作辊磨损比较均匀，换辊次数少等，所以发展较快，被世界各国普遍采用。〔2〕UPC辊板形控制万能板断面形状控制(UPC)系统是由德国曼内斯曼?德马克?萨克伍IDS)公司设计的，它在某种程度上与CVC技术有相似之处。UPC轧机投产的数量不及HC轧机和CVC轧机，最早使用UPC技术的是德国克虏伯1250轧机和芬兰2000轧机。两个系统都采用了可在相反方向上移动的非圆柱形工作辊，然而，UPC辊是雪茄形的，而不是CVC的“S"形。另外,UPC辊的移动行程是CVC系统的两倍。雪茄形轧辊与大移动范围相结合达到了以下目的：扩大了板凸度控制范围重新分布了轧辊磨损减少了热凸度变化随着带宽的不同飞正〔系统的板凸度控制范围有很大的变化当带钢宽度增加时，板凸度控制范围增大°17PC系统在编制轧制计划时还具有特别的灵活性。因为工作辊的短行程周期横移对辊缝形状影响很小所以对带钢断面形状的影响更是微不足道，这为自由程序轧制创造了条件。其原理是将普通4辊轧机的工作辊磨成雪茄型，大、小头相反布置，构成一个不同凸度的辊缝。UPC轧机投产的数量不及HC轧机和CVC轧机，最早使用UPC技术的是德国克虏伯1250轧机和芬兰2000轧机。3.3交叉辊技术---PC轧机轧辊交叉板形控制PC(PairCross)的原意是轧辊成对交叉，即轧机轧辊交叉板形控制技术。轧辊交叉系统的设计原理与采用带凸度的工作辊相同。通过调整轧辊的交叉角，使得距轧辊中心越远的地方辊缝越大，实现对辊缝形貌的控制。轧辊交叉等效凸度与轧辊交叉角、轧辊直径和轧件宽度有关，其关系式如下？Cr二Se-Sc=(br)"2/(2Dw)-9-式中?Cr——等效凸度；b----轧件宽度；Se 中心辊缝；r----轧辊偏转角；Dw 轧辊直径；Sc 边部辊缝。常用的轧辊交叉系统有？只有支撑辊交叉的支撑辊交叉系统；只有工作辊交叉的工作辊交叉系统；每组工作辊与支撑辊的轴线平行，而上、下辊系交叉的对辊交叉系统。PC轧机具有很好的技术性能：可获得很宽的板形和凸度的控制范围，因其调整辊缝时不仅不会产生工作辊的强制挠度，而且也不会在工作辊和支撑辊间由于边部挠度而产生过量的接触应力。与HC,CVC,SSM及W辊等轧机相比，PC轧机具有最大的凸度控制范围和控制能力。不需要工作辊磨出原始辊形曲线。配合液压弯辊可进行大压下量轧制，不受板形限制。但是由于PL轧机轧辊交叉将产生很大的轴向力，对辊子的磨损很严重因此将影响辊子的使用寿命。目前，交叉角不超过1，PC轧机加ORGX艺可以实现自由程序轧制，从而使PC轧机成为世界上先进技术的代表，目前已被世界各国普遍采用。3.4涨辊技术一VC板形可变凸度支撑辊板形控制技术VC（VariableCrown）原意为在线可变凸度支撑辊，是由日本住友金属公司于1977年开发成功的，轧机的轧辊为辊套型轧辊，主要由芯轴、辊套、密封油腔、油路、旋转连接器和高压泵站等部分组成。VC辊控制板形的原理较简单，辊套和芯轴之间设有密封油腔，通过改变油腔内的压力，即使支撑辊改变辊形（轧辊凸度）油腔压力与直径胀大在一定范围内呈线性关系，且可做无级调节，因此，可以参与到闭环板形控制系统中。VC具有较多优点？*减少支撑辊的换辊次数，避免贮存多个不同辊型的轧辊；*可补偿轧辊磨损及热辊形；*在带材轧制加、减速阶段，可有效补偿因轧制速度的变化引起的轧制力波动和轧辊凸度变化；*在线改造方便，仅需用VC辊代替原有支撑辊即可。但VC也有局限性？*VC辊制造较困难；-10-*高压旋转接头及油腔密封维护难；*调整轧辊凸度的幅度较小。3.5轧制力分布控制技术一DSR动态板形辊高精度板形控制DSR动态板形辊高精度板形控制（即轧制力分布控制）技术，是由法国VAIClecim公司于20世纪90年代推出的，主要由静止辊芯、旋转辊套、7个柱塞式液压缸、推力垫及电液伺服阀等部分组成。DSR动态板形辊多用于四辊轧机的支撑辊，可成对使用，也可单独使用。其工作原理?根据板形仪测量计算出的实际曲线与目标板形曲线比较，得到一组偏差，通过7个单独调控的液平直度）控压压下缸，沿整个带宽经旋转辊套给板带分布相应的轧制力，来进行高精度的板形（制。DSR动态板形辊高精度板形控制具有突出的优点，是高精度板形控制执行器的一次历史性飞跃。主要表现在？*能消除对称性和非对称性的板形缺陷；*板形控制不影响厚度控制；*能动态高精度控制板形。充分发挥DSR方式高精度板形控制能力的关键，在于板形仪系统的测量精度、计算精度以及偏差转换为伺服阀调控信号的精度。一般板形仪应达到1I单位的测量精度。DSR虽有突出的优点，但其结构相对复杂，检修和维护难度大，且价格昂贵，因此目前尚未大范围普及。在中国，DSR技术率先在上海宝钢2030冷轧机上得到应用，中国铝业河南分公司郑州冷轧厂正在建设的四辊2300冷轧机也引进了该技术，该项目预计2008年年底正式投产。目前，在世界上还流行一种称为轧辊热喷淋板形控制先进技术，它具有投产小、改造周期短的特点，比较适合已建设备的在线改造。这项轧辊热喷淋板形控制先进技术是由澳大利亚工业自动化服务公司开发的，该系统是由计算机控制软件和边部热喷淋系统组成。在轧辊两侧安装有两个热喷淋装置，每个装置上安装有数个喷嘴，每个喷嘴的控制范围为25毫米，在轧机工作时实施喷淋加热。该系统有效地解决了高速轧制时，因轧辊热凸度引起的边部张紧的板形缺陷，提高了轧制速度，减少了断带几率。-11-结语板形控制是一项综合技术，生产中必须通过先进的控制手段与工艺参数的合理匹配，才能获得理想的板形。比较研究进一步证明，目前的各项板形控制技术都同时具有优势