冷軋機(jī)軋制生成熱對板形的影響及應(yīng)對策略

甄永富，丁嘉襄，馮 沙，辛靜泰

（1.中國重型機(jī)械研究院有限公司，西安 710032;2.中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司，西安 710201)

冷軋機(jī)軋制生成熱對板形的影響及應(yīng)對策略

甄永富1，丁嘉襄2，馮 沙1，辛靜泰1

（1.中國重型機(jī)械研究院有限公司，西安 710032;2.中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司，西安 710201)

分析了冷軋機(jī)軋制過程中的熱交換過程及其對板形的影響，提出了優(yōu)化工作機(jī)制、傾斜控制、彎輥控制、冷卻控制等板形控制方法，有效地改善了冷軋產(chǎn)品的板形質(zhì)量。針對軋輥產(chǎn)生不對稱熱膨脹時的板形控制進(jìn)行了分析，對薄帶產(chǎn)品的板形控制具有一定指導(dǎo)意義。

冷軋機(jī) 熱量 板形 冷卻 控制

板形是衡量冷軋產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，隨著板帶冷軋技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，對板形的精細(xì)控制也提出了更高的要求。來料板形、來料自身的物理性能、軋輥及帶材的接觸變形狀態(tài)、帶材前后張力分布、軋輥初始凸度、輥系的熱膨脹、潤滑條件、磨損等因素都對板形具有較大影響。板形不良是由材料本身內(nèi)在因素和多種外界因素綜合作用形成的，想要進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析、檢測和控制十分困難，而軋制過程中的生成熱對板形的影響是板形控制中需要考慮的重要因素。本文就軋機(jī)生成熱對板形的影響進(jìn)行分析，并針對不良影響提出了有效的應(yīng)對方法。

1 冷軋帶材板形描述

板形是指金屬板帶的翹曲程度，金屬板帶的翹曲本質(zhì)上是由材料內(nèi)部殘余應(yīng)力不均引起的。在冷軋過程中，帶材由于厚度變化主要產(chǎn)生縱向長度的延伸，帶材橫向上的厚度變化不均就可產(chǎn)生帶鋼相對延伸率的不同，從而導(dǎo)致帶材內(nèi)部有殘余應(yīng)力的狀態(tài)，只要帶材中存在殘余的內(nèi)應(yīng)力就稱為板形不良[1]。

在不考慮來料板形缺陷和軋制時帶材橫向延展的情況下，板形良好的條件可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式近似表達(dá)如下：

在工程中常用相對延伸率的偏差來定量表示板形的好壞，即取帶材寬度方向上最長和最短縱條之間的相對長度差作為板形單位，稱為I單位，一個I單位相當(dāng)于相對長度差為10-5。根據(jù)體積不變定律，假設(shè)軋制時帶材橫向延展為零時有：

式中，μ為軋后帶鋼長度的相對變化量（即延伸率);l為軋后帶鋼長度;Δl為軋后帶鋼相對長度差;ε為軋后帶鋼厚度的相對變化量（即壓下率)。

由公式（1)可以看出，要保證良好的板形，必須保證帶材沿橫向有均一的延伸。而從公式（2)可以看出帶鋼的延伸率和壓下率近似于正比關(guān)系，所以軋輥凸度發(fā)生變化而引起的帶材厚度變化，會對板形產(chǎn)生直接影響，實(shí)質(zhì)上軋輥凸度沿橫向的變化改變了帶載輥縫形狀，相當(dāng)于改變了帶鋼的板形分布。

2 軋制過程中生成熱及熱傳遞分析

由于瞬態(tài)溫差的存在，冷軋機(jī)溫度場實(shí)際上是一個不斷放熱、吸熱且趨向于平衡狀態(tài)的熱交換過程。

2.1 生成熱

軋制過程中生成熱如圖1所示。

圖1 軋制過程中生成熱

冷軋機(jī)在軋制工作時會消耗驅(qū)動電機(jī)很大一部分功而生成熱量，通常在冷軋機(jī)溫度場分析中對相鄰軋輥（工作輥→＜中間輥＞→支撐輥)間及軸承處摩擦產(chǎn)生的熱量和帶材軋前帶入熱量不作考慮，所以軋制過程中的生成熱主要來自：

