板形控制技术及应用论文Word文件下载.docx
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4.2液压弯辊技术.......................................................5
4.3轧辊横移和交叉技术.................................................5
5全文总结及展望.......................................................5
5.1全文总结...........................................................5
参考文献...............................................................5
引言
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。
进入二十一世纪，随着社会的高速发展和科学技术的突飞猛进,用户对钢铁产品质量、品种、性能方面的要求越来越高。
板带材的性能、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±
5μm甚至±
2μm的范围内，而板形控制技术尚未达到稳定成熟的地步。
板形是影响板带轧制正常进行的一个重要的工艺因素。
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。
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,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。
正文
1.1板形概述
板形是指板带材的平直度,既是指浪形、瓢曲或旁弯的有无及程度而言。
直观来说，它指板材的翘曲程度。
实质是指板带材内部残余应力的分布。
板带横向厚度是指沿宽度方向的厚度差，它决定了板带材轧后的断面形状，或轧制时的实际辊缝形状，一般用板带中央与边部厚度之差的绝对值或相对值来表示，因而是一种借助厚度测定既可得到的具体指标。
横向厚差决定于板带材轧后的断面形状，一般用板带中央与边部厚度之差的绝对值或相对值来表示。
板带材的横向厚差决定了钢板的断面形状，钢板的断面形状也称钢板凸度，也是板带材的平直度，板形是板带材平直度的简称。
1.2当前板型控制的新技术及典型轧机
当前板型控制的新技术有：
辊缝控制（NIPCO）技术、支撑辊的凸度可变的（VC辊）技术、双轴承座弯辊（DCB）技术、对辊支叉（PC）轧制技术和大凸度支撑辊轧制法等。
新型典型轧机有：
HC轧机、FFC轧机、UC轧机、Z型轧机、带移动辊套的轧机（SSM）和泰勒轧机等。
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及一些可控辊形技术。
3影响板形的因素
3.1有载辊缝形状
有载辊缝形状可用如下方程描述
CR=PKP+FKF+ECωC+EΣ（ωH+ωW+ωO）+E0Δ
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;
ωC--可控辊形,根据所采用的CVC或PC等技术确定其值;
ωH--热辊形;
ωW--磨损辊形;
ωO--初始辊形,根据板形控制需要,进行辊形设计和磨辊;
Δ--入口带钢凸度;
E0、EC、EΣ--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:
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。
3.2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。
3.3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:
ωC=-αΔRb2d
式中b--带宽;
d--横向抽动量;
ΔR--辊形曲线（最大、最小直径之差）;
α--系数。
当采用PC轧机时:
ωC=b22Dwθ2
式中b--板宽;
Dw--工作辊直径;
θ--上下辊交叉角（相对于原平行轴线）。
3.4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。
3.5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。
3.6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。
3.7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,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
3.8平直度的定义及影响平直度的因素
3.9凸度的定义及影响凸度的因素
4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。
4.1轧辊辊形技术
4.1.1VC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。
4.1.2NIPCO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。
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。
4.1.3DSR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。
4.1.4VCL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。
4.2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和轧辊温度等工艺因素的变化而产生的辊缝形状的变化,以保证生产出高精度的产品。
