世界冷轧板带板形控制先进技术的进展

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板形控制是冷轧板带加工的核心控制技术之一，近年来随着科学技术的不断进步，先进的板形控制技术不断涌现，并日臻完善, 板形控制技术的发展，促进了冷轧板带工业的装备进步和产业升级，生产效率和效益大幅提升。  
板形的概念  
    1 板形的基本概念  
     板形直观来说是指板带材的翘曲度，其实质是板带材内部残余应力的分布。只要板带材内部存在残余应力，即为板形不良。如残余应力不足以引起板带翘曲，称为“潜在” 的板形不良；如残余应力引起板带失稳，产生翘曲，则称为“表观”的板形不良。  
      2 板形的表示方法  
      板形的表示方法有相对长度差表示法、波形表示法、张力差表示法和厚度相对变化量表示法等多种方式。其中前两种方法在生产控制过程中较为常用。  
     3 常见的板形缺陷及分析  
: o+ u& f0 s* y       常见的板形缺陷有边部波浪、中间波浪、单边波浪、二肋波浪和复合波浪等多种形式，主要是由于轧制过程中带材各部分延伸不均，产生了内部的应力所引起的。  
% b$ x; D3 k6 L# ~      为了得到高质量的轧制带材，必须随时调整轧辊的辊缝去适合来料的板凸度，并补偿各种因素对辊缝的影响。对于不同宽度、厚度、合金的带材只有一种最佳的凸度，轧辊才能产生理想的目标板形。因此，板形控制的实质就是对承载辊缝的控制，与厚度控制只需控制辊缝中点处的开口精度不同，板形控制必须对轧件宽度跨距内的全辊缝形状进行控制。  
+ J, j7 h  j5 @: E7 f' ?4 g% b       影响板形的主要因素  
      众所周知，影响板形的主要因素有以下几个方面∶  
4 t5 s# l- G0 |(1) 轧制力的变化；  
, g; g# ~, W- O; w( o) G(2) 来料板凸度的变化；  
(3) 原始轧辊的凸度；  
6 Z9 |; j6 @% i. J0 ^(4) 板宽度；  
( B2 U8 l8 n6 H" S(5) 张力；  
. A; V5 H3 y/ D6 d( r3 ]: e(6) 轧辊接触状态；  
(7) 轧辊热凸度的变化。  
     板形控制先进技术  
     改善和提高板形控制水平，需要从两个方面入手，一是从设备配置方面，如采用先进的板形控制手段，增加轧机刚度等；二是从工艺配置方面，包括轧辊原始凸度的给定、变形量与道次分配等。  
常规的板形控制手段主要有弯辊控制技术、倾辊控制技术和分段冷却控制技术等。近年来，一些特殊的控制技术，如抽辊技术(HC轧机和UC系列轧机)、涨辊技术(VC轧机和IC轧机) 、轧制力分布控制技术(DSR动态板形辊)和轧辊边部热喷淋技术等先进的板形控制技术，得到日益广泛的应用。 在此，分别就其中几种典型技术作以简单介绍。  
     1 抽辊技术---HC轧机轧辊横移板形控制系统  
      HC轧机是20世纪70年代日本日立公司和新日铁钢铁公司联合研制的新式6辊轧机。HC(High Crown)即高性能轧辊凸度。该轧机是在普通4辊轧机的基础上，在支撑辊和工作辊之间安装一对可轴向移动的中间辊，中间辊的轴向移动方向相反。  
! [% h- g4 V$ r) M       通过对普通4辊轧机轧辊挠曲的分析，工作辊与支撑辊之间超出轧件宽度区域的有害接触区，导致了轧辊的过度挠曲。这种挠曲不仅取决于轧制力的大小，而且取决于轧件宽度。另一方面，在工作辊上施加弯辊力时，轧辊的挠曲会在超出轧件宽度部分受到支撑辊的约束。HC轧机是通过中间辊的横移，消除了支撑辊与工作辊之间的有害接触区，提高了轧制的板形控制能力，可适用于任何宽度带材的轧制。HC轧机目前已发展出多种形式，如中间辊传动的HCM 6辊轧机；中间辊和工作辊均能窜动的HCMW 6辊轧机；中间辊带辊型曲线的HC--CVC轧机；及HCW、UCM、UVMW、MB、UC2~UC4等多种改进型轧机。  
