冷軋帶鋼板形控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

秦 偉

（河鋼股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063016）

1 冷軋帶鋼板形控制技術(shù)的研究背景

板形是帶鋼的平直（翹曲）度，表現(xiàn)在橫向和縱向兩個(gè)方面。板帶內(nèi)部存在殘余的應(yīng)力便是板形不良。而板帶的板形良好的主要表現(xiàn)是板帶材特出“平”與“直”這兩個(gè)主要特征。相對(duì)應(yīng)的，板帶的板形質(zhì)量不高的特征則是板帶鋼出現(xiàn)浪型、瓢曲以及旁彎結(jié)構(gòu)。

如今人們?cè)谏唐愤x購(gòu)的時(shí)候?qū)滠垘т撡|(zhì)量要求的不斷提高，尤其是越來(lái)越受到消費(fèi)者追捧的汽車(chē)板以及空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)等家電板，這些冷軋帶鋼的產(chǎn)品表面質(zhì)量相當(dāng)高，而板形的質(zhì)量則是檢測(cè)冷軋帶鋼的重要指標(biāo)之一[1]。

除此之外，所以在板類(lèi)工藝品的生產(chǎn)過(guò)程中，做好板形的檢測(cè)和控制是不可或缺的重要環(huán)節(jié)然而。軋制過(guò)程中的板形控制是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，因此必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做出全面的控制。從整體來(lái)看，冷軋板的帶鋼板形的控制需要從生產(chǎn)過(guò)程中的材料、設(shè)備、工藝、操作以及管理等多個(gè)因素做出綜合的考量再做出決定。如果只是注重其中的一個(gè)要素，那么并不會(huì)取得良好的生產(chǎn)效果。除此之外，還要在生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況做出具體的應(yīng)對(duì)，抓住當(dāng)中主要的矛盾。

這個(gè)過(guò)程需要先進(jìn)的和板形控制技術(shù)來(lái)為整個(gè)控制來(lái)做保駕護(hù)航。因此在高精度的軋制領(lǐng)域里面，如何減少乃至防止板帶材發(fā)生板形變形，提高板形的質(zhì)量一直是國(guó)內(nèi)外板形研究的重點(diǎn)。

2 板形缺陷產(chǎn)生的原因

在寬帶鋼受冷軋的時(shí)候，在棍縫的寬度比描縫長(zhǎng)度達(dá)，另外棍縫中帶鋼指點(diǎn)在寬度方向的流動(dòng)比沿軋制方向的流動(dòng)更為困難，所以可以理解為鋼質(zhì)點(diǎn)只沿軋機(jī)出口以及入口這兩個(gè)方向進(jìn)行流動(dòng)。

因此可以認(rèn)為帶鋼質(zhì)點(diǎn)只沿軋機(jī)出口和入口兩個(gè)方向流動(dòng)，這就是為什么帶鋼在冷禮過(guò)程中可以認(rèn)為基本沒(méi)有寬展，只有從沿禮制方向進(jìn)行延伸。而根據(jù)金屬的體積不可壓縮的原理，下量大的纖維條，它在軋制方向上的延伸也相對(duì)應(yīng)更加大。

加上軋件是一個(gè)連續(xù)體，各個(gè)纖維條在不同方向的延伸必然會(huì)引發(fā)各個(gè)纖維條件的互相牽制，而延伸較長(zhǎng)的纖維條會(huì)受到壓應(yīng)力，相對(duì)的較短的則受到拉應(yīng)力，兩者同時(shí)形成內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)壓應(yīng)力逐步增加并達(dá)到臨界值的時(shí)候，受到壓應(yīng)力作用的位置則會(huì)產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)，產(chǎn)生浪形等板形缺陷，讓板帶材失去“平”與“直”兩個(gè)特征，質(zhì)量受到影響。

3 冷乳帶鋼板形控制系統(tǒng)

3.1 板形控制系統(tǒng)

輥縫決定帶鋼的平直度。然溫度和凸度會(huì)導(dǎo)致不平直的因素，會(huì)在生產(chǎn)的過(guò)程中帶到帶鋼內(nèi)部的應(yīng)力當(dāng)中影響輥縫的大小，所以說(shuō)調(diào)整輥縫的時(shí)候，無(wú)論平直度偏差的數(shù)值是多少操作人員都要在第一時(shí)間引起注意并及時(shí)調(diào)整讓它達(dá)到目標(biāo)中的平直度。