（1)帶材發(fā)生塑性變形時產(chǎn)生的熱量。

（2)帶材與工作輥接觸相對滑動產(chǎn)生的摩擦熱。

2.2 熱傳遞過程及類型分析

按照傳遞介質(zhì)和方式，熱傳遞可以分為3種形式：傳導(dǎo)、對流和輻射[2]。

軋制過程中熱交換如圖2所示。

圖2 軋制過程中熱交換

冷軋機(jī)生成熱的直接流出主要通過以下途徑：（1)生成熱被直接接觸的工作輥吸收——傳導(dǎo)、輻射。

（2)軋制完成且不斷遠(yuǎn)離輥縫的帶材帶走的熱量——傳導(dǎo)、輻射。

（3)周圍空氣帶走熱量——對流。同時冷軋機(jī)生成熱還存在以下間接熱傳遞方式：（1)相鄰軋輥（工作輥→＜中間輥＞→支撐輥)間的熱傳遞——傳導(dǎo)、輻射。

（2)冷卻液通過帶材和軋輥間接吸收熱量——對流。

（3)軋輥內(nèi)部及帶材內(nèi)部自身熱傳遞——傳導(dǎo)。

對于冷軋機(jī)而言，輻射熱傳遞和空氣對流傳遞對整個溫度場乃至熱凸度的影響很小，在此忽略不計(jì)，可以近似認(rèn)為軋制生成熱就是冷卻液強(qiáng)制對流換熱和軋制帶材帶走的熱量之和。

3 生成熱對板形的影響及改善板形的控制方法

軋輥吸收生成熱后溫度上升，產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而產(chǎn)生熱變形，使帶載輥縫的形狀發(fā)生改變，影響板形，這是一個擾動量;同時軋輥又通過與冷卻液對流換熱過程達(dá)到熱平衡，使熱變形趨于穩(wěn)定，這是一個可控量[1]。如果軋輥沿輥身方向溫度變化不均，就會使軋輥產(chǎn)生熱凸度。雖然工作輥與支撐輥（中間輥)之間存在熱傳導(dǎo)，但實(shí)際上支撐輥（中間輥)橫向溫度變化差相對較小，對于工作輥溫度場分布影響很小，所以本文關(guān)于軋輥熱凸度的論述主要考慮工作輥凸度。

工作輥熱凸度C可近似表示為：

式中，a為工作輥材料膨脹系數(shù);D為工作輥直徑;ΔT為工作輥熱凸度溫度，即工作輥邊部與中部的溫度差。

溫度場分布和軋輥熱凸度是關(guān)系到帶材板形的關(guān)鍵因素。在軋制生產(chǎn)中，不斷的熱生成和熱交換過程，勢必會造成軋輥不同程度的熱膨脹，對板形產(chǎn)生不良影響，下面列舉一些控制途徑，以應(yīng)對各種熱影響。

3.1 工作機(jī)制的優(yōu)化

軋輥熱變形過程具有滯后性和高耦合性，通過調(diào)整生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的一些可控量以及優(yōu)化軋制生產(chǎn)計(jì)劃，提前進(jìn)行預(yù)控或人工補(bǔ)償，可以獲得比較好的效果。

（1)工作輥原始凸度：軋輥原始凸度是輥型變化的基礎(chǔ)，相對于熱凸度來說可以看作是可控的，針對自身生產(chǎn)環(huán)節(jié)溫度場工況選擇合理的工作輥初始凸度，是更好控制板形的前提。

（2)輥系預(yù)熱：在開軋之前利用冷卻液對輥系進(jìn)行預(yù)熱，可以使軋輥獲得一定的熱凸度，雖然較穩(wěn)定值小，但是可以縮短穩(wěn)定熱凸度形成時間，從而獲得更多相對穩(wěn)定的軋制時間。

（3)減少停機(jī)時間及換輥次數(shù)：在無預(yù)熱條件下，開軋約30 min后軋輥達(dá)到穩(wěn)定熱凸度的60%，約60 min后軋輥才達(dá)到穩(wěn)定熱凸度的90%，而停機(jī)時間過多過長或者換輥都會使溫度場發(fā)生改變，破壞軋輥熱凸度的穩(wěn)定狀態(tài)，對板形產(chǎn)生不利影響，應(yīng)盡量減少停機(jī)時間和換輥次數(shù)。

（4)產(chǎn)品軋制計(jì)劃優(yōu)化：在開軋階段以及軋輥凸度處在由一個穩(wěn)定值向另一個穩(wěn)定值過渡的過程中，軋輥的熱凸度變化比較大，此時板形較難控制，所以在安排軋制計(jì)劃時應(yīng)盡量保證某種軋制工況的長期性。在產(chǎn)品規(guī)格發(fā)生變化時，應(yīng)該先軋制對板形不是十分敏感的窄帶，利用其形成熱凸度，再軋制板形較難控制的寬帶。