液压弯辊技术一般分为工作辊弯曲系统和支撑辊弯曲系统两类。
（1）弯曲工作辊的方法可分为两种方式,即
弯辊力加在两工作辊瓦座之间的正弯辊系统和弯辊力加在两工作辊与支撑辊的瓦座之间的负弯辊系统。
在实际生产中,由于换辊频繁,用正弯辊系统装置需要经常拆装高压管路,影响油路密封,而且浪费时间。
故更倾向于采用负弯辊系统,或者将油缸置于与窗口牌坊相连的凸台上,以避免经常拆装油管。
比较理想的是正弯辊系统与负弯辊系统并用,即选用所谓的工作辊综合弯辊系统,这样可以使辊形在更广泛的范围内调整,甚至用一种原始辊形就可以满足同品种和不同轧制制度的要求。
热轧和冷轧薄板轧机多采用弯曲工作辊的方法。
（2）弯曲支撑辊的方法是弯辊力加在两支撑辊之间。
为此,必须延长支撑辊的辊头,在延长辊端上装有液压缸,使上下支撑辊两端承受一个弯辊力。
此力使支撑辊挠度减小,即起正弯辊的作用。
弯曲支撑辊的方法多用于厚板轧机,它能提供比弯曲工作辊更大的挠度补偿范围,且由于弯曲支撑辊时的弯辊挠度曲线与轧辊受轧制压力产生的挠度曲线基本符合,故比弯曲工作辊更有效。
对于工作辊辊身较长（L/D>
4）的宽板轧机,一般以采用弯曲支撑辊为宜。
液压弯辊所用的弯辊力一般在最大轧制压力的10%～20%范围内变化。
液压缸的最大油压一般为20～30MPa,近年还制成了能力更大的液压弯辊系统。
4.3轧辊横移和交叉技术
轧辊横移系统通常在冷轧和热轧生产中都应用,它可以通过扩大带钢凸度的控制范围,减小带钢横断面上的边部减薄和重新分布带钢边缘附近的轧辊磨损来实现对带钢的板形控制。
轧辊横移系统可分为三类:
轴向移动圆柱形轧辊,如HC轧机;
轴向移动非圆柱形轧辊,如CVC轧机;
轴向移动带套的轧辊,如SSM轧机等。
4.3.1HC轧机
HC轧机是由日本日立公司开发和设计的,它将轧辊横移和弯曲相结合,在轧制中用于改善板凸度和平直度。
HC轧机的优点是:
（1）板形控制能力强,HC轧机仅需不太大的弯辊力即可较好地调节带钢波形度。
（2）可消除工作辊与支撑辊边部的有害接触部分,使带钢边部减薄现象减轻,并可减少裂边。
（3）由于工作辊辊径减小（比常规四辊减小30%左右）,因此可加大压下量,实现大压下量轧制,并减少能耗。
（4）采用标准无凸度轧辊就能满足各种带宽的带材轧制,减少了轧辊备件。
4.3.2CVC轧机
由德国施罗曼·
西马克公司（SMS）创建的连续可变凸度（CVC）技术是一种采用双向移动支撑辊、中间辊或工作辊的方式调节辊缝形状的方
法[6]。
CVC的上下辊在整个辊身上都呈"
S"
形。
然而两个辊的"
形互相倒置180o,这种布置使辊缝的轮廓线相对于通过辊缝正中的垂直线呈对称关系。
当工作辊没有移动时,辊缝高度在整个辊身上保持-致。
由于板带轧制产品的宽厚比大,尽管辊缝有轻微的"
形,也不会对板带平直度造成可以检测到的影响,因此,CVC辊没有移动时,其对板形造成的影响与平辊轧制时相同。
而当工作辊双向抽动时,如果轧件中间处的轧辊外廓距离比轧辊边部处的辊缝小,这种移动对板形所产生的影响与采用正凸度工作辊时的相同。
如果轧件中间处的轧辊外廓距离比轧辊边部处的辊缝大,这种移动对板形所产生的影响与采用负凸度工作辊时的相同。
由于CVC轧机凸度控制范围大,并且可以连续调节,具有较好的凸度控制能力;
能够满足多种轧制系统的要求,轧机适应能力强,可以轧制多种不同的合金;
工作辊磨损比较均匀,换辊次
数少等,所以发展较快,被世界各国普遍采用。
4.3.3PC轧机
轧辊交叉系统的主要目的是改变辊缝形状,使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,通过调整轧辊交叉角度即可对凸度进行控制。
日本新日铁公司于1984年首次采用了工作辊交叉的轧制技术。
PC轧机具有很好的技术性能:
（1）可获得很宽的板形和凸度的控制范围,因其调整辊缝时不仅不产生工作辊的强制挠度,而且也不会在工作辊和支撑辊间由于边部挠
度而产生过量的接触应力。
与HC、CVC、SSM及VC辊等轧机相比,PC轧机具有最大的凸度控制范围和控制能力。
（2）不需要工作辊磨出原始辊形曲线。
（3）配合液压弯辊可进行大压下量轧制,不受板形限制。
但是由于PC轧机轧辊交叉将产生很大的轴向力,对辊子的磨损很严重,因此将影响辊子的使用寿命。
目前,交叉角不超过1o。
PC轧机加ORG工艺可以实现自由程序轧制,从而使PC轧机成为世界上先进技术的代表,目前已被世界各国普遍采用。
5全文总结及展望
5.1全文总结
目前的各种板形控制技术都各具优势和不足。
这一方面给板带轧机的选型和板形控制技术的配置带来了难度,另一方面也给板形控制技术
留下了较大的创新空间。
因此,近年来有关板形控制的研究始终都是轧制技术开发的前沿和热点。
从以轧机为主的板形控制技术的开发延伸到兼顾板形的轧制道次设定、动态负荷分配、热轧层流冷却、热轧精整、冷轧酸洗和平整,包括热轧和冷轧机的机型配置、辊形设计、工艺制度和控制模型为一体的板形综合控制技术等,都受到了人们的高度重视[7]。
提高带钢产品的板形精度一直是轧钢技术人员不懈追求的目标,也是推动轧制技术进步的动力。
对提高产品质量和档次、扩大品种规格、提升产品的附加值和轧钢生产线的综合竞争力必将起到重要的推动作用。
参考文献
【1】刘相华,王国栋.热轧带钢新技术.钢铁研究,2000,5
【2】孙一康.带钢热连轧的模型与控制.北京:
冶金工业出版社,2002
【3T.Nagaietal.StripShapeandProfileControlwithSumitomoVariableCrownRollSystem.AISEYearBook,1983
【4】H.P.Wiendahl.TheNIPCORoll:
fromIdeatoNewProduct.EscherWyssNews,1978,2～1979,1
【5】金兹伯格.高精度板带材轧制理论与实践.北京:
冶金工业出
版社,2002
【6】W.Baldetal.ContinuouslyVariableCrown（CVC）Rolling.AISEYearBook,1987
【7】黄贞益等.板形技术探讨.安徽工业大学学报,2002,4
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