热轧工作辊窜辊系统的应用.docx

热轧工作辊窜辊系统的应用杨澄(武汉科技大学 湖北 武汉 430081)摘 要 :对板形和影响板形的因素进行了说明 ,指出板形良好的条件是消除带钢纤维内应力或将纤维内应力控制在弹性范围内 ;介绍了窜辊在板形控制中的应用 ; 并根据目前窜辊系统控制中存在的问 题 ,提出改进措施 ,取得了较好效果 。关键词 :工作辊 ;窜辊 ;板形 ;控制中图分类号 : tg335. 11 文献标识码 :b文章编号 :1008 - 4371 (2005) 02 - 0013 - 06appl ication of roll shift system of work roll f or hot roll ing millyang chen(wuhan university of science and technology ,wuhan 430081 ,china)abstract :the present paper describes the strip shape and factors affecting it and points outthat the conditions for excellent strip shape are elimination of the inner stress of the fiber of steel strip or control on the inner stress of the fiber within the range of plasticity and introduces the appli2 cation of roll shifting in the strip shape control and puts forward measures for improvement of the problems existing in the control of the roll shifting system. in the end excellent results are achieved.key words :work roll ;roll shift ; strip shape ;control进入 21 世纪以来 ,在 4 项精度 ( 厚度精度 、宽度精度 、ft7 精度 、ct 精度) 已经稳定在高水平的 今天 ,热轧板形质量已经成为衡量热轧带钢产品 质量的主要指标之一 ; 而工作辊窜辊系统对改善板形有一定的作用 ,因而对工作辊窜辊系统进行 研究和完善就成为重要的课题 。不对称度表示带钢的不对称浪形 。1 . 2影响板形的因素1影响板形的因素很多 ,很复杂 ,主要有以下几 方面 。力学条件 :带钢沿宽度方向轧制压力 p ( x) 、 弯辊力 fb 、辊间接触压力 q ( x)几何条件 :原始辊型 d ( x) 、负荷辊型 dv ( x)、热胀辊型 dt ( x) 、磨损辊型 dw ( x)来料条件 :来料板廓 、轧件钢种特性 、轧件厚 度 、轧件宽度 、轧制长度等 。轧制过程中带钢的凸度取决于负载下轧辊的 凸度 、金属的流动和带钢的原始板形 。轧机的辊 缝形状影响了带钢的板形 。轧辊的空载凸度 = 轧辊原始辊型 + 轧辊热态 凸度 + 轧辊磨损凸度轧辊的负载凸度 = 轧辊空载凸度 + 轧辊挠度+ 轧辊弹性压扁 以上因素决定了轧机的辊缝形状 ,构成了板形数学模型的主要参数和控制因素 。通过制定原 始辊型制度 ,控制弯辊和窜辊 ,来改善带钢的凸度1板形问题理论分析1. 1板形定义板形包括带钢的板廓和带钢的平坦度 。 板廓即带钢的凸度和楔形 ,表示带钢的横向厚度差用凸度和楔形表示 。 