3.2 傾斜控制

不均勻的溫度分布經(jīng)常會產(chǎn)生帶材單側(cè)邊浪，影響板形，甚至?xí)箮Р呐芷绊懻Ｉa(chǎn)。帶材的單側(cè)邊浪板形缺陷屬于一階次缺陷，可以用傾斜軋輥的方式加以消除，一般通過控制傳動側(cè)和操作側(cè)壓上（下)油缸的位移來實(shí)現(xiàn)整個下（上)輥系的傾斜，達(dá)到控制板形的目的。實(shí)際應(yīng)用中還可通過施加不對稱的彎輥力來消除帶材單側(cè)邊浪的輔助控制，但軋機(jī)需要設(shè)置能夠單邊獨(dú)立可控的工作輥彎輥系統(tǒng)。

3.3 彎輥控制

由公式（3)可以看出，熱凸度值與輥身中心和輥端部之間的溫度差成正比，由于溫度沿輥身方向的不均勻分布，工作輥會產(chǎn)生熱凸度，例如：在軋制開始階段，在熱凸度沒有達(dá)到穩(wěn)定值之前，帶材容易產(chǎn)生兩側(cè)邊浪;在穩(wěn)定軋制過程中工作輥軋制部分與兩端非軋制部分生成熱不同，且中部冷卻液不易流出，導(dǎo)致熱交換效果相對兩端部差，因此形成中部溫度高兩端溫度低的輥溫分布，使帶材產(chǎn)生中間浪。

針對軋輥沿輥身中心對稱的熱凸度變化而產(chǎn)生的帶材二階次缺陷，可以通過彎輥控制來加以消除，即通過向輥頸兩端施加彎輥力，使軋輥在輥身方向發(fā)生彎曲變形，改變軋輥的有效凸度，從而控制帶載輥縫的形狀，達(dá)到控制板形的目的。在帶材產(chǎn)生兩側(cè)邊浪時增大工作輥彎輥力（正彎)，在帶材產(chǎn)生中間浪時減小工作輥彎輥力，必要時還應(yīng)采用負(fù)彎輥力進(jìn)行控制。

3.4 冷卻液控制

軋制過程中冷卻液在起潤滑作用的同時又起冷卻作用，帶走相當(dāng)大一部分軋制生成熱，使軋輥處于熱平衡狀態(tài)[3]。如果沿輥身方向改變冷卻液的分布狀況，由于冷卻條件的改變，軋輥的溫度和熱凸度都會隨之改變。圖3所示為某軋機(jī)穩(wěn)態(tài)軋制過程中實(shí)測工作輥表面溫度和熱凸度分布情況比較，由此可見通過對冷卻液的控制也可以對板形進(jìn)行控制。

為了使穩(wěn)態(tài)軋制時軋輥熱凸度值穩(wěn)定，冷卻液溫度是非常關(guān)鍵的因素，需要保證合適且相對穩(wěn)定的冷卻液溫度，另外在開軋階段可以減小輥身中部的冷卻液量，加速穩(wěn)定熱凸度的形成，但應(yīng)注意不能小于基本潤滑量。

傾斜、彎輥控制都只是對帶載輥縫進(jìn)行全輥縫調(diào)節(jié)，如果軋輥產(chǎn)生局部或者不對稱熱膨脹，致使帶材產(chǎn)生復(fù)合波、局部波等復(fù)雜的諧波板形缺陷時，這種全輥縫調(diào)節(jié)方式控制效果不大[4]，而通過冷卻液對軋輥熱凸度進(jìn)行細(xì)分控制是消除帶鋼高階次缺陷的有效途徑。分段冷卻控制在板形控制中有其不可替代的作用。

將沿輥身方向的冷卻區(qū)域分成若干段，對各段的冷卻液流量、壓力進(jìn)行單獨(dú)控制，就可以對軋輥熱凸度進(jìn)行細(xì)分控制。例如，某1450六輥冷軋機(jī)，每根工作輥冷卻液橫梁共有兩排噴嘴，靠近帶材一排噴嘴主要用以保證基礎(chǔ)潤滑量，在軋制時保持常開狀態(tài);另一排噴嘴被分隔為五個冷卻區(qū)段（中間區(qū)段沿輥身中心對稱)，每個冷卻區(qū)段均可以通過閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，冷卻液流量可以在最小量（閥門關(guān)閉)和最大量（閥門全開)之間選擇，可以有效控制帶材的非對稱缺陷（如1/4浪)。

