第11讲 冷连轧艺过程的板形控制技术.doc

轧材质量控制与深加工技术第十讲 冷连轧工艺过程的板形控制技术1 轧机板形概念板带材冷轧机的发展，其基本设计思想是如何提高冷轧板带的产量和质量、减少建设成本和维护费用。板带材产品有四大质量指标：板形精度、厚度精度、表面质量、力学性能。厚度精度是指板带材的平均厚度。由于现代液压、检测和控制技术的发展，自动厚度控制AGC (Automatic Gauge Control)的引入，使得厚度控制精度大大提高，至90年代末发展已经比较成熟。表面质量是指带钢表面的缺陷情况和涂镀质量。力学性能是指带钢的强度和延展性。板形的概念并不统一，有些专家认为板形就是板带材的平直度(Flatness)，这也是板形的主要外观体现，当平直度不好时，带钢会发生瓢曲，这时就认为带钢的板形不好；但有些专家认为板形应该包括横向厚差Profile(也称为凸度Crown)和平直度二个指标。我们认为后一种观点更为合理，因为这二个指标分别从带钢横向和长度方向定义带钢的形状，凸度和平直度之间有着密切的关系，调整凸度会对平直度产生直接影响。在实际生产中也是通过调整轧机有载辊缝来控制带钢凸度，最终以实现良好的平直度。平直度Flatness横向厚差Profile或凸度Crown带钢图1. 凸度和平直度的测量方向横向厚差 (也称为凸度)是带钢横向的指标，表现有多种形式：a.平形 b.楔形 c.凸形 d.凹形 e. W形 f. M形图2. 带钢断面图根据轧制工艺的要求，带钢的凸度并不是保持水平最好，而是要具有一定的凸形凸度。因为在轧制时，如果要保持带钢不跑偏，必须要求带钢具有一定的凸形凸度，才能被限制在轧辊的中间稳定轧制。凸度通常是不均匀的，为研究方便，通常将凸度分解为常数部分、一次部分、二次部分和高次部分，下图是以上各部分的叠加和分解情况：高次部分二次部分一次部分常数部分图3.凸度分解图平直度是带钢长度方向上的指标，表现形式为不同位置和大小的瓢曲。 a.中浪 b.边浪c.中浪形成原因 d.边浪形成原因图4. 平直度概念图 a.平直度良好 b.中浪 c.边浪图5. 平直度的实际照片a.侧弯 b.中浪 c.边浪 d.二肋浪 e.小边浪 f.小中浪 g.小偏浪 h.斜浪图6. 平直度不良发生瓢曲的多种形式产生带钢板形不良的原因是延伸率在带钢横向上分布不一致造成的。下面通过二个例子说明这个问题：例一：凸形板轧成平形图7. 凸形板轧成平形此时带钢中部的延伸率比边部要大，中部延伸得长，必然造成中浪，如下图所示：图8. 凸形板轧成平形后必然出现中浪例二：平形板轧成凸形图9. 平形板轧成凸形此时带钢中部的延伸率比边部要小，边部延伸得长，必然造成边浪，如下图所示：图10. 平形板轧成凸形后必然出现边浪从上面的二个例子也可以看出，凸度和平直度之间的之间影响关系。如果根据来料带钢的凸度控制好轧后带钢的凸度，平直度也可以保持良好。如果忽略轧后带钢的回弹，则轧后带钢的凸度，就是轧机有载辊缝的形状。这些因素的影响关系，可用下图表示：根据来料凸度控制好轧机的有载辊缝理想的轧后带钢凸度良好的平直度图11.获得良好平直度的条件轧机的机型，对其有载辊缝的控制能力起重要作用，因此对产品的板形质量也起着重要的作用。现将目前国际上的主流冷轧机的机型加以归纳总结，以板形控制能力为主要指标，兼顾建设成本、维护费用和产量，对各种轧机的特点进行定性和定量的分析，为冷轧机的选型提供参考。2 各类轧机机型分析从轧辊数量上来分：有两辊、四辊、六辊和多辊轧机。