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1、板形控制技术及应用孙蓟泉周永红(北京科技大学)摘要概述了板形控制原理。根据有载辊缝形状方程,分析了影响板形、板凸度的诸项因素,综合介绍了板形控制技术及发展趋势。关键词板形控制板凸度辊形技术1 引言近年来,随着社会的发展和科学技术的进步,用户对高质量、高附加值、高技术难度的热轧带钢产品的需求量显著增加,对钢铁产品质量、品种、性能方面的要求也越来越高。对热轧板带来说,其性能、质量及精度要求主要包括厚度精度、板形精度、成形性能及表面质量等。由于厚度自动控制(AGC)系统的不断完善和广泛采用,特别是厚度检测设备的发展和检测信号反馈时间的缩短,使模型的自学习功能大大增强,板带的纵向厚度精度也越来越高。相
2、比之下,板形问题显得日益突出。板形精度是热轧带钢的一项主要的质量指标和决定产品市场竞争力的重要因素。目前,板形控制技术已成为热轧带钢生产的核心技术之一,也是当前轧制技术研究开发的前沿和热点。板形理论从20世纪60年代发展至今,经历了四辊轧机轧辊变形分析、三维板材轧制分析、辊系三维有限元分析等阶段;在板形控制技术方面,经历了基于负荷分配的板形控制、各种板形控制轧机(HC、CVC、PC等)、板形和板厚解耦控制、板形和板凸度以及断面轮廓综合控制等阶段;此外,液压弯辊装置的广泛应用,实现了带钢的凸度和平直度的在线调整控制。这些理论和技术的采用都使板形控制水平得到了很大的提高,板形控制精度也得到了大幅提
3、升。2 板形控制原理由于轧出带钢的断面形状即是有载辊缝形状,因此板形控制的实质就是控制带钢宽度方向上的有载辊缝,从而获得所需的带材轮廓和平直度。影响有载辊缝形状的因素较多,主要有工作辊辊形、使辊系产生弯曲变形的轧制力和弯辊力、改变轧辊辊形的热辊形和磨损辊形以及一些可控辊形技术。2.1 有载辊缝形状有载辊缝形状可用如下方程描述2:CR= PKP+ FKF+ECC+E(H+W+O)+E0式中CR-与带钢凸度有关的有载辊缝形状;P-轧制力;F-弯辊力;KP-辊系在轧制力作用下的弯曲变形,又称为轧机横向刚度;KF-辊系在弯辊力作用下的弯曲变形,又称为弯辊横向刚度;C-可控辊形,根据所采用的CVC或PC
4、等技术确定其值;H-热辊形;W-磨损辊形;O-初始辊形,根据板形控制需要,进行辊形设计和磨辊;-入口带钢凸度;E0、EC、E-相关系数。从辊缝方程中可知,影响带钢出口凸度的因素有以下三点:(1)扰动量:热辊形和磨损辊形。当负荷分配不考虑板形最优时,则轧制力亦将作为扰动量。(2)可控制量:可调节辊形(CVC或PC)。板形设定计算时,首先确定一个弯辊力,主要是确定CVC辊的抽动量或HC辊的交叉角。但CVC辊的抽动或HC辊的交叉目前仅用于空载时辊缝形状的调节,因此主要用于板形设定模型对辊缝形状的设定,而在线控制一般只用弯辊进行。当以板形最优为目标进行负荷分配时,轧制力亦是一种可控制量。(3)固定量:
5、初始辊形和弯辊力。初始辊形设计时需考虑轧制单位的特征,一旦确定,在轧制时将固定不变。弯辊力应该是可控的,但为了保留弯辊力用于轧制在线调节,在设定计算时往往将其固定于某一值。2.2 轧辊变形对板形的影响轧辊变形有两大主要原因:(1)由轧制力P引起的轧辊变形在通常轧制情况下,当在工作辊两端施加轧制力时,轧件在两辊间产生塑性变形。工作辊受到反作用力产生挠曲,使带材板形具有一种依赖于如轧机尺寸、带材硬度、宽度、轧制力、压下量等多种因素的形状。由轧制力引起的轧辊变形的另一种主要形式是轧辊压扁。轧辊压扁现象发生在轧件与工作辊的接触区或工作辊与支撑辊的接触区。(2)由板形调控机构引起的轧辊变形板形调控机构常