" N0 Q( U6 E( s; ^2 w$ `% P. d. e9 N      HC轧机的优点∶  
* 板形控制能力强，不需要太大的弯辊力即可较好的调整板形；  
  ?. Q$ q: g/ `0 `5 B* 可消除支撑辊与工作辊边部的有害接触部分，减轻边部减簿和裂变倾向；  
4 J& {5 A- B% }0 G. I*由于工作辊径较小(比普通4辊轧机小30%左右) ，可加大压下量，实现大压下量轧制，并减少能耗；  
*采用标准无凸度辊，就能满足各种宽度带材的轧制，减少了轧辊的备件。  
2 ^) S6 I' m, P& }" a$ K" O      从20世纪70年代以来，世界各国已建HC轧机200多架，直到至今仍是一种较流行的机种。  
     2 曲面辊技术  
      * CVC辊板形控制  
5 T( l5 d* c8 y# e" [1 v      CVC辊板形控制技术是德国西马克-德马格公司于1980年开发的。CVC(Coutinuously Variable Crown)的原意是连续可变凸度。经过20多年的发展与完善，CVC轧机已发展出很多种机型，广泛应用于冷轧板带生产中。先进的控制策略和控制手段相结合，使CVC技术成为目前世界上最先进的轧制技术之一。它的控制原理很简单，就是将上、下轧辊辊身磨削成相同的S形CVC曲线，上、下辊的位置倒置180度，当曲线的初始相位为零时，形成等距的S形平行辊缝，通过轧辊窜动机构，使上、下CVC轧辊相对同步窜动，就可在辊缝处产生连续变化的正、负凸度轮廓，从而适应工艺对轧辊在不同条件下，能迅速、连续、任意改变辊缝凸度的要求。  
      * UPC辊板形控制  
        UPC轧机是德国MDS研制的万能板形控制轧机，是继HC、CVC技术之后又一种可改善板形的轧辊横移式轧机。其原理是将普通4辊轧机的工作辊磨成雪茄型，大、小头相反布置，构成一个不同凸度的辊缝。  
UPC轧机投产的数量不及HC轧机和CVC轧机，最早使用UPC技术的是德国克虏伯1250轧机和芬兰2000轧机。  
      3 交叉辊技术---PC轧机轧辊交叉板形控制  
     PC(Pair Cross)的原意是轧辊成对交叉，即轧机轧辊交叉板形控制技术。轧辊交叉系统的设计原理与采用带凸度的工作辊相同。通过调整轧辊的交叉角，使得距轧辊中心越远的地方辊缝越大，实现对辊缝形貌的控制。  
       轧辊交叉等效凸度与轧辊交叉角、轧辊直径和轧件宽度有关，其关系式如下∶  
' R0 \' ]6 m: b& [/ @* G! `! oCr=Se-Sc=(br)^2/(2Dw)  
式中∶ Cr ----等效凸度；  
9 q" I) F9 Y, J3 S- }b----轧件宽度；  
Se----中心辊缝；  
r----轧辊偏转角；  
Dw----轧辊直径；  
/ h; d2 }( D- a9 O; DSc----边部辊缝。  
0 G8 j5 e8 t: h  T' H5 q0 u% r6 `常用的轧辊交叉系统有∶  
*只有支撑辊交叉的支撑辊交叉系统；  
- p) |  l3 E! Q2 K*只有工作辊交叉的工作辊交叉系统；  
% C/ b# u+ {% I+ K" h*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。  
% u$ g, e5 N. }4 涨辊技术—VC板形可变凸度支撑辊板形控制技术  