平坦度包括带钢平直度 、不对称度 ,表示带钢的浪形 ,用纵向带钢的延伸差值表示或用带钢的 浪形高度表示 ;平直度表示带钢的综合对称浪形 ,收稿日期 :2004 - 11 - 14作者简介 :杨 澄 (1969 -师 .) ,男 ,湖北武汉市人 ,工程13武钢技术 2005 年第 43 卷第 2 期杨澄热轧工作辊窜辊系统的应用和平直度 。1. 3板形不良的产生机理如果带钢的入口凸度和入口厚度的比值与带 钢的出口凸度和出口厚度的比值相等 ,则轧出的带钢是平直的 ,带钢的平直度为零 ,即 :s e = c入 / h入 - c出 / h出 = 0当入口比值与出口比值不相等时 ,带钢边部 纤维与中部纤维的延伸长度不相等 ,纤维间产生 内应力 ;内应力在一定的范围内 ( s e) ,只发生弹 性变形 ;当纤维之间的内应力超出弹性范围 ,则纤 维之间会产生塑性变形 ,产生中间浪或两边浪 ,造 成板形不良 。板形控制就是消除带钢纤维内应力 或控制在弹性范围内 ,使带钢的纵向纤维内应力 值趋近于零 ,从而得到良好的凸度和平直度 。1 . 25 mm/ s 、最大机架延伸 0 . 5 mm 、plc 和网络响应时间约 为 0 . 25 s 时 , 两 块 钢 之 间 窜 动 周 期 为10 s 。位置传感器的类型是 btl5 - e17 - m500 - b- ka05 ,行程为 500 mm 。2 . 4定义当工作辊中心线与轧制中心线重合时 ,称为 工作辊处于零位 。上工作辊向工作侧窜动 ,同时下工作辊向传动侧对称窜动为正向窜动 ,反之为负向窜动 。2 . 5工作辊窜辊条件(1) 上下工作辊的间隙大于或等于 0 . 5 mm ; (2) 工作辊转动速度大于或等于正常转动速度的 10 % 。2 . 6轴向推进负荷和窜辊力的平衡如果工作辊的轴向力指向工作侧方向 ,该力 完全由窜辊装置传递给机架平衡 ;如果工作辊的轴向力指向传动侧方向 ,滑动 轨道支撑在弯辊块外侧的 t 型钩上 ,弯辊块承受轴向力 ;在无负荷的情况下 ,弯辊块的键平衡这些力 。2 . 7操作方式通过计算机键盘 ,有下列两种方式可以选择 。2 . 7 . 1手动方式分 3 种(1) 手动窜辊方式 :操作工通过键盘输入窜辊 值 ,上下工作辊以轧制中心线为基准进行对称窜 动 。(2) 锥度调节方式 ( 边部减薄窜辊方式) : 工 作辊的锥度与带钢的接触宽度保持一个常数 。下列参数通过计算机输入 : l 工作辊辊 身长度 ; b 工作辊锥体长度 ; w 带钢宽度 操作工通过计算机键盘键入带钢边缘接触锥 体的恒定长度 v u , 工作辊窜辊 plc 根据下列公式计算出窜辊值 : s = l / 2 - b - w/ 2 + v u一般 v u 值在 60100 mm ,当该值超出这一范 围 ,在计算机画面上将有一个提示信息 。(3) 周期循环窜辊方式 :工作辊在两块钢之间 以一个恒定值窜动 ,该恒定窜辊值通过计算机键 盘输入 ,工作辊窜动达到最大允许位置后 ,改变窜辊信号 ,工作辊继续向反向窜动 ,如此往复进行 。2 . 7 . 2自动窜辊方式 窜辊位置由计算机进行设定 ,操作人员根据工艺需要选择自动窜辊策略 。(1) 循环窜辊策略 :同手动循环窜辊方式 。2工作辊窜辊系统简介2. 1控制目标(1) 改善轧辊磨损形状 ,控制边部减薄 ;(2) 改善轧辊磨损 ,允许自由轧制 ; 提高热装 比例 ,提高单位轧制量 ;(3) 使用锥形工作辊 ,实现超平材轧制 ;(4) 均匀工作辊热膨胀 ,实现轧制取向硅钢不 减产 。这一功能与弯辊功能相联系 ,可以改善热带钢轧机对板形的控制能力 。2. 2工作原理f4f7 机架工作辊从轧制中心线横向窜动150 mm 。 液压装置允许工作辊在两块带钢轧制的间隙时间进行窜动 ,窜动最大速度为 20 mm/ s ,最小速 度为 5 mm/ s 。使用行程 :300 mm总行程 :370 mm (70 mm 超行程)2. 