(金属轧制工艺学)6板带材高精度轧制和板形控制

轧制理论与工艺Rolling Theory and Technology,陈泽军E-Mail： 重庆大学 材料科学与工程学院材料加工工程系,第四篇 板带材生产Production of plate, sheet and strip,16 板带高精度轧制与板形控制,2018/2/16,2,2018/2/16,3,全国钢厂分布图,2011年全世界钢产量排名,第一名：中国（不包括河北省）； 第二名：中国河北省（不包括唐山市）；第三名：中国河北省唐山市（不包括瞒报产量）； 第四名：日本第五名：美国第六名：印度第七名：俄罗斯第八名：韩国第九名：中国河北省唐山市的瞒报产量； （2011年唐山市瞒报5000万吨产量，刚好比第十名德国多了一点）第十名：德国。,2018/2/16,4,2013年钢铁产量排名:,1.中国：7.8亿吨(占世界总量的50%以上)2.日本：1.1亿吨3.美国：8700万吨4.印度：8100万吨5.河北唐山市：8000万吨6.俄罗斯：6940万吨7.韩国：6600万吨8.天津：6000万吨9.河北乾安县：5000万吨,2018/2/16,5,10.德国：4260万吨11.巴西：3400万吨12.乌克兰：3280吨,（南美洲总合：4600万吨）,2018/2/16,6,板带材高精度轧制和板形控制,1、板材材轧制中的厚度控制2、横向厚差与板形控制技术,2018/2/16,7,板带材高精度轧制和板形控制,板、带材的高精确度主要是指厚度(纵向和横向)的精确度。既然板、带材是由轧辊辊缝中轧出来的。辊缝的大小和形状决定了板、带材纵向和横向厚度的变化(后者又影响到板形)，那么要提高产品的厚度精度，就必须研究轧辊辊缝大小和形状变化的规律。,2018/2/16,8,1、板材材轧制中的厚度控制,板、带材轧制过程既是轧件产生塑性变形的过程，又是轧机产生弹性变形(即所谓弹跳)的过程，二者同时发生。由于轧机的弹跳，使轧出的带材厚度( h )等于轧辊的理论空载辊缝( )再加上轧机的弹跳值。,式中 机座弹性变形值，它符合虎克定律；,轧制压力；,轧机刚性系数。,2018/2/16,9,板材材轧制中的厚度控制,当轧制压力为 P 时，轧出的轧件厚度为:,式中 人工零位辊缝仪显示的辊缝值；,清零时轧辊预压靠的压力。,2018/2/16,10,P-h图（弹塑性曲线）,由P-h图看出：无论A线、B线发生变化，实际厚度都要发生变化。保证实际厚度不变就要进行调整。 例如：B线发生变化（变为B），为保持厚度不变，A线移值A，使交点的坐标不变。C线等厚轧制线。,板带厚度控制的实质：不管轧制条件如何变化，总要使A线和B线交到C线上。,2018/2/16,11,板带厚度变化的原因和特点,影响带材实际轧出厚度的主要有S0、K和P三大因素。其中轧机刚度K在既定轧机上轧制一定宽度的产品时，一般可认为是不变的。影响S0 变化的因素主要有轧辊的偏心运转、轧辊的磨损与热膨胀及轧辊轴承油膜厚度的变化，它们都是在压下螺丝位置不变的情况下使实际辊缝发生变化，从而使轧出的板、带材厚度发生波动。轧制力P的波动是影响板带轧出厚度的主要因素。因而所有影响轧制力变化的因素都必将影响到板、带材的厚度精度。,2018/2/16,12,板带厚度变化的原因和特点,影响轧制力变化的因素：（1）轧件温度、成分和组织性能不均匀的影响温度变形抗力轧制压力轧机弹跳板厚度变薄（2）来料厚度不均匀的影响来料厚度压下量轧制压力轧机弹跳板厚度变薄,2018/2/16,13,板带厚度变化的原因和特点,影响轧制力变化的因素：（3）张力变化的影响张力变形抗力轧制压力轧机弹跳板厚度变薄（4）轧制速度变化的影响通过影响摩擦系数和变形抗力来改变轧制压力。摩擦系数变形抗力轧制压力轧机弹跳板厚度变薄,2018/2/16,14,板带厚度控制方法,1、调压下原理：改变原始辊缝（1）来料厚度发生变化的调整,2018/2/16,15,1、调压下原理：改变原始辊缝（2）张力、轧制速度、轧制温度及摩擦系数等变化的调整。