四辊与六辊轧机的比较

比较四辊和六辊轧制技术在冷轧机上的应用Dr.mont.Dipl.Ing.GerhardFinstermann,冷轧部和带钢加工厂的首席经理；Dipl.Ing.AloisSeilinger,轧制技术的仿真的首席专家；Dipl.Ing.GregorNopp,冷轧部门经理；Dipl.Ing.GerlindeDjumlija,澳大利亚，林茨，西门子奥钢联冶金技术冷轧的部门经理摘要：通过西门子奥钢联模拟冷轧过程，得出四辊轧制技术和六辊轧制技术在冷连轧应用上关键轧制参数的不同。这涉及到研究不同的轧机的性能。本文全面讨论了SmartCrown系统，在连轧控制下通过条形过渡区的平直度表现，轧机的刚度，厚度方面及边降控制对平直度的影响。制造出平直度完美，厚度不变的板带是每一个轧制工作者的追求。这就要求轧制设备不仅能制造出在质量和尺寸精度方面满足市场需求的带钢，而且也要满足轧制工作者对产品的灵活和产品组合的广泛性的要求。近年来，一些新的冷连轧生产线已经使用了可靠的四辊和六辊轧制技术（图一）。然而，我们并不知道到底是四辊轧机还是六辊轧机能够满足市场对厚度公差和平直度公差的进一步要求，甚至要求更宽的产品组合。板带的强度等级越高，冷轧就越困难。新的连续冷连轧机应该能够轧制抗拉强度达1300MPa的钢材，因为将来需要这些设备去轧制范围更加宽广的钢种并且很大一部分是先进的高强钢包括汽车用的多相特种钢和高硅钢片。同时板带的表面质量（对所有的产品尤其是用于汽车工业的产品是一个关键的特征）和保持板带的边降在允许的公差带范围内是至关重要的。边降对于晶粒取向的电工用钢尤为重要。为了能够更好的比较四辊和六辊轧机的性能，采用了五台相同混合型轧机，其中一号和二号轧机采用六辊配置，三到五号轧机采用四辊配置，并且要求得到以下结果：厚度变化的范围，平直度的控制和边降控制的能力。图1同时设置另外一组同样采用五台相同的混合型轧机，为了能够更好的反映边降控制能力，一到四号轧机采用六辊配置，五号轧机采用四辊配置其中工作辊为锥形。在所有试验用的轧机中，最后一台轧机采用四辊类型，目的是通过一个明确界定的辊形拓扑结构来得到最佳的带钢表面质量的适应性。相反对于六辊轧机，因为由于通过的带钢的宽度没有变化，所造成的工作辊的磨损分布不变，所以能够更加精确的预估四辊轧机的换辊时间。因此最终产品的质量的比较和轧辊在轧机上工作的时间更加容易计算。结果就减少了非计划性的，非生产性的换辊，非常有利于生产计划。技术分析西门子奥钢联开发的轧机模型可以分析二辊、四辊、六辊轧机的力和位移。这个软件是在一系列轧机分析模型上基础上开发的。并且在有限元分析主轧辊的基础上进一步开发了运用外推法压下轧辊。通过改变功能和机械设计的相似性将分析结果运用到被分析的轧辊。除了其他参数，这个新增的功能就是能够非常精确的分析对冷轧分析至关重要的、作为辊叠挠度计算一部分的边降的程度。一个重要的补充对于叠轧辊软件来说就是能够精确模拟工作辊和板带之间的关系、板带宽度上接触压力的分布及尤为重要的板带张力和轧制力之间的相互作用。通过功能可以得到在辊缝出口的板带平直度，这是非常有用的。平直度的调整范围大部分制造者希望每个轧机的辊形轮廓都是固定的。然而这就要求有强大的执行机构来确保在完整的生产过程中所需的平直度。如果辊缝和板带不能很好的匹配，那么就造成板带上应力分布不均，从而出现质量问题。平直度不好，轧制过程中会出现横向漂移、屈曲甚至板带撕裂；为了消除这些问题，只能降低轧制的速度，进而降低了生产效率。为了消除这些问题，将SmartCrown执行系统运用到四辊和六辊轧机的实验中。如图2描述的就是SmartCrown的基本功能原理。通过轴向移动轧辊来改变辊缝轮廓。除了能够确保卸载轧辊的基本辊缝轮廓在要求的范围内变动外，这种特殊的SmartCrown执行系统还能够实现有针正弦形辊缝正凸度负凸度图2余弦形辊缝板带宽度：1300mm4辊6辊工作辊弯曲工作辊偏移中间辊弯曲中间辊偏移图3对性的四阶和六阶参数控制。