板形控制技术绪论

1 板形控制技术ShapeControlTechnique 安徽工业大学材料科学与工程学院材料成型与控制工程系2006 8 2 绪论 背景意义发展问题 3 背景 板带材是广泛应用于国民经济各部门的重要材料 是钢铁工业的主干产品 板带的材料性能 几何尺寸和表面质量是其主要质量指标 而板带的几何尺寸精度包括厚度和板形两项内容 目前 板厚控制精度己经达到令人满意的效果 厚度控制技术可以将板带的纵向厚差稳定地控制在成品厚度的 1 或 5 m甚至 2 m的范围内 而板形控制技术尚未达到稳定成熟的地步 4 板形是影响板带轧制正常进行的一个重要的工艺因素 七十年代以来 板形研究一直是国际上板带生产技术领域的前沿和热点 而且目前板形问题仍普遍存在 从板形技术多种形式并存的现实可知 板带技术仍在发展中 因而有关板形的研究无疑具有重大的理论价值和现实意义 5 良好的板形不仅是带钢用户的永恒要求 也是生产过程中保证带钢在各条连续生产线上顺利通行的要求 改善带钢产品的板形一直是板带生产的关注重点 板形理论和板形控制设备及技术的研究在近几十年来一直是本领域中的热点课题 并己经取得长足的进展 6 板形控制技术的意义 在板带钢生产中 轧制钢板的宽度越大 成品板的厚度越薄 则带钢的板形缺陷越严重 尤其用户对汽车钢板 镀锡钢板 硅钢板以及航空铝板等冷轧薄板的平直度又有很高的要求 因此在这些薄板生产中 除了采用计算机实现板厚控制 速度控制 位置控制 温度控制以外 板形控制也是一个不可缺少的环节 7 快过程 非线性 连轧过程特点 轧制过程的特点 8 板形控制不仅对冷轧带钢有意义 而且对热带钢的生产来说也是十分重要的 因为它不仅对于提高热带钢的平直度和减小带钢的横向厚度差有着极为重要的影响 而且也会直接影响后续带钢冷轧过程中板形质量的改善 从这种意义上说 热带钢轧机对板形控制技术的要求更为迫切 板形控制在中厚板轧机上也获得应用 在钢板厚度比较大的情况下 板形影响虽然不太明显 但是在这类轧机采用板形控制以解决钢板的横向厚差也是十分有效的 因此 目前在各类轧机上都极其重视板形检测和板形控制技术的应用 9 但是 由于板形概念比较模糊 影响带钢平直度的因素又极为复杂 板形检测控制在技术上还存在着很大困难 因而 从应用角度来看 还不及板厚控制系统广泛 根据有关资料介绍 我国每年由于板形不良造成的经济损失十分严重 如果我国板带生产能力能够广泛采用各种新技术提高板形质量 经济效益将十分可观 所以 学习掌握板形控制技术是一项具有巨大经济意义的课程 10 板形控制技术的发展 关于板形问题的研究和应用始于60年代 M DStone的弹性基础梁理论和液压弯辊的实用研究 使板形问题取得了较大突破 板形控制技术从控制途径上划分为工艺方法和设备方法两大类 板形控制的工艺方法主要有 11 1 合理安排不同规格产品轧制 a 合理制订轧制规程 b 轧制调温法 这种方法是通过改变工作辊的温度分布 使工作辊的凸度发生变化 从而控制板形 具体又分为局部加热法和局部冷却法 c 张力控制法 通过改变张力横向分布来调节轧制力的横向分布 并改善辊缝内金属的横向流动状态 实现对板形的控制 12 2 异步轧制法 使轧件在上下两个圆周速度不同的轧辊件完成轧制过程 在形式上分为异速轧制和异径轧制 即使轧件在变形区受到搓轧作用 消除磨擦峰从而降低轧制力 使轧件在变形区沿横向的延伸率趋向一致 以后各国相继进行这方面的研究 工作开展的相当活跃 13 随着板形基础理论研究的不断深入 及用户对板形质量要求的不断提高 板形控制技术经历了辊型配置 轧辊冷却 可变凸度轧辊 轧辊横移及轧辊交叉等发展阶段 从20世纪80年代起开始进入实用阶段 开发出了各种各样的新型轧机 14 3 液压弯辊技术加拿大Aclan公司率先于1965年采用液压弯辊作为调节板形的主要手段 于1969年配以板形检测仪构成闭环控制 大幅度提高了板带材的板形质量 其基本原理是 通过工作辊或支撑辊辊颈施加液压弯辊力 来瞬时的改变轧辊的有效凸度 从而改变承载辊缝形状和轧后带钢的延伸率沿横向的分布 只要根据具体的工艺条件来适当的选取液压弯辊力 就可以达到控制板形的目的 这种方法进一步还可以分为工作辊弯曲和支撑辊弯曲 每种弯曲还可以分成正弯和负弯 液压弯辊在改善板形方面是一项基础性的工作 在板形控制方面具有重大意义 是一种有效的板形控制手段 其他方法都必须配合采用液压弯辊 15 16 17 18 19 20 21 采用液压弯辊技术 不仅对板形质量有十分显著的提高 还可以使穿带 抛钢等操作顺利进行 避免断带 堆钢等事故 从而提高作业率 减少金属消耗和损坏轧辊的几率 同时 液压弯辊技术仍存在很多问题 首先 它是通过弯曲刚度很大的轧辊来实现的 最终的弯曲曲线基本上接近于二次曲线 而实际上 轧辊在轧制中由于磨损和受热凸度变化的影响 曲线形状比较复杂 常常出现一些比较复杂的板形缺陷 例如复合波 