6、用来对轧机的辊缝形状作适当的调整,以获得良好的板形。常被用来调整辊缝形状的设备是弯辊机构,它能使轧辊产生水平或垂直面上的弯曲。弯辊力可以加在轧辊轴承座或辊身上。另一种调节辊缝形状的方法是采用可变辊形曲线的轧辊。这种轧辊通常由辊轴和套筒构成,装在辊轴和套筒之间的液压或机械动力设备可调整辊套的外形。轧辊的弹性弯曲挠度是影响辊缝形状的最主要因素。目前关于轧辊的变形模型可分为二辊轧机简支梁模型、四辊轧机简支梁模型、分割梁模型和有限元模型。2.3 可控辊形对板形的影响对于带钢轧机来说,CVC、PC、HC等装置主要用于预设定(空载时调节)来保证带钢的最终出口凸度。当采用CVC轧机时:C=-Rb2d式中b-
7、带宽;d-横向抽动量;R-辊形曲线(最大、最小直径之差);-系数。当采用PC轧机时:C= b22Dw2式中b-板宽;Dw-工作辊直径;-上下辊交叉角(相对于原平行轴线)。2.4 初始辊形对板形的影响由于轧制时轧辊的不均匀热膨胀、轧辊的不均匀磨损以及轧辊的弹性压扁和弹性弯曲,致使空载时原本平直的辊缝在轧制时变得不平直了,导致板带的横向厚度不均和板形不良。为了补偿因上述因素造成的辊缝形状的变化,需要预先将轧辊车磨成一定的原始凸度或凹度,赋予辊面以一定的原始形状,使轧辊在受力和受热轧制时,仍能保持平直的辊缝。由于轧辊热膨胀所产生的热凸度在一般情况下与轧辊弹性弯曲产生的挠度相孙蓟泉周永红板形控制技术及
8、应用7反,故在设计辊形时,应按热凸度与挠度合成的结果,定出新辊的凸度(或凹度)曲线。在实际生产中,原始辊形的选定并不完全依靠计算,而是依靠经验估计与对比。在大多数情况下,一套行之有效的辊形制度都是经过一段时期的生产试轧,反复比较其实际效果之后才确定下来的。检验原始辊形合理与否,应从产品质量、设备利用情况、操作的稳定性以及是否有利于辊形控制与调整等方面来衡量。2.5 轧辊热膨胀对板形的影响热轧时工作辊由于与高温轧件接触而使温度升高,同时冷却水会使之冷却。在轧制过程中,轧辊的受热和冷却状况沿辊身分布是不均匀的。在多数场合下,辊身中部的温度高于边部(但有时也会出现相反的情况),并且在一般情况下,传动
9、侧的辊温稍低于操作侧的辊温。在直径方向上,辊面与辊心的温度也不一样,在稳定轧制阶段,辊面的温度较高,但在停轧时由于辊面冷却较快,也会出现相反的情况。轧辊断面上的这种温度不均使辊径热膨胀值的精确计算很困难。动态热辊形是影响出口处带钢板形的重要因素。热辊形计算分为两步,首先计算工作辊的温度场,然后由温度场计算出轧辊表面的热变形。这是一个复杂的热传导问题,在计算时应考虑如下因素:(1)轧制前带材的热含量;(2)接触弧处变形功和摩擦产生的热量;(3)通过接触弧传导给轧辊的热量;(4)由于冷却导致的轧辊表面的热量散失;(5)传导给轧辊轴承的热量。2.6 轧辊磨损对板形的影响轧件与工作辊之间及支撑辊与工作
10、辊之间的相互摩擦都会使轧辊产生不均匀磨损,影响辊缝的形状。轧辊磨损与以下条件有关:(1)轧材与工作辊相接触产生轧辊表面的研磨;(2)轧辊受周期性载荷作用,表层会出现机械疲劳;(3)轧材周期性的加热和水雾冷却,导致轧辊表层的热力学疲劳;(4)腐蚀作用。由于影响轧辊磨损的因素太多,故尚难从理论上计算出轧辊的磨损量,只能靠大量实测来求得各种轧辊的磨损规律,从而采取相应的补偿措施。2.7 入口带钢凸度对板形的影响带钢获得良好板形的重要条件是来料断面形状和承载辊缝形状相匹配。通常所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,据此确定工艺参数,以获得良好的板形。在实际生产中,当来料凸度变化时,
11、已定的轧制状态就会改变,因而使板形发生变化。如图1所示,热凸度-轧制力关系曲线为1,正常的良好板形线为2,工作在最佳状态点K。若来料凸度有变化(例如来料凸度减小),这时热凸度虽然也会发生变化,但变化甚微,可以忽略,可以认为热凸度-轧制力关系曲线基本不变。但来料板凸度减小的结果使良好板形线上移至2,它要求轧辊有与K点相对应的凸度,而实际凸度仍保持原来K点的,所以带钢会产生边波。如果来料凸度增大,与上述情况相反,会产生中波。图1 来料板凸度变化对板形的影响1-热凸度-轧制力关系曲线;2,2-正常的良好板形线;K,K-最佳工作点3 板形控制技术为了补偿工作辊的挠度,可以从改变轧辊凸度入手,采用初始轧