3技术数据窜动装置数量 :每架 1 套窜动 液 压 缸 : 4 个 ( 每 工 作 辊 2 个 ) , 直 径220/ 125 mm ,行程 370 mm夹 紧 缸 : 2 个 ( 出 入 口 各 1 个 ) , 直 径125/ 90 mm ,行程 500 mm工作压力 :窜动缸的额定压力为 9 mpa ,最大 压力为 50 mpa ;夹紧缸的工作压力为17 mpa窜动速度 :高速 20 mm/ s ,低速 5 mm/ s窜动 周 期 : 在 行 程 50 mm 、最 小 压 下 速 度14wisco technology 2005 , 43 (2)科研与生产(2) 单向循环窜辊策略 :工作辊经过多次窜动窜至正向最大 ,然后由正向最大一次窜至负向最 大 ,再由负向最大经过多次窜动至正向最大 ,如此往复进行 。(3) 优化窜辊策略 : 窜辊按步长窜动 ,窜动幅 度逐渐从小到大 ,再从大到小 ,不断重复 。(4) 全自动窜辊策略 :窜辊位置由计算机计算 给出 ,其计算方法是按工作辊长度 2 000 mm 分成40 片 ,每片 50 mm ,计算每一片的磨损 ,根据工作辊各区域最大和最小磨损情况确定最佳窜辊位 置 。工作辊的磨损计算由弯辊模型计算给出 。(5) 边部减薄控制窜辊策略 :同手动锥度调节 方式 。根据武钢热轧厂的设备状况和实际情况 ,目前采用手动循环窜辊方式 。无论如何使用工作辊 ,轧辊中部部分始终存在磨损 ,该处磨损称为绝对磨损区 ;由于工作辊窜 辊 ,轧辊磨损宽度相对增加 (该处磨损称为相对磨损区) ,因此带钢的相对宽度增加 ,从而提高了工 作辊的有效使用面积 ,局部磨损分散 ,轧辊磨损更 加均匀 。3 . 1 . 3热膨胀辊型 工作辊窜辊可以使工作辊磨损均匀 ,分散轧辊热膨胀 , 提高同一规格轧件的轧制量 , 改善板型 ,增大轧制计划对轧制规格的适应性 ,提高轧辊 使用寿命 。这种窜辊对于轧制硅钢特别有效 。以上 3 种辊型再加上轧辊挠度和轧辊弹性压 扁就构成了轧辊负荷辊型 。3 . 2 使用工作辊窜辊轧机的特点(1) 由于板宽以外部分上下各有一侧消除了 工作辊和支持辊的接触 ,故可以减小工作辊轴线 的挠度 。(2) 加在工作辊轴承上的弯辊力效果增大 。(3) 由于板边部处工作辊曲线是锥形的 ,所以 可以减小边部减薄 。3 . 3 工作辊窜辊应用于 hcw 轧机的板形控制方法3 . 3 . 1 板凸度控制方法 ( hc)板凸度控制方法包括通过工作辊的轴向移动 来调节传统的带凸度工作辊和支撑辊之间的轴向接触长度 。 工作辊窜辊能够改变带钢边缘附近的轧辊磨损 ,同时可改变工作辊和支持辊之间的轴向接触 长度 。降低板凸度 ,扩大板凸度的控制范围 。图1 给出了单机架 hcw 轧机板凸度控制能力的模拟结果 。其中 , f 为每个轴承座的作用力 , 工作 辊端部与带钢边部的距离用 c 表示 。当 c 减小 时 ,板凸度降低 , 而弯辊系统的凸度控制能力增 大 。当工作辊的端部与带钢边部非常接近时 ,弯 辊的影响效果几乎翻了一倍 。板凸度几乎不受轧制力变动影响的状态被称 为板断面形状稳定状态 。在传统的四辊轧制中随 着轧制力的增加 ,有必要增加相应的正弯辊力 ,以 保持板凸度稳定 。然而 ,在 hcw 轧机中 ,为校正 相同的轧制力变化所带来的影响 ,所需要的弯辊力要小得多 。3 . 3 . 2单侧锥形辊的位置控制方法 根据这种方法 ,通过轴向移动具有单侧锥形的工作辊 ,来实现板凸度控制 。已经开发了两种 改进形式 。3工作辊窜辊在板形控制中的应用3. 1 影响辊缝形状几何条件分析影响辊缝形状的几何条件有原始辊型 、磨损 辊型 、热膨胀辊型和负荷辊型 。3 . 1 . 1 原始辊型原始辊型对轧制单位的前 3060 块钢的板形 有影响 。轧制前可以根据轧制规格 、轧制钢种 、生产计划和设备状况制定出原始辊型 。