除此以外，輥縫的運(yùn)作構(gòu)造也會(huì)影響到帶鋼的平直度，因此操作人員在運(yùn)行系統(tǒng)的過(guò)程中要把執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作有效地進(jìn)行組合來(lái)消除出現(xiàn)的平直度偏差。而這便是自動(dòng)板形控制系統(tǒng)（AFC）的效用?？偟膩?lái)說(shuō)，自動(dòng)板形控制系統(tǒng)的控制策略是把實(shí)測(cè)板形轉(zhuǎn)換成曲線(xiàn),并用來(lái)表示實(shí)測(cè)和要求板形之間的偏差,然后把它和輥縫的特性進(jìn)行相加來(lái)讓板形系統(tǒng)及時(shí)做出反應(yīng)，并選擇出控制動(dòng)作的最佳組合，在短時(shí)間內(nèi)用最為便捷的方式調(diào)節(jié)輥縫讓斷面輪廓達(dá)到預(yù)測(cè)目標(biāo)[2]。

3.2 彎輥系統(tǒng)

因?yàn)橐簤焊自诠ぷ鬏伜椭虚g輥輥頸產(chǎn)生作用力，從而導(dǎo)致部件發(fā)生彎曲。如果在所有運(yùn)行條件下要成功首先平直度數(shù)值的控制控制，那么同時(shí)產(chǎn)生正、負(fù)兩個(gè)彎輥力的彎輥系統(tǒng)是必須的。首先彎輥和平直度控制系統(tǒng)需要聯(lián)合起來(lái)共同運(yùn)作，平直度控制系統(tǒng)通過(guò)外部的控制環(huán)把校正信號(hào)輸入到液壓系統(tǒng)中并轉(zhuǎn)換成液壓力。與此同時(shí)彎輥系統(tǒng)也因?yàn)椴捎昧司艿膲毫鞲衅鞫@得了極高的精密度。

3.3 冷卻系統(tǒng)

要處理好工作輥排出熱量的問(wèn)題，需要在工作輥的輥體均勻地噴上冷卻液，這樣可以起到對(duì)輥體的潤(rùn)滑效果。除此之外，平直度控制系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)可以做到科學(xué)地按區(qū)域分配冷卻液，這樣能高效地解決非對(duì)稱(chēng)性的問(wèn)題。

平直度控制系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)包括基本冷卻和分段冷卻的冷卻裝置，冷卻裝置是由平直度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制與監(jiān)視。測(cè)量輥的測(cè)量偏差是指與設(shè)定目標(biāo)模型的偏差值，把此偏差進(jìn)行賦值并使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，然后再將計(jì)算結(jié)果輸入調(diào)節(jié)器進(jìn)行計(jì)算處理還有分析。執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整量和調(diào)整位置的變化的同時(shí)，板形儀測(cè)量顯示的圖形和數(shù)據(jù)也會(huì)隨之發(fā)生變化。測(cè)量系統(tǒng)只會(huì)發(fā)出修正值和偏差值的訊息。而從整體來(lái)說(shuō)，板形控制系統(tǒng)和測(cè)量輥是檢測(cè)，彎輥與CVC輥控制以及冷卻則是手段。

3.4 液壓自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)（AGC）

為了實(shí)現(xiàn)軋件的自動(dòng)測(cè)厚的控制讓縱向板形的平直度達(dá)到理想的效果，如今在現(xiàn)代的板帶軋機(jī)上，通常情況下會(huì)安裝液壓壓下裝置，也就是采用液壓壓下的自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)（AGC）而這個(gè)系統(tǒng)，包括：

（1）測(cè)厚的部分、厚度比較和調(diào)節(jié)部分。

（2）輥縫調(diào)節(jié)部分，以輥縫調(diào)節(jié)量作為訊號(hào)，通過(guò)壓下裝置對(duì)輥縫做出實(shí)時(shí)的調(diào)整，以來(lái)減少或抵消掉軋件的厚度差異來(lái)達(dá)到保持板形的恒定的效果。

3.5 使用新型號(hào)的軋機(jī)，從根本上控制好板形

（1）CVC軋機(jī)。CVC軋機(jī)利用搭配了輥縫連續(xù)可變凸度的控制技術(shù),這是把中間部分輥的輥面設(shè)計(jì)成S形瓶狀表面，而兩軋輥的大小頭在軋機(jī)上互相作用形成一百八十度方向的配置，這樣便可以隨著軸線(xiàn)相反的方向進(jìn)行移動(dòng)，并逐漸形成正、負(fù)輥縫凸度。