,板带厚度控制方法,2018/2/16,16,（3）压下调整量S0的计算,问题一,S0与H的关系,问题二,S0与h的关系,提示： K= tan M=tan,板带厚度控制方法,2018/2/16,17,S0与入口厚度偏差H的关系：,S0 tanH tan S0H tan / tan S0 H M/K M轧件的塑性刚度系数（M=tan ） K轧机的刚度系数（K= tan）,板带厚度控制方法,2018/2/16,18,S0与出口厚度偏差h的关系：,h tan tan（S0h） 整理后得：h/S0K/(M+K) S0h（M+K)/ K,h/S0是决定板厚控制性能好坏的一个重要参数，称为压下有效系数或辊缝传递函数。,板带厚度控制方法,2018/2/16,19,当来料有厚差H（增加）时，轧件出口厚度出现偏差h，如何通过调张力来控制厚度？,原理,举例,调整,加大张力，使B斜率改变(变为B)，从而可以在S0不变的情况下使 h 保持不变。,利用前后张力来改变轧件塑性变形曲线的斜率以控制厚度。,板带厚度控制方法,2、调张力,2018/2/16,20,板带厚度控制方法,调整张力控制厚度原理图,2018/2/16,21,采用张力控制厚度方法的优点是响应快，因而可以控制的更为有效和精确。缺点是在热轧带钢和冷轧较薄的品种时，为防止拉窄和拉断，张力的变化不能太大。目前，冷轧厚度控制往往不倾向于单独采用张力控制，而采用调压下与调张力相互配合的联合方法。当厚度波动小时，采用张力微调，当厚度波动大时，则采用调压下的方法。冷连轧张力厚控只适用于后机架的精调AGC。,板带厚度控制方法,2018/2/16,22,最主要、最基本、最常用的是调压下,注意,3、调轧制速度轧制速度的变化影响到张力、温度和摩擦系数等因素的变化。故可通过调速来调张力和温度，从而改变厚度。在实际生产中为了达到精确控制厚度的目的，往往是将多种厚控方法有机的结合起来使用，才能取得更好的效果。,板带厚度控制方法,2018/2/16,23,横向厚差与板形控制技术,横向厚差和板形概念板带的几何尺寸精度三大质量指标：纵向厚差、横向厚差(板凸度)和板形(平直度)横向厚差控制：指沿宽度方向的厚度差。它决定于板带材轧后的断面形状，或轧制时的实际辊缝形状。理论简单，技术容易实现。板形和板凸度控制：理论复杂，技术难以实现。,2018/2/16,24,板形：是指板带材的平直度。它决定于延伸率沿宽度方向是否相等。（即与实际辊缝形状有关）（1）若两边部延伸大，则产生双边浪。（对称浪形）（2）若中部延伸大，则产生中浪（或瓢曲）。（对称浪形）（3）若一边比另一边延伸大，则产生单边浪（薄规格）或镰刀弯（厚规格）。（通过压下螺丝调整）（4） 此外还有斜浪、1/4浪等。板形不良的危害：勒辊、轧卡、断带、撕裂等事故的出现，使操作复杂。,板形与横向厚差,2018/2/16,25,双边浪,两肋浪,单边浪,中浪,板形与横向厚差,2018/2/16,26,板形与横向厚差,2018/2/16,27,波形表示法相对长度法,2018/2/16,28,波形表示法相对长度法,板形：宽度上最长和最短条之间的相对长度差度量。单位：相对长度差以10-5作为一个单位，称为I。为保证板形良好，热轧板控制在100个I单位之内，冷轧板要控制在50个I单位之内。,2018/2/16,29,在翘曲的板带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。下图所示为板带翘曲的两种典型情况。,波形表示法翘曲度,2018/2/16,30,波形表示法翘曲度,这种方法直观、易于测量，所以许多工作者都采用这种方法表示板形。冷轧翘曲度一般应小于2%。,2018/2/16,31,板形与横向厚差,为了保证板形良好，必须遵守均匀延伸或所谓“板凸度一定”的原则去确定各道次的压下量。由于粗轧时轧件较厚，温度较高，轧件断面的不均匀压缩可能通过金属横向流动转移而得到补偿，即对不均匀变形的自我补偿能力较强，故不必过多考虑板形质量问题，当然由于其对精轧板形也有重要影响，所以也必须加以注意。