唐钢热连轧机板形控制技术的研究与应用
唐钢热连轧机板形控制技术的研究与应用董和民 徐杰宋嗣海 褚春光（唐山钢铁股份有限公司，河北 唐山 063016）1 前言热轧带钢成品质量主要包括产品尺寸精度、板形、表面质量、机械性能等，其中板形是板带产品所特有的质量指标。热轧带钢成品应用范围广，不同的用途对于成品的板形有不同的要求。以用做冷轧用坯料的热轧带钢为例，由于冷轧时轧件温度低，变形过程中材料的横向流动性的差，如果要保证冷轧产品的板形良好，就必须保证冷轧坯料和冷轧成品的比例凸度一致，也就是说，冷轧过程不能改变成品的凸度，冷轧成品的凸度是由坯料的凸度继承下来的，所以作为原料的热轧带钢的板形质量直接关系到冷轧成品的板形质量，用户对板形质量有严格的要求。因此，为满足市场众多用户的多层次的质量要求，必须要求热轧薄板生产线的轧钢工艺、设备和控制系统具有灵活、可靠、稳定、准确的板形控制能力，生产出符合用户板形质量要求的热轧带钢。2 热轧宽带钢轧机板形控制技术及运用的研究2.1 板形控制的思想该控制思想的理论基础源自轧制时金属的纵横向流动比，其规律是随着带厚的减少，金属的横向流动量逐渐变小。因为在带钢较厚时金属的横向流动量较大，所以此时对凸度的调整不会造成带钢横向断面内各点纵向延伸的明显差异而影响平直度。对凸度和平直度的控制效果可根据金属的纵横向流动量按带厚分为以下三个区域（见图1）：平直度控制区过渡区凸度控制区金属流动量A区B区C区金属横向流动曲线金属纵向流动曲线 3 6 9 12带 钢 厚h (mm)图1 金属流动与带厚的关系曲线C区：h12, 在该区域内，金属的横向流动量较大，调整凸度不会造成带钢横断面内各点纵向延伸差使带钢产生浪形。因此在该区域可利用金属横向流动量较大的特点，对带钢凸度进行较大的调整而不会对带钢的平直度造成不良的影响。故该区域是带钢凸度控制区。B区：6h12, 该区域为过渡区。在该区域内，调整凸度不会对带钢平直度造成较大影响，但对带钢平直度的调整效果也不明显。A区：0h6, 在该区域内，金属的横向流动量较小，调整凸度会造成带钢横断面内各点纵向延伸明显的不一致，使带钢产生较大的浪形。因此在该区域内应遵守各架带钢比例凸度相等的原则，以确保带钢的平直度。但在该区域内对工作辊交叉或横移以及弯辊力稍作调整就可利用金属纵向流动比横向流动大得多的特点使带钢横断面内纵向延伸差产生较大的变化，从而可迅速地获得良好的平直度控制效果。故该区域是带钢平直度控制区。2.2凸度的影响因素及控制方法带钢宽度、轧制力、工作辊和支撑辊直径、工作辊弯辊以及轧辊热膨胀等，如图4所示。yp(y)FwFwzoq(y)带钢工作辊支持辊接触压力分布轧制压力分布有害接触区图4 轧制过程中影响板凸度的因素对钢板凸度的影响一般归纳为以下几种因素：2.2.1 带钢宽度对带钢凸度的影响（1） 带钢的基本中心凸度在很大程度上随带钢的宽度变化而变化。对窄带钢来说带钢的宽度增加，中心凸度变大。但对宽带钢，带钢的宽度大约为轧辊辊身长度的70%-80%时，中心凸度达到最大值，当宽度继续增加时，中心凸度却趋于减小。（因为在单位板宽轧制力q 一定时，随着板宽的增大，轧制压力P增大，辊系变形加大，这样板凸度随之加大；另一方面，随着板宽B的增加，工作辊与支撑辊之间的有害接触区及有害弯矩减小，辊系变形也减小，这样板凸度也相应减小）。（2）在宽带轧机上，带钢的基本中心凸度要大一些。（3）带钢基本中心凸度随带钢模量的增大而减小。带钢宽度对带钢凸度的影响如图5所示2.2.2 轧制力对带钢凸度的影响轧制力是影响带钢凸度的重要因素之一。