       VC (Variable Crown)原意为在线可变凸度支撑辊，是由日本住友金属公司于1977年开发成功的，轧机的轧辊为辊套型轧辊，主要由芯轴、辊套、密封油腔、油路、旋转连接器和高压泵站等部分组成。  
' u; _; r$ v1 ~- _       VC辊控制板形的原理较简单，辊套和芯轴之间设有密封油腔，通过改变油腔内的压力，即使支撑辊改变辊形(轧辊凸度)油腔压力与直径胀大在一定范围内呈线性关系，且可做无级调节，因此，可以参与到闭环板形控制系统中。  
VC具有较多优点∶  
0 u1 d8 F+ S$ Q, M0 `* f* 减少支撑辊的换辊次数，避免贮存多个不同辊型的轧辊；  
* 可补偿轧辊磨损及热辊形；  
* 在带材轧制加、减速阶段，可有效补偿因轧制速度的变化引起的轧制力波动和轧辊凸度变化；  
*在线改造方便，仅需用VC辊代替原有支撑辊即可。  
. ~% N! q* s, N. ?3 U1 z4 p8 [6 B+ Z但VC也有局限性∶  
*VC辊制造较困难；  
8 a2 w( C) @2 M! B) m' [! H/ L*高压旋转接头及油腔密封维护难；  
, Z* j' C6 }7 q; a6 y( i*调整轧辊凸度的幅度较小。  
5 轧制力分布控制技术—DSR动态板形辊高精度板形控制  
      DSR动态板形辊高精度板形控制(即轧制力分布控制) 技术 ，是由法国VAI Clecim公司于20世纪90年代推出的，主要由静止辊芯、旋转辊套、7个柱塞式液压缸、推力垫及电液伺服阀等部分组成。  
. n% R' @5 P4 V0 bDSR动态板形辊多用于四辊轧机的支撑辊，可成对使用，也可单独使用。其工作原理∶根据板形仪测量计算出的实际曲线与目标板形曲线比较，得到一组偏差，通过7个单独调控的液压压下缸，沿整个带宽经旋转辊套给板带分布相应的轧制力，来进行高精度的板形(平直度) 控制。  
DSR动态板形辊高精度板形控制具有突出的优点，是高精度板形控制执行器的一次历史性飞跃。主要表现在∶  
*能消除对称性和非对称性的板形缺陷；  
! }' E7 m- V, S' L( Y. j6 S*板形控制不影响厚度控制；  
7 v4 F# a& M6 _5 d8 N3 O0 f*能动态高精度控制板形。  
6 R+ U& D, d! n: f+ t$ {4 R; [& n      充分发挥DSR方式高精度板形控制能力的关键，在于板形仪系统的测量精度、计算精度以及偏差转换为伺服阀调控信号的精度。一般板形仪应达到1I单位的测量精度。  
      DSR虽有突出的优点，但其结构相对复杂，检修和维护难度大，且价格昂贵，因此目前尚未大范围普及。  
8 f; X7 O+ w( ^* t' B      在中国，DSR技术率先在上海宝钢2030冷轧机上得到应用，中国铝业河南分公司郑州冷轧厂正在建设的四辊2300冷轧机也引进了该技术，该项目2008年年底正式投产。  
      目前，在世界上还流行一种称为轧辊热喷淋板形控制先进技术，它具有投产小、改造周期短的特点，比较适合已建设备的在线改造。这项轧辊热喷淋板形控制先进技术是由澳大利亚工业自动化服务公司开发的，该系统是由计算机控制软件和边部热喷淋系统组成。在轧辊两侧安装有两个热喷淋装置，每个装置上安装有数个喷嘴，每个喷嘴的控制范围为25毫米，在轧机工作时实施喷淋加热。该系统有效地解决了高速轧制时，因轧辊热凸度引起的边部张紧的板形缺陷，提高了轧制速度，减少了断带几率。  
     结语  
2 S6 \2 u/ r6 h8 c9 _/ C" t- K" y     板形控制是一项综合技术，生产中必须通过先进的控制手段与工艺参数的合理匹配，才能获得理想的板形。