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材料制备新技术
冷轧带钢板形质量问题的控制技术
摘要
冷轧带钢的板形控制在国内外迄今仍是一项困难而又重要的课题妥目前正处于由人工目侧控制向自动控制过渡的阶段，但自动控制在国内仍处于空白状态，人工控制的水平也不高，这是我们在冷轧技术领域内同世界水平的重要差距之一。
所以，研究探索冷轧带钢板形控制理论，用以指导板形质量工作，提高轧制工艺水平，进而提高生产效率，降低原材料消耗，具有十分重要的意义。
关键词：
冷轧带钢；板形控制；板形质量
Abstract
Cold-rolledstripflatnesscontrolathomeandabroadsofarremainsadifficultandimportanttaskproperlyiscurrentlyintransitionfromtheartificialmeshsidecontroltoautomaticcontrolofthestage,butstillinablankstateautomaticcontrolinthecountry,manualcontrolthelevelisnothigh,whichisoneofourmostimportantgapwiththeworldlevelinthecoldrollingtechnology.So,studyandexplorecold-rolledstripshapecontroltheorytoguideplateshapequalityworktoimprovetheleveloftherollingprocess,therebyincreasingproductivity,reducerawmaterialconsumption,hasaveryimportantsignificance.
Keywords:
Cold-rolledstrip；stripshapecontroltheory；plateshapequality
1引言
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。
1.1板形控制技术
工业生产的迫切要求，使钢板的轧制有了很大的发展，板形控制也由过去简单的开环控制发展到了闭环自动控制（见图5-1）。
图5-1板形闭环控制系统
板形控制系统根据测量结果可以采用3种方式实现对平直度的控制，即轧辊弯曲、轧辊倾斜和轧辊喷射冷却。
它们各自校正板形误差的一个方面，但其控制信号都以带钢宽度方向各区段的张力分布作为依据。
系统设计保证各种控制方式之间无相互抵消作用，相反，其合成作用可得到更好的板形。
下面分别介绍板形控制的各项功能。
1.1.1轧辊弯曲控制功能
轧辊弯曲控制是通过液压作用到支撑辊和工作辊的轴承座或支撑辊的延长轴颈上，使轧辊进行不同的弯曲，从而改变轧辊的凸凹度，以消除带钢对称误差。
工作辊弯曲可以是正弯辊或负弯辊，正弯辊控制是增加带钢中间部位的压下量和减少边缘部位的压下量；负弯辊控制是减少带钢中间部位的压下量和增加边缘部位的压下量。
不管是正弯辊还是负弯辊，对带钢边缘的影响要比中间的影响大得多。
弯辊控制功能是通过基础自动化来实现的，其示意图见图5-2。
图5-2弯辊控制示意图
正、负弯辊力的实际值分别有两个压力传感器输出。
计算机设定值为负值时，输出值为正弯辊调节量，控制正弯辊液压缸的压力。
计算机设定值为正值时，输出值为负弯辊调节量，控制负弯辊液压缸的压力。
正弯辊的弯辊力还影响了轧制力的实际值，因此，需将正弯辊的实际值送到液压压下系统中，进行轧制力实际值的修正。
1.1.2轧辊倾斜功能控制
带钢在轧制过程中，如果轧辊发生倾斜，轧制的带钢会形成一边厚，一边薄，使带钢出现单边浪或瓢曲的缺陷，为了克服此缺陷，采用轧辊倾斜控制手段来消除。
轧辊倾斜控制属于轧机压下控制系统的一部分，它是通过传动侧和操作侧两者轧制力差而获得，通常定义传动侧辊缝大于操作侧辊缝时，轧辊倾斜为正值。
倾斜设定值由计算机给出，倾斜实际值由传动侧与操作侧的位置传感器信号相减而得，倾斜调节器的输出值分别作为传动侧和操作侧的伺服阀控制信号。
当输出为正值时，传动侧上抬，辊缝增大，操作侧下压，辊缝减小；当输出为负值时，则相反。
传动侧与操作侧上、下动作要求总是相反的。
1.1.3轧辊喷射冷却控制
在轧制过程中，带钢变形所消耗的功使带钢发热，一部分热量被冷却剂带走，余下的热量使轧辊产生热凸度，从而产生不良的板形。
采用轧辊喷射冷却控制，使它快速校正在线热效应，改变轧辊局部直径来修正板形。