冷轧薄板轧机目前的主流机型是六辊轧机和四辊轧机。六辊轧机和四辊轧机比较，增加了中间辊，因而可以通过减小工作辊直径，减小轧制负荷，增大道次压下量，减少连轧机的机架数量，据统计可比同类四辊轧机提高产量约20%左右1。同时，增加一对中间辊可以使轧机刚度增加，对厚度控制和板形控制的都有好处。从板形控制手段来分：目前国际上主流的轧机机型分四大类型介绍如下：2.1 HC(High Crown)轧机（轧辊轴向串动的圆柱辊轧机）日本日立公司于1972年首创，现已发展成HC系列，其设计原理是利用圆柱形的中间辊或中间辊与工作辊的轴向移动进行板形控制，以得到良好板形。 a. 普通四辊轧机 b. HC轧机有害接触区使轧辊弯曲 c.有害接触区 d. HC轧机改变轧辊的受力图12. HC轧机原理HC系列轧机具有以下特点：(a)具有良好的板凸度和板形控制能力，由于它的中间辊可以轴向移动，改变了工作辊和支撑辊的接触应力状态，消除了有害的接触应力，使工作辊弯曲减小，由于带材边部减薄量减少，减少了裂边和切边量，轧制成材率可提高1-2%;(b)可采用小直径工作辊、大压下量，减少轧制道次和连轧机机架数量；(c)工作辊可不带原始凸度，以减少磨辊、换辊次数及备用辊的数量。据统计，从1972年到2000年，共计供货359台。HC系列轧机主要有如下6类：(1) HCM轧机在原四辊轧机的工作辊与支撑辊之间增加一只中间辊，中间辊可以左右轴向串动，利用工作辊的正负液压弯辊和中间辊的轴向移动来控制带钢的平直度。常用于热轧、冷轧和平整。图13. HCM轧机原理(2) HCW轧机工作辊可以轴向移动的四辊轧机，利用工作辊的正负液压弯辊和工作辊的轴向移动来控制带钢的平直度。常用于热轧厚板材。图14. HCW轧机原理(3) HCMW轧机HCMW轧机工作辊和中间辊均可轴向串动，利用工作辊的正负液压弯辊和工作辊、中间辊的轴向移动来控制带钢的平直度。常用于热轧带钢。图15. HCMW轧机原理(4) UCM轧机HCM轧机增加中间辊弯辊装置，就成为UCM轧机。利用工作辊、中间辊的液压弯辊和中间辊的轴向移动来控制带钢的平直度。轧制薄板或高硬度的材料，使用小直径工作辊是有利的。但工作辊由于直径过小而刚性降低，也会出现带钢边部减薄，难以保证板形。因此为抑制小直径工作辊的整体弯曲，对可移动的中间辊也增设弯辊装置，这便是UC轧机。图16. UCM轧机原理UC轧机根据辊径DW和辊身长度L的比值，分为三类：(a)UC-1轧机，DW/L=0.4-0.2；(a)UC-2轧机，DW/L=0.2-0.1；(a)UC-3轧机，DW/L0.1。UC-1轧机包括UCM和UCMW轧机。当工作辊的直径很小时，工作辊的水平挠曲则成为不可忽视的问题。为防止挠曲，UC-2和UC-3轧机装备了水平支撑装置。图17. UC-2, UC-3轧机原理(5) UCMW轧机HCMW轧机增加中间辊弯辊装置，就成为UCMW轧机。利用工作辊、中间辊的液压弯辊和工作辊、中间辊的轴向移动来控制带钢的平直度。根据带钢的宽度，移动中间辊和工作辊的轴向位置，调整轧辊之间的接触长度，改变辊间接触应力的分布，消除有害接触，达到减少工作辊的弹性挠曲，改善带钢边部减薄的目的。图18. UCMW轧机原理UCMW轧机各种板形调控手段的效果如下图所示：图19. UCMW轧机板形调控手段的效果(6) HVC(Horizontal and Vertical Control Mill)HVC轧机是波鸿钢铁公司和西马克公司共同开发的轧机，也称为HS (Horizontal Stabilization)轧机，即横向稳定轧机。