由于使用窜辊后 轧辊磨损区域变宽 ,局部磨损减少 ,因而某一种原始 辊型的适用范围变宽 ,有利于板形的控制 。3 . 1 . 2磨损辊型 轧辊在轧制过程中始终存在磨损 ,而磨损状况根据轧制单位的结构 、轧制长度及材质不同而 有较大的区别 。通常的轧制单位要求在烫辊材和 过渡材后 ,立即轧制最宽材 ,以充分利用工作辊横 断表面 ,轧制更多的带钢 。由于工作辊存在局部 磨损 ,为避开局部磨损区 ,其同断面轧制量受到一定限制 ,轧制规格逐渐从宽减到窄 ,直到最窄料轧 制完成 。(1) 不窜辊轧制会产生明显的局部阶梯磨损 , 窜辊轧制使轧制长度增加而局部阶梯磨损明显减 少 ,因此不窜辊轧制有明显的轧制量的限制 ;(2) 由于会产生局部磨损 ,将相似长度的两种 轧制方式进行对比 ,窜辊轧制的磨损比不窜辊时 减少约 50m ;(3) 使用窜辊后 ,轧辊磨损区域变宽 ,轧辊利 用面积增加 ,相对轧制量增加 。15武钢技术 2005 年第 43 卷第 2 期杨澄热轧工作辊窜辊系统的应用周期横移方法是一种最有利的手段 。它的主要用途在于实现自由程序轧制 ,并获得稳定的板 凸度 。(1) 自由程序轧制 。为减小普通热轧机的轧 辊在带钢边部处的局部磨损 ,每次换辊后对轧制 顺序的编排必须予以限制 。在宽度方面 ,必须对 于所轧制的相同或相似规格的产品 ,按一定的模 式编制轧制顺序 。这一顺序通常是由先轧窄卷开 始 ,然后迅速增加宽度直到最大值 ,之后按带卷宽度逐渐递减的方法轧制 。这样的一个轧制周期使 用一个固定的轧制规程 ,如图 3 。图 1 hcw 轧机的板凸度控制能力(1) 锥度调节法 ( ta) , 根据带宽进行工作辊横移 ,以使板凸度和边部减薄最小 ;hcw 轧机采用 ta 方法 ,可通过工作辊锥形 部分在带钢边部的定位 ,来降低板凸度和边部减 薄以改善板形 。在带钢宽度方向工作辊锥度部分开始点的最优位置是一个关于板厚和板宽的函数 。图 2 表示 ta 方法用于减小板凸度的一个模拟结果 。带钢 边缘与工作辊锥形区开始点之间的距离称为有效 锥长 ,用 e 表示 。随着有效锥长的增大 , 即锥形 开始点深入 ,离带钢边缘越远 ,板凸度就越小 。a . 棺形轧制规程 ; b. hc 轧机的自由程序轧制图 3 两种类型的轧制规程这种固定的轧制规程是为了避免当先轧制一些窄卷后再轧制更宽带材是在断面上形成局部高 点 。带钢边部对轧辊的过度磨损 ,使轧辊辊型面呈阶梯形 ,从而导致了局部高点的形成 ;通过工作辊的轴向横移 ,可以使轧辊的磨损呈更加均匀的 分布 。这就允许以任意的最理想的顺序轧制各种 宽度的板坯 ,因而实现了自由程序轧制 ,如图 4 。图 2 单侧锥工作辊的板凸度控制能力( 锥度 60m/ 100 mm ;带钢厚度 2 . 7 mm ;宽度 1 220 mm ;材料为低碳钢 ; f 为每个轴承座的作用力)(2) 锥度振荡法 ( to) , 这种方法通过使单侧锥形工作辊在一个小行程内往返横移 ,以减小板 凸度 ,同时防止与带钢边部接触产生的轧辊局部 不正常磨损 。3 . 3 . 3 周期横移方法 ( cs)周期横移的主要目的在于 ,通过保持一个恒 定的磨损轮廓和工作辊热断面形状来避免局部高 点 ,从而实现自由程序轧制 ,通过工作辊的轴向移 动可以达到这一目的 。图 4 轧辊横移对于磨损和热凸度的影响16wisco technology 2005 , 43 (2)科研与生产值得提出的是 ,尽管精轧机组的所有轧辊都有磨损 ,但 f1f3 机架轧辊磨损能够传递到带钢表面 上的部分并不显著 ,而下游机架轧辊磨损产生的影响则急剧增加 (如图 5) 。这也说明了为什么在下游 机架使用轧辊横移要比在上游机架更有效 。磨损量随轧制卷数的增加呈线性增加 ,轧完 10 卷后就达到选定的允许极限 10m. 