这种控制系统能消除大范围的和局部的平直度偏差。
为了控制轧辊的热凸度，必须将冷却系统沿工作辊轴向分成若干区段，且区段的划分应与板形测量辊测量区段的划分相对应，每一区段的测量信号用来控制冷却系统相应区段上喷嘴的打开或关闭。
1.1.4轧辊弯曲和喷射冷却的组合控制功能
这是一种将轧辊弯曲控制和轧辊喷射冷却控制组合起来的控制方式。
这种组合控制系统的特点是：
（1）扩大了处理对称性偏差的范围。
通常，沿轴向的对称性平直度偏差主要用快速的弯辊控制来校正，而轧辊喷射冷却控制消除的则是局部的平直度偏差。
但是，由于喷射冷却控制的效果通常要比弯辊控制的效果大2~4倍，所以，也可以用喷射冷却控制来校正对称性平直度偏差，使系统可以校正的对称性偏差范围增大。
（2）使弯辊控制的工作点优化。
通过对弯辊系统的工作点进行监视，当其超过预选的工作范围极限时，便修正喷射冷却方式分布，在一定延时后，轧辊的热凸度得到修正，保证弯辊系统恢复到预选的工作范围，使平直度控制达到最佳。
板形控制功能较多，具体到工程应用中如何选择，需根据工程投资和对产品质量要求来确定。
1.2轧辊辊形技术
1.2.1VC技术
日本住友金属公司研制的可变凸度支撑辊是一种膨胀凸度轧辊（见图5-3）。
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。
图5-3VC轧辊示意图
1.2.2NIPCO技术
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。
1.2.3DSR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（见图5-4），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。
图5-4DSR轧辊示意图
1.3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
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。
1.4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、UPC轧机；轴向移动带套的轧辊，如SSM轧机等。
1.4.1HC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（见图5-5），在轧制中用于改善板凸度和平直度。
图5-5HC轧机示意图
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
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。
目前，日立公司已设计了多种类型的HC轧机，如HCW轧机、HCM轧机、HCMW轧机、UCM轧机等。
由于消除了辊间的有害接触部分，而使工作辊挠曲得以大大减轻或消除，同时也使液压弯辊装置能有效地发挥控制板形的作用。
因此，HC轧机是一种较流行的机种。
1.4.2CVC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（见图5-6）。
CVC的上下辊在整个辊身上都呈“S”形。
然而两个辊的“S”形互相倒置180°，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“S”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。
图5-6CVC轧机工作示意图
1.4.3UPC轧机
万能板断面形状控制（UPC）系统是由德国曼内斯曼·德马克·萨克（MDS）公司设计的，它在某种程度上与CVC技术有相似之处（见图5-7）。
两个系统都采用了可在相反方向上移动的非圆柱形工作辊，然而，UPC辊是雪茄形的，而不是CVC的“S”形。
另外，UPC辊的移动行程是CVC系统的两倍。
雪茄形轧辊与大移动范围相结合达到了以下目的：
（1）扩大了板凸度控制范围；
（2）重新分布了轧辊磨损；
（3）减少了热凸度变化。
图5-7UPC轧机工作原理图
随着带宽的不同，UPC系统的板凸度控制范围有很大的变化。
当带钢宽度增加时，板凸度控制范围增大。
UPC系统在编制轧制计划时还具有特别的灵活性。
因为工作辊的短行程周期横移对辊缝形状影响很小，所以对带钢断面形状的影响更是微不足道，这为自由程序轧制创造了条件。
2评述