无需通过其他平直度控制系统（弯辊系统或多区冷却系统），通过两个异形辊使辊缝轮廓处于最佳形状，就可以消除高阶平直度中如季扣这样的缺陷。对比于其他执行系统来说，适应的大幅提升对于瞬时运行来说是非常有效的例如快速轧制温度的变化过程，正在轧制过程中的板带尺寸的范围（即，极宽或极窄），板带的力的改变过程中或者结合尺寸的改变过程中如正在轧制成为产品的过程中。为了减少支撑辊和邻近辊之间的负载差异，可以通过一个互补辊形来修正支撑辊。在四辊和六辊轧机中，有关二阶和四阶辊形曲线的平直度适应范围如图3所示。尽管四辊轧机的模拟辊形凸度的变化范围小于六辊轧机，但是在板带上实现的控制范围已经相当的大了。与SmartCrown辊形的工作辊的效率相比，工作辊和中间辊相互挤压造成效率下降0050。尽管这种不同可以通过扩大的凸度变化范围来弥补，但是很有必要通过六辊轧机的中间辊扩大转变行程。结果就是四辊和六辊系统能调整平直度适应范围都不是很理想。而对于实验中AHHS级别的产品组合的平坦度适应范围来说，这两种轧机都能满足要求。带钢焊接接口处的平坦度在即将成为产品的过程中，由于板带尺寸和（或）强度的改变，平坦度执行机构设定的位置移动和弯辊力的值也可能改变。在这种情况下，多区冷却系统就不是那么重要了。平直度控制环也不能在这种情况下有效控制，因为平直度的实际测量受到广泛的应用。因此，可以通过弯辊的方式完成对板带接口处平直度的有效控制，即使四辊和六辊轧机的轧制速度和轧制力的功能是改变轧制速度。不管怎样六辊轧机在这方面还是具有更多的优势，因为除了工作辊的弯曲，还能够利用中间辊的弯曲来扩大平直度的适应范围（如图3）。实际上，不过四辊轧机没有遇到过这样的问题，因为在板带轧制成功之前工作辊有充足的时间来移动，万一移动过程超过了板带接口的轧制过程，就会出现通过弯辊的调整的同时来使辊缝快速的适应各自的要求。为了说明在这种状态下，模拟在固定偏移量为+77mm下工作辊弯辊力从-454Kn到+545kN的极端变化。以在下面条件下的两个连续板带（1号和2号）在连轧下连轧为基础进行迅速的转变：—1号板带；IF钢,1100mm宽，入口厚度：3.00mm，出口厚度：0.55mm，轧制力：10059kN—2号板带；TRIP钢,1000mm宽，入口厚度：3.50mm，出口厚度：0.90mm，轧制力：16592kN可以得到即便是在不切实际和极端的假设下，没有出现预料中的平直度问题在板带接口处，尽管总轧制力明显的极端的改变同时考虑到带钢尺寸和材料硬度的变化。轧机刚度在每一个轧机生产线上，轧制工作者要求不仅能够得到完美的表面平直度，而且还希望能够得到严格的厚度公差。为了满足厚度控制的要求，轧机要设计的尽可能坚固。在相同的板带下，四辊和六辊轧机的伸展状况的比较如表1所示。4辊6辊叠轧辊最小值2496mm3607mm最大值2729mm4003mm轧机机架909mm966mm油柱最小值532mm532mm最大值2011mm2721mm共计最小值3937mm5168mm表1轧制力为25000kN轧机延伸最大值5649mm7690mm刚度最小值4.43MN/mm3.25MN/mm最大值6.35MN/mm4.84MN/mm四辊轧机总的刚度比六辊轧机高三分之一，同时刚度越高越有利于板带厚度的控制。六辊轧机刚度减少的主要原因是调整型汽缸有规模较大的油柱和中间辊额外的平直度。边降控制通过工作辊的移动来控制板带边降的能力只对电工钢片有重要的意义和只对晶粒取向类型有实际意义。然而未来的产品会更加频繁的涉及到一小部分的AHHS和电工钢片。因此很有必要对这方面进行进一步的实验。减小边降的假设应该在连轧生产线的第一台轧机上开始进行，尽管足够达到局部厚度在边界不引起不予受理的张力甚至可能导致板带断裂的改变。在边降的实验中，当高度的减少发生在3号和4号轧机上（图4）时，作为在四辊和六辊轧机上适应控制措施（简单地说就是板带边缘的压力）的结果的边降的1号和2号轧机减少的主要部分会再现。