该轧机是根据HC轧机的原理，增加了工作辊的水平调节装置，通过对辊缝的水平和垂直控制，最佳地控制带材的平直度。2.2 轧辊轴向串动的非圆柱辊轧机(1) CVC(Continuously Variable Crown)CVC轧机是德国SMS公司于1982年提出的，称为连续可变凸度轧机，有两辊(CVC-2)、四辊(CVC-4)和六辊(CVC-6)三种结构形式，有工作辊、中间辊和支撑辊三种传动方式，轴向移动可以是工作辊、中间辊或两者同时进行。CVC轧机是将工作辊或中间辊的辊面设计成S形瓶状表面，大小直径差为0.4-0.7mm，两轧辊大小头在轧机上相互成180方向配置，可以沿轴线相反方向移动，形成正负辊缝凸度，因轴向位移是无级变化的，所以便形成了连续变化辊缝凸度的控制效果。图20. CVC轧机工作原理CVC轧机具有以下一些特点：(a). CVC轧机具有良好的带钢板形控制能力和稳定性，可以利用调整弯辊力、工作辊或中间辊轴向移动、分区冷轧等几个方面，求得最佳辊缝，得到最佳平直度。(b). CVC轧机使弯辊力始终处于比较小的状态，降低了弯辊力，提高轧辊和轴承的使用寿命。(c). 支撑辊和工作辊的磨损基本与普通四辊轧机相同，而且由于工作辊轴向串动，工作辊带钢边部地区的磨损槽可以均匀化，减少了磨损槽的深度。据不完全统计，从1982年到1997年，总共新建和改建CVC轧机约265台。(2) UPC(Universal Profile Control)UPC轧机是德国MDS公司制造的，轧辊辊面形状类似雪茄，大小头相反方向布置，轧辊也是轴向相反方向移动，得到连续变化辊缝凸度的效果。图21. UPC轧机原理(3) K-WRS轧机K-WRS轧机是1983年由川崎制铁开发，原理是将工作辊辊面的一端磨出一定的锥度，也称Taper辊，在轧机上两工作辊的锥端左右交替布置，根据来料及断面轮廓，设定锥度辊轴向位移量，以减少和消除有害接触区，降低带钢边沿的压下，控制带钢边部减薄。图22. K-WRS轧机示意图2.3 轧辊交叉轧机轧辊水平交叉轧机，轧辊交叉有三种类型，即支撑辊交叉、工作辊交叉和工作辊、支撑辊成对交叉。前两种交叉因轧辊间有相对滑动，造成轧辊磨损、能量消耗和引起较大的轴向力。第三种交叉也称PC(Pair-Crossed Rolls)轧机，避免了上述缺点，当轧辊交叉角度为1时，该系统可以产生约为900m的机械凸度，有较好的实用价值。PC(Pair-Crossed Rolls)轧机这种轧机是新日铁和三菱重工于1979年联合研制成功的，开始用于热轧机上，后来推广到冷轧机上。PC轧机的特点是辊缝凸度条件能力大，但只能获得正凸度的辊缝，而且由于轧机运动方向与轧辊旋转方向有一角度，轧制时会产生一个轴向力。a. 支撑辊交叉 b. 工作辊交叉 c. 成对交叉图23. 三种轧辊交叉轧机原理2.4 液压胀辊轧机(1) VC(Variable Crown)1977年日本住友金属公司研制成功，首先应用于平整机上，现已广泛用于冷热轧板带轧机上。VC轧辊称为可变凸度轧辊，即可作为四辊轧机的支撑辊，又可作为二辊轧机的工作辊。它是利用芯轴与套筒之间形成的密封高压油腔，以高压油的压力来改变轧辊凸度，控制板带的平直度。图24. VC轧辊示意图图25. VC轧机调控原理(2) DSR(Dynamic Shape Ro