不管支撑辊的直径有多大，轧制力的增大总是会增加支撑辊的挠曲，从而导致更大的带钢凸度。钢板凸度一般与轧制力成正比。2.2.3 工作辊直径对带钢凸度的影响当工作辊直径增大，辊系在轧制力作用下抵抗挠曲的能力增强，从而使带钢的凸度减小。2.2.4 支撑辊直径对带钢凸度的影响支撑辊直径通常为工作辊直径的1.52.5倍，考虑轧辊的挠曲，既然轧辊刚度与轧辊直径的四次方成正比，那么对支撑辊来说，直径的改变对板形的影响更甚于工作辊。支撑辊的直径增大，带钢的凸度减少。2.2.5 工作辊弯辊对带钢凸度的影响在轧制过程中，弯辊是最常见的用于对带钢凸度和平直度进行连续控制的方法之一。在最为传统的四辊轧机上，对工作辊的弯曲力施加在轧辊两面端的轴承座上。如果弯辊力使辊缝增大，称之为正弯辊。如果弯辊力使辊缝减小，称之为负弯辊。工作辊弯辊对带钢凸度的影响规律是：正弯辊使板凸度减少，负弯辊使板凸度增大。2.2.6 轧辊热膨胀对带材凸度的影响资料显示，在热轧带钢轧机上轧制时分析轧辊热膨胀对带材凸度相互关系，有如下结论：（1） 热轧机组的精轧机换上新辊后的一个轧制周期内（在常规轧制中头2030卷带时），带钢的中心凸度减小很快。（2） 工作辊的初始辊型在轧制的初始阶段（3060min）影响带材中心凸度大，随后其影响就很小。（3） 轧机的时滞会产生达0.09 mm 的带材中心凸度的增量。（4） 观察热轧带钢轧机在一个轧制周期内带材中心凸度的变化时，工作辊的热影响是凸度产生较大变化的主要原因。2.3 平直度控制平坦度取决于入口截面与出口截面的几何相似。如果入口比例凸度与出口比例凸度相等，就表明完全几何相似，则宽度方向各条纵向纤维的压缩和延伸都是均匀的，轧出的带钢就完全平坦。2.3.1 平直度不良的成因宽带钢由于中部和边部受力不均，导致纵向的延伸率在横向上分布不同，这样就造成带钢中部、边部的前进速度产生差异，从而导致了板形不良，平直度不好。例如，如果两边缘地区的金属纤维延伸较大，而中部金属纤维延伸较小，则板端呈“鱼尾”形；反之呈“舌头”形。平直度不良最常见的有浪形和镰刀弯。图6集中反映了几种不良板形的表现形式和导致边浪与中浪形成的直接原因。（1）浪形产生的机理是：不均匀的压缩变形，导致相对延伸不均，延伸大的受压，延伸小的受拉，其结果就是表面不平，出现浪形。在粗轧时，轧件厚和温度高，轧件的不均匀压缩可以通过金属横向移动转移而得到补偿。即对不均匀变形的自我补偿能力较强；当钢轧薄后，对不均匀变形的自我补偿能力很差，加之绝对厚度小，即使是绝对压下量的微小差异也可能导致延伸率不均出现浪形或瓢曲。（2）镰刀弯产生的机理是：钢板偏移了轧制中心线，造成轧辊两端轴承上所受的力不相等，加之机械本身的弹跳也不相等，这样轴承的轴线也就不平行，压下量不相等的钢板厚度也不相等，压下较大的一边出辊速度较大而入辊速度较小（因为根据轧制原理，由于前滑随压下系数的增大而增大，所以当压下率增大时，金属出辊流动速度增大而入辊流动速度减少），这样钢带向压下小的一边偏移，造成镰刀弯。（3）因此，为了保持板形的平直度，必须均匀变形或板的比例凸度一定的原则。2.3.2 平直度控制策略-保持比例凸度不变设轧制前板带边缘的厚度为H，中间厚度为H + CH，即轧前厚度差或称板凸量为CH；轧制后钢板相应的横断面上的厚度分别为h 和 h + Ch ，即轧后厚度差或称板凸量为 Ch。定义CH / H及 Ch / h为比例凸度。为了保证平直度相等，则钢板沿宽度上压缩率相等或钢板边缘和中部延伸率相等，即：由此可得：或 所以要保持板形良好，则必须使比例凸度相等。