局部波等等 这些单靠液压弯辊是无法解决的 其次 在板宽范围以外 四辊轧机的工作辊和支撑辊之间的接触压力也限制了弯辊效果的发挥 22 4 HC技术 HighCrownControlMill HC轧机是70年代日本日立公司和新日铁公司联合研制的具有中间辊横移的六辊轧机 这种轧机是在一般的四辊轧机中 在工作辊和支撑辊之间添加一对可以横向移动的中间辊 该轧机具有优良的板形和板凸度控制能力 板形稳定性好 而且可以控制边部减薄 它除了具有液压弯辊控制手段外 还有一个更重要的控制手段 横向移动中间辊 通过上 下 中间辊向反方向的横移 改变工作辊和中间辊的接触长度 使其适应板宽的变化 23 24 25 26 27 由于HC轧机的优良特性 它在冷轧领域中得到了广泛的应用 大量应用于可逆轧机 平整机 连轧机等各类轧机上 不仅可以大幅度地提高带钢的板形质量 成材率和轧机的生产效率 而且可以节约能源 减少备用辊的数目及降低轧辊消耗 28 5 CVC技术 ContinuouslyVariableCrown CVC轧机 连续可变凸度轧机 是德国SMS公司于1980年发明的 该轧机的研制成功为板形控制技术的发展开辟了新天地 这种轧机主要是由两个轴向可移动的与严格的圆锥体稍有差别的S形辊身的工作辊组成 S形辊的辊颈差和普通辊的凸度值大小相似 两个工作辊形状完全一致 但安放时互置180度 因而上下辊互补形成一个对称的轧辊辊缝形状 29 30 轧机采用的工艺控制模型和技术控制系统 31 CVC系统的原理 32 轧辊向相反方向作轴向移动 就会使辊缝的几何形状发生变化 由于移动方向和距离不同 轧辊的有效凸度会随时改变 移动距离和凸度之间是线性关系 每个轧辊的凸度调节范围约为0 500um 由于CVC辊形曲线选择的不同 轧辊的有效凸度也会发生变化 33 6 轧辊交叉系统 PC 轧辊交叉系统的主要目的是改变辊缝形状 使得距轧辊中心越远的地方辊缝越大 这种设计的板凸度控制功能与采用带凸度的工作辊相同 已知的辊轴交叉系统有 1 只有支撑辊交叉的支撑辊交叉系统 2 只有工作辊交叉的工作辊交叉系统 3 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 34 35 冷轧的板形缺陷 边浪中浪二肋浪双肋浪复合浪 翘曲度 急峻度 表示法 I单位表示法 36 产生板形缺陷的原因 轧辊弹性变形 37 产生板形缺陷的原因 轧辊热膨胀 38 产生板形缺陷的原因 其它 轧辊磨损不均轧辊冷却不均来料凸度 局部高点 变化来料变形抗力变化设备参数不对称 机架 弯辊 液压缸 轧制规程不合理 39 冷轧钢板的板形调整策略 一次板形 调单侧压下二次板形 调弯辊高次板形 调横移 弯辊局部板形 调冷却水分布 40 控制板形的措施 各种板形控制轧机 轧辊交叉轧机 PC轧机 PairCross 对辊交叉 轧机轧辊横移轧机 CVC轧机 ContinuousVariableCrown 连续可变凸度 C轧机 ighCrown 大凸度控制 C轧机 UniversalCrown 万能凸度控制 其它 VC轧辊 柔性边轧辊 锥型辊横移轧机 41 6H 3C轧机 达涅利开发 中间辊交叉 工作辊横移PC轧机 三菱开发 对辊交叉 中间辊交叉轴向力大不均匀磨损 对辊交叉 调解范围大有轴向力需在线磨辊机构复杂 1 轧辊交叉轧机 42 CVC ContinuouslyVariableCrown 轧机工作辊轴向移动辊身为花瓶型 3次曲线 通过轴向移动调整初始凸度可以在线调整凸度减少换辊 CVC轧机 技术 43 HC轧机的基本原理用可轴向移动的中间辊来适应轧件宽度变化 消除有害接触区 实现横刚度无限大 板凸度不受轧制力影响 理想状态 HC轧宽板 HC轧窄板 3 HC轧机 日立技术 44 板形控制能力的比较 45 冷轧机板形控制能力小结 6辊轧机优于4辊轧机 HC UC 轧机优于CVC轧机HC UC 锥形工作辊横移 控制边部减薄能力强CVC轧机控制边部减薄控制能力差 因为 1 不能根据宽度变化横移 2 不能使用锥形辊PC轧机板形控制能力强 但机构复杂有轴向力HC PC轧机采用平辊 容易磨削CVC的S形辊则必须采用数控磨床磨辊 板形控制能力的比较 46 柔性边轧机 其它板形控制轧机 47 VC VariableCrown 轧机 VC轧机 其它板形控制轧机 48 T WRS轧机 TaperWorkRollShiftMill 工作辊轴向移动一端带锥形段通过轴向移动使锥形段处于边部减薄的位置来补偿边部减薄 T WRS 锥型工作辊横移 轧机 49 板形研究过程中遇到的困难 板形问题甚为复杂 它主要表现为 1板形不具单一性外观上板形良好程度同样的板带 由于其内部应力分布不同 可能继续维持板形良好 也可能出现板形恶化 50 51 板形检测时 或检测其波浪度 或用张力辊检测 但它都不能确切反映板形状况 加之通称的板形既包括板带的