由于軸向位置是無(wú)級(jí)變化的，于是就形成了持續(xù)變化輥縫凸度的控制效果，CVC控制系統(tǒng)和液壓AGC、工作輥以及中間輥正負(fù)彎輥、工作輥和中間輥橫移和軋輥冷卻相互配合協(xié)作，共同組成了平真度控制的閉環(huán)系統(tǒng)，從而達(dá)到較為理想的控制效果。此類(lèi)軋機(jī)最突出的特征是輥縫斷面可以持續(xù)做出調(diào)整，對(duì)規(guī)定的軋制參數(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，這樣帶材邊部減薄可以得到明顯的改善。

（2）經(jīng)過(guò)對(duì)軋輥有載輥縫的控制對(duì)板形做出控制。而如果在軋制影響因素穩(wěn)定的情況下，則可以通過(guò)合理的軋輥進(jìn)行原始輥型設(shè)計(jì)。而影響因素不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)隨時(shí)對(duì)輥縫的凸度產(chǎn)生影響，該CVC軋機(jī)除了擁有輥溫控制和液壓彎輥控制這兩個(gè)突出功能之外，它還可應(yīng)用另外兩個(gè)新的技術(shù)[3]。

第一個(gè)是增加有載輥縫的剛度。在軋制力發(fā)生波動(dòng)的同時(shí)，還可以持續(xù)保證有載輥縫形狀的穩(wěn)定性，這樣對(duì)減小軋后帶鋼板形波動(dòng)有著積極的作用。而采用提高輥縫系數(shù)Ks的方式來(lái)增加板形控制能力，可以視為剛性輥縫型，比如在采用工作輥或者中間輥的竄動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)軋制力分布，可以提高了輥縫的剛度。另外一個(gè)技術(shù)是加大輥縫的調(diào)節(jié)范圍，采用加大軋輥原始的輥縫去調(diào)節(jié)范用來(lái)達(dá)到控制板形的目的，而這便是柔性輥縫型。

3.6 張力調(diào)節(jié)

冷軋生產(chǎn)的過(guò)程中有一個(gè)顯著特點(diǎn)：張力軋制，由于會(huì)受到許多因素的干擾，冷軋的張力值有時(shí)會(huì)發(fā)生不確定的波動(dòng)。所以在生產(chǎn)的過(guò)程中，操作人員一定要確保張力保持在正常的數(shù)值內(nèi)。這樣才能讓軋制的狀態(tài)保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

如果張力保持在較大的范圍里，便可以保證軋制穩(wěn)定以及板形良好的狀態(tài)?？墒且坏┏^(guò)了限定的值的時(shí)候，便較有可能出現(xiàn)斷帶、卸卷困難的問(wèn)題。與此相對(duì)應(yīng)的，張力過(guò)小的話(huà)也會(huì)引導(dǎo)致跑偏問(wèn)題的出現(xiàn)。所以說(shuō)操作是要根據(jù)材質(zhì)、規(guī)格、鋼種等實(shí)際情況具體問(wèn)題具體分析，選取合理的張力值。

如果板形不同，相應(yīng)的張力調(diào)節(jié)方式也應(yīng)該有所不同：中浪可以合理地減小張力；兩邊浪則可以適當(dāng)?shù)卦黾訌埩Γ屲堉屏p少，讓邊部延伸變小。因?yàn)樵谏a(chǎn)的過(guò)程中不能僅僅靠張力的調(diào)整對(duì)板形做出改變，原因在于它對(duì)板形控制能力存在局限。所以實(shí)際的最終效果便很大程度取決于操作人員對(duì)機(jī)器的熟練程度。

4 冷軋帶鋼板形控制系統(tǒng)技術(shù)研究

4.1 軟件模型

（1）預(yù)先設(shè)置好控制模型：在把帶材頭部放到軋機(jī)前，軋機(jī)的各種板形機(jī)構(gòu)都要有正確的預(yù)設(shè)定值，并把它作用在反饋控制的調(diào)節(jié)起點(diǎn)。

