唐钢热连轧机板形控制技术的研究与应用－徐杰

唐钢热连轧机板形控制技术的研究与应用董和民唐山钢铁股份有限公司2007.7主要内容1.前言2.热轧宽带钢轧机板形控制技术及运用的研究3.唐钢热连轧生产线板形控制系统特点的分析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5.唐钢1700生产线板形控制实践6.结论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。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。2.1板形控制的思想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）：2热轧宽带钢轧机板形控制技术及运用的研究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36912带钢厚h(mm)图1金属流动与带厚的关系曲线C区：h﹥12,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：6﹤h≦12,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：0﹤h≦6,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。图4轧制过程中影响板凸度的因素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。在宽带轧机上，带钢的基本中心凸度要大一些。带钢基本中心凸度随带钢模量的增大而减小。2.2.1带钢宽度对带钢凸度的影响带钢宽度对带钢凸度的影响如图5所示带钢凸度带钢宽度图5带钢宽度对带钢凸度的影响2.2.2轧制力对带钢凸度的影响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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20—30卷带时），带钢的中心凸度减小很快。工作辊的初始辊型在轧制的初始阶段（30－60min）影响带材中心凸度大，随后其影响就很小。轧机的时滞会产生达0.09mm的带材中心凸度的增量。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。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。轧件与辊缝带钢宽度方向内应力分布带钢外观a中浪b边浪c平坦图6导致边浪与中浪形成的直接原因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。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这样钢带向压下小的一边偏移，造成镰刀弯。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:hHCChH或hCHChH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。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6.0mm,则F4轧机的凸度为6.0×0.02=0.12mm。过大会产生边浪，过小会产生中浪。如图7：F1F2F3F4F5F6F7Ch/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。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系统具备较大范围和一定的凸度调整能力。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：热轧辊热凸度模型：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在轧制过程中，轧辊因受较大轧制力、热凸度、磨损等影响，会出现一段有害变形区。由于轧辊材质或铸造问题，使用中会出现较大磨损；意外事故也会导致轧辊端部剥落，使带材受力严重不均，出现侧弯。轧辊导卫固定不牢，轧辊轴承座和机架窗口间隙大，也会引起轧辊横向窜动。4.2采取控制板形优化的实施方案4.2.2强化铸坯检验保证坯料表面质量和尺寸精度装炉前要对坯料进行表面检查，及时清除表面缺陷，并保证尺寸精度。4.2.3制订合理轧制规程合理设置辊缝根据轧制规程合理调整各道次压下量，轧制速度必须与压下量相适应。轧制过程中精轧机组保持小套量微张力轧制，1810生产线粗、精轧机组之间保持无张力微堆轧制。粗轧单边差不大于0.5ｍｍ，精轧单边差不大于0.03ｍｍ。4.2.1严格执行加热制度保证加热质量生产中必须严格执行加热制度、停轧降温制度。要根据轧制节奏需要，合理控制各段炉温，保证开轧温度，并使坯料加热均匀。4.2采取控制板形优化的实施方案4.2.5确定合理的轧辊使用制度制订合理的换辊制度，及时更换轧辊是避免轧辊过度磨损的有效手段。我们根据所轧制的钢种、规格制定出合理的换辊支数。保证轧辊在未出现严重损伤前及时更换。4.2.4正确选择轧辊材质合理设计轧辊辊型根据轧制过程中出现的轧辊有害变形区大小，计算支撑辊的弯曲挠度，合理设计辊型。将支撑辊两端改为阶梯形过度。另外，应合理选择轧辊材质，减少轧辊表面磨损，并尽可能减少有害变形区。4.3轧制负荷的分配优化对于唐钢1810和1700热连轧机组而言，主要通过板形控制设备、强化磨辊与换辊管理以及优化负荷分配方法。在只考虑轧制力的前提下，1700热轧机负荷分配采取的办法是：辊缝方程可写成：c=p/kp设各架轧机的横向刚度系数相等，即Kp1=Kp2则有：-80kp(h2/w)(p1/h1-p2/h2)40kp(h2/w)b由理想板形方程可知，当Δ(p/h)=0时为理想的负荷分配。优化负荷分配如图9：图9优化负荷分配示意图4.4最佳弯辊力的确定最佳弯辊力预设定的原则辊缝中金属横向流动的研究表明，轧件厚度较大时金属易于横向流动，具有较大的断面凸度调节性能；对热带钢连轧机，当厚度小于6～8mm时，过大地改变相对凸度，会导致宽度上延伸不均，从而引起板形缺陷。因此，控制热带钢连轧机精轧机组凸度和平直度的原则是：在厚度较大时，应尽可能利用金属易于横向流动，具有较大凸度调节能力的特性，最大限度地降低板凸度，然后在以后的机架中，使轧制前后相对凸度差基本保持不变，转入以控制平直度为主。唐钢1700六机架热连轧精轧机组，工作辊弯辊装置是板凸度和板形的重要控制手段。根据上述热连轧机板凸度和平直度控制原则，最佳弯辊力的预设定原则是：考虑到咬入稳定性，F4在调节板凸度的同时兼顾平直度，以防止横向张力差过大，导致不良板形进入后续机架，对以后的平直度控制产生不利影响；对F5、F6两个末道次机架，则主要控制平直度，尽可能使这两个机架的前张力分布均匀，尤其是最后一个机架。在各道次弯辊力预设定值的优化计算中，最终的目标是在保证成品机架。在选定F2和F3的弯辊力预设定值时，一是要考虑到弯辊力在轧制过程中还需要随着轧制压力的波动而进行相应的调节，应留有一定的调节余度，二是要尽可能避免使用最大的弯辊力，以提高工作辊轴承的使用寿命。5唐钢1700生产线板形控制实践5.1唐钢1700热轧薄板生产线板形控制系统主要工艺设备参数和功能5.1.1轧机设备主要参数：轧机机架E1R1F1F2F3F4F5F6F7轧辊直径工作辊1200/11001200/1100825/735825/735825/735680/580680/58068