这对四辊和六辊轧机是有效的并且在导致上述提到的消极影响的前两个通过期间仅仅能够通过采用一个过于高的边缘上升来规避。图5显示了当板带通过能够有效使边降降低的前四座轧机的辊缝。与常规四辊轧机可达到的边降值为40—60m相比，无论什么轧机的类型，都能实现边降值在5—10m范围。为了在六辊轧机上实施这个轧制经验，不仅要用侧移系统来控制中间辊，而且还要控制工作辊。这样对任何等级的钢材来说，边降控制都是可实现的。然而，因为这些板带轧制后都要进行边部修剪，所以对于应用到汽车上的产品来说这样做是没有必要。那么在1到4号轧机上，通过使用具有特殊的倒角和弧形的工作辊并用移动控制系统控制工作辊的方式，是能够实现用使用边降控制的四辊轧机仅生产电工用钢。为了将来能够生产宽度从1200mm到1750mm的电工用钢，即使两个不同的工作辊的侧移行程能够达到100mm在宽度为400mm下，辊形也要达到要求（如图6）。由于工作辊的宽度只能在一定的范围，所以它们必须具备专门的凸度。在这种方式下，只能通过工作辊的弯曲才有可能实现平直度的控制。六辊轧机，EDC-板带#8通过#1通过#2通过#3通过#4轧机的中心位置，mm图4边降控制在前两个轧机上（结构钢）图6在不同的板带宽度上的边降控制轧辊4辊轧机，EDC-板带#8通过#1通过#2通过#3通过#4轧机的中心位置，mm图5边降控制在前两个轧机上（硅钢）结论压下量。在成形能力（压下量能力）方面，如果工作辊的直径在可比的范围内（接近400到500mm）,四辊和六辊轧机的表现都是相当好的。事实上，带有驱动工作辊的四辊和六辊轧机大多数仅仅用在连轧上。六辊轧机仅能够表现出强大的成形能力，如果工作辊的直径比四辊轧机的相当小。然而，在这种情况下，六辊轧机不得不通过支撑辊或工作辊来驱动，因为将所需辊的扭矩传递给工作辊已经不再可能。但是这种类型的六辊轧机不能用在连轧中。尽管在这种情况下，允许每一个轧机的压下量增加，但是绝对压下量尤其是材料很软情况下会受到滑移的限制。于是，通过所有轧机的总的绝对压下量相比于具有更大轧辊直径的轧机来说意义是不大的，甚至在实际中还会减少压下量。这就是为什么这样的六辊轧机仅仅应用在特殊领域的一小部分范围和用于可逆轧机。在此，虽然有滑移量的限制，但是所要求的总的压下量通过附加轧制就很容易实现了。在连轧中，这是不可能实现的，因为受到可以轧制的最大的轧机数目的限制。于是，只有六辊轧机在连轧中采用大尺寸的工作辊和跟四辊轧机相同的概念驱动，才能实现。平直度的调整范围。尽管由于中间辊的弯度平直度控制在六辊轧制中变得更加灵活，但是对于AHHS产品来说平直度控制器所要求的调整范围可以通过已知变量获得。出现这种情况是因为中间辊弯度的调整和偏移行为是相似的。这就意味着在板带轧制期间中间辊弯度能够暂时的补偿由于在过渡区或者在下一个板带上中间辊偏移速度的限制所造成的不佳影响。从上述可以看出，如果在板带移动期间轧制力急剧的改变，这就可以显现出六辊轧机的这个优势。在这次实验中，这样的情况不会出现在现实的轧制过程中，正如下一个带钢的硬度和尺寸部分的改变使这种情况成为可能（例如，至关重要板带间的连接处的碳含量不同）。为了更好的补偿，必须提到的就是六辊轧机对平直度偏差的补偿比第二个更加灵活，在板带轧制期间甚至在处理极端的板带宽度（例如，超过1900mm），因为在这个范围上以作为额外的调整因素影响中间辊的弯度。要在其他技术特点和必须考虑的六辊轧机的整体经济性方面来消除不利因素。因此要在实际中应用每一个措施来检验它是否有利。边降控制。1—4号轧机应当装备适合的控制器来有效的控制边降。作为锥形工作辊轴向的，边降导向的偏移结果，在四辊和六辊轧机上这是可行的。六辊轧制技术很明显在这方面更加灵活，尽管厚度控制不依赖工作辊的轴向移动。刚度。与六辊轧机相比，四辊轧机有相当大的整体刚度。轧辊针对1300mm宽的板带和轧制力为16000kN的轧机，在四辊轧机上的延伸为1.67mm，而在六辊轧机上的延伸率为2.