2.3.3 凸度控制和平直度控制的耦合关系凸度控制是达到凸度目标的控制手段，而比例凸度控制又是达到平直度目标的控制手段。凸度控制在各个单机架上实现，而平直度控制则取决于几个机架之间的比例凸度控制的协调一致。为了同时命中凸度目标和平直度目标：在上游机架实现凸度控制-在上游出口达到比例凸度目标值。在下游机架实现平直度控制-下游各机架保持比例凸度相等，均等于比例凸度目标值。假设某一薄带钢成品厚度（h）是2.0 mm , 成品凸度目标值（Ch） 为0.04 mm ,则比例凸度目标值（Ch / h）是 0.02 mm 。对末架轧机而言，从F4 开始就应控制平直度。假设F4 架轧机的出口厚度为6.0 mm , 则F4轧机的凸度为 6.0 × 0.02 = 0.12 mm 。 过大会产生边浪，过小会产生中浪。如图7：F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7Ch/h0.020.01边浪中浪平坦区图7 凸度控制和平直度控制的耦合关系3 唐钢热连轧生产线板形控制系统特点的分析3.1简介唐钢1810和1700热连轧机组采用的PC技术，为国内外广泛应用的板形控制系统，PC系统从出现至今不断进行改进和完善，根据不同的生产线的工艺技术要求进行有针对性的修改，在机械结构、电器控制等方面有了很大的进步。唐钢1810和1700热连轧机组在薄规格轧制时，随着轧制力的增加和轧辊热凸度的增加，调整辊缝凸度；在常规轧制时，由于坯料长，轧制时间长，轧辊的热凸度将会大幅度提高，为保证带钢凸度和板形稳定，需要在轧制过程中动态调整辊缝凸度，根据以上情况要求PC系统要具备大范围和一定的凸度调整能力。针对这些要求对PC系统进行了重新设计，在上下支撑辊交叉底座下增设了滚动平面轴承，增加了交叉头驱动电机功率，以实现在带轧制力的情况下完成轧辊交叉角度调整。对轧辊轴承座轴向止推定位机构进行了重新设计，满足大角度交叉时的轴向力要求。唐钢1810薄板坯连铸连轧生产线和1700生产线精轧机组都是采用三菱PC技术。如图8：图8 轧辊交叉布置形式3.2 板形控制功能：板形设定模型（SAU）：根据轧制产品的不同钢种、厚度、宽度、温度、轧辊条件、轧制节奏、轧制力能等参数，使用SAU（板形设定模型）对PC角度、弯辊力进行预设定；由精轧出口多功能板形仪连续测量成品带钢的实际板形参数，与目标值进行比较，并通过自学习功能修改设定值，使成品板形指标达到目标值。SAU模型包括：·轧辊热凸度模型：根据轧制条件对轧辊的热凸度进行计算，用于修正设定辊缝凸度。·轧辊磨损模型：根据轧辊材质和轧制条件计算轧辊表面的磨损量，用于修正设定辊缝凸度。·带钢凸度、板形模型：根据轧制条件和设定辊缝凸度计算成品的凸度和板形。·PC角度和弯辊力设定模型：根据计算的设定辊缝凸度和板形目标设定PC角度和弯辊力。·板形自学习模型：根据实测板形对板形设定值进行修改。·静态凸度控制（SDC）：在轧制过程中，根据实测板形静态设定辊缝凸度。·自动板形控制（ASC）：根据实测板板形调整弯辊力，调整板形。4 实际生产中产生板形不良原因的分析和板形优化的实施方案4.1 分析实际生产中出现板形问题的主要原因4.1.1带钢的不均匀受热或冷却带钢加热或冷却不均时会在内部产生应力，当其值超过极限就会出现板形问题。在宽度方向上出现应力不均时会产生边浪或小边浪。4.1.2坯料尺寸不合如果坯料尺寸不合规格，断面厚薄不均，则会造成带材宽度方向延伸不均。4.1.3辊缝设置不合理如果辊缝设置不均匀，单边差较大，则会导致带材延伸不一致。4.1.4轧辊问题(1)在轧制过程中，轧