圖3 軋制過程中工作輥表面溫度和熱凸度分布比較

對于軋制生產(chǎn)中的薄帶產(chǎn)品，其更容易產(chǎn)生翹曲，板形控制相對較難，基于此原因，對熱變形要進(jìn)行更精細(xì)的冷卻控制，即應(yīng)該有盡可能多的噴射控制區(qū)段，實(shí)際運(yùn)用中已經(jīng)對可控冷卻區(qū)段細(xì)分到每一個冷卻噴嘴。例如，中國重型機(jī)械研究院有限公司（原“西重所”)為實(shí)現(xiàn)軋輥細(xì)分冷卻開發(fā)了一系列專用冷卻控制閥，控制閥集成在冷卻液橫梁內(nèi)，可以對每個控制閥對應(yīng)的冷卻噴嘴進(jìn)行開/關(guān)控制，在機(jī)架外部就近設(shè)有氣動控制柜，通過柜內(nèi)電磁氣閥控制到冷卻閥的壓縮空氣通、斷，實(shí)現(xiàn)冷卻閥的開啟或關(guān)閉，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)速度快，已在多套軋機(jī)上成功應(yīng)用。

有了以上細(xì)分的冷卻控制機(jī)構(gòu)，如果增加相應(yīng)的輥型預(yù)報(bào)或者板形檢測手段就可以實(shí)現(xiàn)熱凸度的自動控制，更快速準(zhǔn)確地消除帶材的板形缺陷。在實(shí)際應(yīng)用中可以通過建立熱凸度模型實(shí)時計(jì)算輥型，得到實(shí)際的輥縫形狀，給細(xì)分冷卻執(zhí)行機(jī)構(gòu)更為準(zhǔn)確的設(shè)定值，同時在軋機(jī)出口安裝板形檢測儀，得到實(shí)測板形，給出細(xì)分冷卻執(zhí)行機(jī)構(gòu)合理的流量分布模型，控制對應(yīng)冷卻閥的動作，實(shí)時修正板形，以獲得更好的板形。

4 結(jié)論

（1)軋輥熱凸度是影響冷軋帶鋼板形質(zhì)量的主要因素，要想得到良好的板形，就不能忽略軋制過程中生成熱的影響。

（2)合理的工作機(jī)制、傾斜控制、彎輥控制、冷卻控制是控制板形的有效方法。

（3)對冷卻液冷卻區(qū)域進(jìn)行細(xì)分控制是消除軋輥局部、非對稱熱膨脹導(dǎo)致帶材產(chǎn)生復(fù)雜浪形的一種有效控制手段。

（4)軋輥熱變形受到許多因素的影響，要找到一個適用于各種工況的規(guī)律，以便更好地控制板形，在理論上和實(shí)踐中還有許多工作有待進(jìn)一步探索。

[1]王國棟.板形控制和板形理論 [M].北京：冶金工業(yè)出版社，1986：1-28.

[2]陸煜，程林.傳熱原理與分析[M].北京：科學(xué)出版社，1997：5-6.

[3]趙志業(yè).金屬塑性變形與軋制理論[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1980：97-112.

[4]曹小軍，盧紅梅.軋輥熱凸度實(shí)例分析[J].山西冶金，2007（5)：15-34.

Influence of Cold Rolling Mill Rolling Heat on Strip Profile and Countermeasures

Zhen Yongfu,Ding Jiaxiang,Feng Sha,Xin Jingtai
(China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710032,China;Sinosteel Xi'an Machinery Co.,Ltd,Xi'an 710032,China)

The authors analyze heat exchange process and its influence on strip profile during cold rolling,and poses control methods of systematic optimization,inclined control,bend roll control and cooling control to effectively improve strip profile.The paper,analyzing strip profile control during asymmetric heat expansion generated by roller,provides certain instruction for strip profile control.

cold rolling mill,heat,strip profile,cooling,control

甄永富（1981—)，男，甘肅慶陽人，工程師，主要從事冷軋?jiān)O(shè)備液壓與潤滑的設(shè)計(jì)研究工作，E-mail：zhenyongfu1084@163.com。

（收稿 2012-02-15 編輯 潘娜)