12、辊凸度法、调温控制法、弯辊法或可变凸度轧辊。调温控制法是人为地对轧辊某些部分进行冷却或加热,改变辊温的分布,以达到控制辊形的目的。热源一般就是依靠金属本身的热量和变形热,这是不容易控制的。由于轧辊本身热容量大,升温和降温都需要较长的过渡时间,而急冷急热又极易损坏轧辊。从发现辊形反常并着手调整辊温开始,到调整至完全见效为止,要经8鞍钢技术2006年第4期总第340期过较长的时间。在这段时间里,所轧产品实际是次品或不合格品,所以对于现代高速板带轧机来说,这样缓慢的调整方法是不可能满足要求的。近年来,开发应用了可提高冷却效率的分段冷却控制方法,作为弯辊控制或其它控制板形方法的辅助手段,取得了很好的效
13、果。液压弯辊是最早开发与应用的板形控制技术。20世纪70年代后,又相继开发了一些新轧机与新技术,其辊系结构、辊形及调节方式都各有特色,主要采用了移辊技术、对辊交叉技术等,主要机型有日本开发的HC轧机、PC轧机,德国开发的CVC、UPC轧机等。3.1 轧辊辊形技术3.1.1 VC技术3日本住友金属公司研制的可变凸度(VariableCrown)支撑辊是一种膨胀凸度轧辊。VC轧辊在心轴和辊套之间有-个油腔,辊套在两端紧紧地热装在心轴上,在轧制力矩的作用下也不会松动,同时密封空腔中的高压油由液压动力机构通过旋转接头供给VC轧辊。当VC轧辊与弯辊液压缸结合使用时,就能矫正复杂的带钢平直度缺陷。VC轧辊
14、系统在带钢的中间部分比工作辊弯辊系统更为有效。与工作辊弯辊系统一起使用时,可同时对中间浪和边浪进行控制。VC辊的优点是:(1)减少支撑辊换辊次数,同时可避免储存多个不同辊形的轧辊;(2)可补偿轧辊磨损及热辊形;(3)对现有轧机进行改造比较方便,仅需用VC辊代替原有支撑辊即可。VC辊也存在以下缺点:(1)制造较为困难;(2)高压旋转接头及油腔密封维护难;(3)轧辊凸度的调节量较小。3.1.2 NIPCO技术4瑞士舒尔茨艾舍维斯研制的辊缝可控(NIPCO)轧辊,是一种典型的多施压区柔性辊身可调凸度轧辊。NIPCO轧辊是由静止心轴和可以绕静止心轴转动的筒形辊套构成的。液压压力腔位于静止心轴和辊套之间
15、。按照压力分布的情况,把几个活塞编成一组,形成几个控制区,用高压油来进行控制。NIPCO轧辊有以下优点:(1)除了能补偿挠度外,NIPCO轧辊还能在大的工作范围内,有选择地对整个宽度操作范围内单位宽度上的力和线性单位力分布进行局部控制;(2)流体静压轴承是不磨损的,与旋转方向无关,不受任何打滑、粘着的影响。(3)带有油孔的活塞像一个振动吸收器,会减轻轧辊辊缝中的垂直振动;(4)在轧制载荷下各个活塞能够移动整体轧辊的外壳,不需外部加载系统。3.1.3 DSR技术法国克莱西姆公司研制成功的动态板形辊DSR及其板形控制系统,不仅可以对轧制辊缝进行全辊缝调节,而且能够对轧制辊缝中的任意位置进行调节,能
16、够满足轧制辊缝中任意一个局部缺陷的调控要求。正常工作时,在工作辊的带动下,动态板形辊的金属套筒(辊套)可以绕着固定辊轴自由旋转。套筒内共有7个压块,每个压块装备了一个液压缸,此液压缸固定在辊轴上。板形控制系统通过对液压缸流量的控制,调整每个压块的压下,通过控制多个压块的压力分布就可以调整辊缝的分布,从而达到控制板形的目的。DSR辊目前已应用在我国宝钢2030mm冷轧机上。3.1.4 VCL技术VCL(VaryingContactLength)技术是北京科技大学与武钢和宝钢合作开发的较为先进的板形控制技术。该技术的核心是研制出一种特殊的支撑辊辊形曲线,使辊系在轧制力作用下辊间接触长度能与带钢宽度相适应,从而减小或消除辊间两端部的有害接触区,提高辊缝抵抗轧制压力波动的能力,同时可以更好地发挥弯辊的作用。3.2 液压弯辊技术利用弯辊控制法,通过控制轧辊在轧制过程中的弹性变形,达到控制板形的目的。所谓液压弯辊技术,就是利用液压缸施加压力使工作辊或支撑辊产生附加弯曲,以补偿由于轧制压力