通过对冷轧带钢轧制过程中板形问题的分析，我们在以下几个问题上产生了自己的一些观点，并对其值得商榷的地方进行评述。
谨望老师的教导及解答。
2.1关于延伸率对于板形影响的讨论
从理论总结出来的结论来看，产生带钢板形不良的根本原因是延伸率在带钢横向上分布不一致造成的。
由于延伸率受钢材含碳量、热处理温度、成分夹杂物偏析和加工缺陷等种种因素影响，在进行冷轧之前，初始材料的性质就已经决定了在冷轧过程中，带钢的延伸率必然在横向上分布不一致。
在这个问题上，我们产生了两点疑问：
（1）是否有一种可行的办法，在轧制前就可以对钢材本身的性质进行控制，以达到轧制过程中横向分布上没有延伸率不均匀的问题；
（2）如今，一般运用的是轧机机型来控制板形，但是对于不同钢种来说，延伸率的分布是不一样，对此在相同机型进行轧制时，势必会有所偏差。
我们关注的是是否现在的机型在轧制时会考虑不同钢材以进行不同的调整，或者说现在已经寻求出不同机型轧制不同钢材的对应定量关系。
2.2关于轧机机型本身对板形影响的讨论
虽然当今的轧机机型在设计上日趋完善，但是由于轧机轧辊在轧制过程中会出现磨损，每一次道次压下量以及轧制力的控制都是不一样的，虽然差别不大，但久而久之一定会出现较大的偏差。
所以，我们认为，轧辊的磨损应予以重视，最好会对其磨损程度进行定量分析，以精确的数据去应对不同情况，并制定不同时段应该采取的控制手段。
2.3关于带钢表面粗糙度的讨论
2.3.1问题的提出
表面上看，板形和粗糙度关系并不密切，甚至无关，毕竟板形属于宏观量，粗糙度属于微观量。
但是冷轧产品的板形和粗糙度却具有相同的载体一冷轧带钢，又是在冷轧同一过程中同一机架（末道次）下生成和控制，而且板形是否良好和粗糙度值高低都与成品道次轧制力、压下量及规格材质等因素密切相关。
在改变承载辊缝进而改善板形的板形控制原理的指导下，轧制力及其分布的改变成为板形控制的有效方法，但必然使得同一过程中粗糙度受到其改变的影响；相反，以提高粗糙度为目的的轧制力调整控制也必然带来板形的变化；所以二者之间存在非常强的相互制约关系，这就是冷轧带钢板形和表面粗糙度控制的关键点。
生产实践中，单一控制其中一个指标往往使得另一个指标变坏，这就需要协调二者之间的关系，关联考虑，寻求协同控制的手段，针对上述现状和存在的问题于是提出冷轧带钢板形与表面粗糙度协同控制的这一课题。
2.3.2解决途径
研究表明，在一定的轧辊毛化条件下，不增加辊耗成本而提高表面粗糙度质量的唯一方法就是增加成品道次轧制力。
虽然改变轧制力必然引起承载辊缝的变化，势必影响板形，但是通过优化初始上机支撑辊辊形同样可以改变承载辊缝形状，只要使得二者改变承载辊缝的方向相反就可能使二者对承载辊缝的影响相互抵消，最终保证了承载辊缝比例凸度等式成立，即板形平坦良好的条件，实现了板形和表面粗糙度的同时达优。
可见，增加轧制力和优化支撑辊辊形合理配套使用是实现板形与表面粗糙度协同控制的一条途径。
2.3.3展望
（1）由于存在板形和表面粗糙度问题的成品道次轧制过程和平整轧制极为相似，如果将板形与表面粗糙度协同控制推广到平整轧机上也是一项更有意义的研究，能使成品的表面粗糙度得到更好的控制以满足不同用户的需要，产品能更好占领市场。
（2）板形和表面粗糙度对带钢表面涂层及冲压等都有影响，因而应该相结合进行后续延伸研究。
（3）轧辊粗糙度控制手段增强后，对带钢表面租糙度的调控能力也增强，因而应该相结合进行后续延伸研究。
因此，板形与表面粗糙度协同控制研究是一个充满希望的研究领域。
3结论
通过本文，我们可以得到以下结论：
（1）本文主要介绍冷扎带钢板形的理论问题和控制技术，着重对带钢平直度定义、板形控制的控制系统构成及各种控制功能进行分析；
（2）冷轧带钢的板形控制在国内外迄今仍是一项困难而又重要的课题妥目前正处于由人工目侧控制向自动控制过渡的阶段，但自动控制在国内仍处于空白状态，人工控制的水平也不高，这是我们在冷轧技术领域内同世界水平的重要差距之一。
所以，研究探索冷轧带钢板形控制理论，用以指导板形质量工作，提高轧制工艺水平，进而提高生产效率，降低原材料消耗，具有十分重要的意义；
（3）最后，我们对冷轧带钢轧制过程中的板形问题进行了展望，在表面粗糙度上提出了新的建议。
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考试科目：
材料制备新工艺新技术
课程编码：
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王快社
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