（2）軋制力—彎輥力前饋控制模型：板形預(yù)設(shè)定控制模型在計(jì)算好設(shè)定數(shù)值的時(shí)候采用的軋制力是預(yù)先估算好的。那么或多或少與在實(shí)際軋制的過(guò)程中預(yù)估的軋制力和實(shí)際的軋制力出現(xiàn)誤差，另外軋制是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此軋制力是隨著機(jī)器運(yùn)作一直改變的。要去除誤差和軋制力的變化對(duì)板形的改變，就要在實(shí)際的操作過(guò)程中對(duì)彎輥力實(shí)時(shí)做出持續(xù)性的補(bǔ)償調(diào)整。

4.2 冷連軋機(jī)板形控制特點(diǎn)

（1）冷軋金屬受到橫向摩擦作用的影響，其橫向的流動(dòng)會(huì)在很大程度上遭到阻礙，因此除了帶鋼邊緣部位存在三維變形之外，橫斷面幾何尺寸的變化基本上要全部都轉(zhuǎn)變?yōu)槠街倍鹊淖兓?，這種轉(zhuǎn)化效應(yīng)在冷軋的過(guò)程中效果比熱軋更為顯著。所以為了確保板形的良好，要求冷軋?jiān)谧冃蔚倪^(guò)程中要盡可能保持相對(duì)斷面形狀不變。總的來(lái)說(shuō)，冷軋帶鋼“板形”通指平直度，然而斷面形狀并不包括在內(nèi)。

（2）冷軋大張力變形在減緩帶鋼的延伸還有減少軋輥彈性撓曲變形等多個(gè)層面發(fā)揮效益。

4.3 精整工序板形控制注意事項(xiàng)

（1）間隙調(diào)整不當(dāng)或者帶鋼邊部厚度突變經(jīng)常會(huì)讓剪切帶鋼出現(xiàn)連續(xù)的短暫而急促的輕邊浪，部件受影響的范圍一般在出現(xiàn)早1mm的寬度位置。

（2）輥式矯直機(jī)經(jīng)過(guò)多次反向彎曲，帶材厚度外層根據(jù)纖維應(yīng)力的實(shí)際狀況在寬度方向上有條件地做出屈服讓其平直化。因?yàn)樗苄宰冃尾荒茏饔门c帶鋼內(nèi)部，所以難以產(chǎn)生整體性的永久延伸。因?yàn)檫@個(gè)而出現(xiàn)的殘余應(yīng)力能夠通過(guò)進(jìn)一步彎曲或者剪切去掉。所以說(shuō)輥式矯直機(jī)可以矯直除了除鐮刀彎之外的所有平直缺陷從而獲得目標(biāo)的平直度。

4.4 平整工序板形變化及控制

（1）操作人員要科學(xué)地對(duì)平整機(jī)的工作輥進(jìn)行選擇來(lái)支承輥原始凸度，除此之外還要根據(jù)來(lái)料板形，結(jié)合彎輥還要傾斜控制進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)。

（2）操作過(guò)程避免出現(xiàn)平整帶鋼表面油污污染，做到嚴(yán)格把控好平整卷的溫度[4]。

（3）操作過(guò)程要防止因?yàn)橥嘶鸨氐臅r(shí)間過(guò)少還有性能不均而造成的平整浪形狀。

（4）不同于熱軋鋼，冷軋帶鋼因?yàn)樯婕暗接绊懝ば虬逍钨|(zhì)量的因素比較多，因此從熱軋?jiān)系嚼滠堒堉?、熱處理到精整等等的多個(gè)工序環(huán)節(jié)對(duì)冷軋成品最終板形質(zhì)量有不同程度影響。針對(duì)這些影響要素，操作的時(shí)候需要針對(duì)各個(gè)工序板形變化特征和具體的實(shí)際情況來(lái)采用對(duì)應(yīng)措施并進(jìn)行優(yōu)化控制。只有經(jīng)過(guò)全方位、多方面的高質(zhì)量管理才能在加工后獲得理想的冷軋成品板形。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，板形是冷軋帶鋼以及高檔汽車(chē)板和家電板的重要質(zhì)量指標(biāo)。在軋制過(guò)程中的板形控制是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所以要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面控制。操作人員務(wù)必要熟練運(yùn)用好AGC.AFC等工藝技術(shù)，結(jié)合板形儀等先進(jìn)的輔助設(shè)備和操作工的操作水平，還要理解掌握其背后的理論技術(shù)，才能很好地保證冷軋帶鋼的板形形狀和質(zhì)量。