在以 a 方式进 行轧辊横移时 ,辊移参数 s = 20 mm , n = 1 ,即每轧完 1 卷 ,轧辊横移 20m 。这样 ,轧完 50 卷后 才能达到轧辊的磨损极限 。采用 b 方式进行轧辊横移能进一步降低轧 辊的局部磨损 , 这种方式每次横移的增量 s 值 较小 ,而横移前的轧制卷数 n 较大 。这样 ,在达到允许局部磨损极限 10m 前 ,可以轧到 140 卷 。图 5 轧完 100 卷后轧辊磨损对所轧带钢的影响(2) 板凸度稳定化 。在两次换辊之间 ,板凸度变化的主要原因是由于磨损和热凸度所造成的工 作辊辊型的变化 。cs 法可以改善轧辊磨损的分布 ;cs 法的另一个特点是能减小热凸度并使其重 新分布 。(3) cs 法的优化 。cs 法的优化可以通过选择适当的横移方式来实现 。横移方式用以下几个 参量描述 :横移量 s ; 横移幅度 s a 即 s 的最大允 许值 ; 相同横移量 s 下所轧的卷数 n ; 横移增量 s 即卷完 n 卷后横移量 s 的增加值 。图 6 为日本日立公司对用于一架 hcw 轧机 的 cs 法优化研究的结果 。这项研究假设横移幅 度 s a = 100 mm ,带宽 w = 1 000 mm ,分别对应三 种轧辊横移方式模拟轧完 140 卷后所产生的轧辊 局部磨损 ,单位直径上的轧辊局部磨损量 w 表 示为带钢边部的轧辊磨损与带钢中部的轧辊磨损 量之差 。带钢中部单位半径上的轧辊磨损cm = a p l / ( w l d r)式中 a 磨损系数p 轧制力l 轧制带钢的总长度w 带钢宽度l d 轧辊接触弧长度r 轧辊半径 带钢边部单位半径上的轧辊磨损量ce = k cm图 6 不同的周期横移方式及对应的局部轧辊磨损3 . 3 . 4 磨损补偿横移 (wcs) 法2磨损补偿横移 (wcs) 法是由日本新日铁公司 设计的 ,用在 hcw 轧机上使自由程序轧制与板凸度控制更为协调 。为了获得最佳的凸度控制 ,工作辊通常要移 到一个它们的末端与带钢边缘距离最佳的位置 上 。然而 ,对轧辊磨损而言 ,这一位置并不一定是最佳位置 。 当最初的平辊通过周期横移 减 小 局 部 磨 损时 ,与带钢边部接触的轧辊磨损量较轧辊的中部 要小 。这样 ,工作辊的断面就会变成图 7 所示的 梯形 。当所轧产品为同宽或接近同宽时 ,这一现象更为明显 。这种梯形的轧辊磨损的主要缺陷在 于导致产生了较大的板凸度 。解决这一问题的方法是采用断面为等腰梯形 的工作辊 ,从而补偿将来的梯形磨损 。然而 ,这种 方法仅限于轧制有限卷数的宽度相近的产品 。为消除这一局限性 ,可以采用不等腰梯形断面的工 作辊 (如图 7) ,并按下式确定横移量 s :s = s c + s 0 + sw式中s c 使轧辊磨损最初起始点与板带相吻合所要求的轧辊横移量s 0 振荡横移量sw 磨损补偿横移量式中k 磨损系数 , k = 1. 3如图 6 所示 ,在不使用轧辊横移时 ,轧辊局部17武钢技术 2005 年第 43 卷第 2 期杨澄热轧工作辊窜辊系统的应用sw 可以由下式给出 : sw = c1/ tan c1 轧辊总磨损量不等腰梯形的斜边角 这种被称为磨损补偿横移 ( wcs) 法的轧辊横的退废量较大 。热轧设备经过 20 多年的使用后 ,功能退化 ,系统老化 ,影响了窜辊功能的发挥 。式中5系统控制的改进移方式 ,将轧辊磨损的锥形起点外移 ,从而保持了中部轧辊磨损轮廓线的平坦 。这样就达到了以下 两个目的 :(1) 减小了板凸度 ;(2) 消除了板带断面上的高点 。增加在一个小范围内 (0正向最大值) 窜辊的功能 ,这样在使用 asr 锥形辊时带钢边部在锥 形区停留时间明显加长 ,可有效减小硅钢产品的凸度和楔形 。 目前正在进行热轧设备整体 改 造 的 方 案 设计 ,