,2018/2/16,32,板形与横向厚差,而在精轧阶段、特别是轧制较薄的板、带材时，轧件刚端的作用不足以克服阻碍金属横向移动的摩擦阻力，亦即对于不均匀压缩变形的自我补偿能力很差，并且还由于厚度较小，即使是绝对压下量的微小差异也可能导致相对延伸率的显著不均，从而会引起板形变坏。板带厚度愈小，对不均匀变形的敏感性就愈大。故为了保证良好的板形，就必须按均匀变形或凸度一定原则，使其横断面各点延伸率或压缩率基本相等。,2018/2/16,33,影响辊缝形状的因素,影响辊缝形状的因素1、轧辊的热膨胀在轧制中沿辊身长度方向上，轧辊的受热和散热条件不同，一般是辊身中部较两侧的温度高，因而使轧辊呈凸形（辊缝中部尺寸小于边部尺寸）2、轧辊的磨损在轧制中工作辊与支承辊均将逐渐磨损(后者磨损较轻)，轧辊磨损使轧辊呈凹形（辊缝中部尺寸大于边部尺寸）。,2018/2/16,34,影响辊缝形状的因素,影响辊缝形状的因素3、轧辊的弹性弯曲轧制压力引起，中部较大，使轧辊呈凹形（辊缝中部尺寸大于边部尺寸）。4、轧辊的弹性压扁轧辊的弹性压扁包括工作辊在变形区与轧件接触引起的弹性压扁，及工作辊与支承辊间的相互弹性压扁两部分。由于单位压力分布不均匀，压扁沿辊身长度分布是不均匀的，中部较大，使轧辊呈凹形（辊缝中部尺寸大于边部尺寸）。,2018/2/16,35,影响辊缝形状的因素,影响辊缝形状的因素5、轧辊的原始辊型 为了补偿上述因素对辊缝形状的影响，一般将轧辊磨削成一定的形状。原始形状有三种：凸形（冷轧机上）凹形（二辊叠轧薄板轧机，产生大的热凸度）圆柱形（在设有弯辊装置的轧机上）,2018/2/16,36,辊型及板形控制技术,辊型的目的就是控制板形，故辊型控制技术实际就是板形控制技术，可以分为常用辊型控制技术及板形控制的新技术和新轧机两类。常用辊型控制技术主要有调温控制法和弯辊控制法等调温控制法是人为地向轧辊某些部分进行冷却或供热，改变辊温的分布，以达到控制辊型的目的。热源一般就是依靠金属本身的热量和变形热。可作为灵活控制手段的就是调节轧辊冷却水的供量和分布。通过对沿辊身长度上布置的冷却液流量进行分段控制，可以达到调整辊型的目的。,2018/2/16,37,辊型及板形控制技术,液压弯辊技术一般分为以下两种：（1）弯工作辊的方法(当LD3.5时） 液压弯辊所用的弯辊力一般在最大轧制压力的1020范围内变化。液压缸的最大油压一般为2030MPa，近年还制成能力更大的液压弯辊系统。,2018/2/16,38,液压弯辊技术,2018/2/16,39,板形控制新技术和新轧机,液压弯辊控制虽是一种无滞后的辊型控制的有力手段，促它还有一定的局限性。首先，它受到液压油源最大压力的限制，致使它还不能完全补偿在更换产品规格时实际需要的大幅度曲线变化。而且实践表明，弯辊控制对于轧制薄规格的产品、尤其是对于控制“二肋浪”等作用不大，有时还会影响所轧出板带的实际厚度。因此，尽管液压弯辊技术已得到广泛应用，但人们仍然不断研究开发更完美更有效控制板形的新技术和新轧机。,2018/2/16,40,HC系列轧机,2018/2/16,41,轧辊接触状态对板形的影响,普通四辊轧机工作辊和支承辊是沿整个辊身接触的，在轧制过程中，在轧制力的作用下，工作辊合作支承辊之间形成接触压力q*，在板宽以外的区域A，辊间压力形成一个有害弯矩，它使轧辊发生多余的弯曲。为抵消这个有害弯矩引起的轧辊变形，可以改变轧辊的产生凸度，也可以使用液压弯辊。当单位宽轧制力p*改变时，有害弯矩也随之变化，使板形改变。为了获得满意的板形，必须随着轧制力的变化不断地调整液压弯辊力。,2018/2/16,42,轧辊接触状态对板形的影响,采用双阶梯支撑辊，使中间接触段长度缩短，从而减小有害弯矩，由有害弯矩引起的轧辊弯曲也随之减小。当中间接触段长度缩短到一定程度时，有害弯矩可以完全消除。这时即使轧制力改变，工作辊挠度曲线也可以基本保持不变，轧机具有无限大的横刚度。由这个例子可见，轧辊之间的接触状态对板形有重大影响，它可以从根本上影响轧机的板形控制特性，应特别给予重视。,2018/2/16,43,HC系列轧机 (High Crown),2018/2/16,44,带移动辊套的轧机（SSM）,2018/2/