7 中厚板板凸度和板形控制技术汇总

7中厚板板凸度和板形控制技术 7．1板凸度和板形的基本概念 中厚板生产是钢铁生产过程的重要组成部分，板凸度和平直度是重要的质量指标。近年来，在中厚板轧制中，普遍采用大压下轧制、低温轧制等技术，轧制力大幅增加，板凸度和平直度控制的问题也更加突出。本章将就中厚板板凸度、平直度控制时应考虑的影响因素及具体的数学模型进行讨论。 所谓板形(plate shape)，通常指的是平直度(flatness)，或称翘曲度，俗称浪形，即沿中厚板长度方向上的平坦程度；而在板的横向上，中厚板的断面形状(profile)，即板宽方向上的厚度分布也非常重要。断面形状包括板凸度、边部减薄及断面形状等一系列概念。其中，板凸度(plate crown)是最为常用的横向厚度分布的代表性指标。 7．1．1板凸度 中厚板板凸度可以定义为轧件横断面上中心处厚度与边部某一代表点(一般指离实际轧件边部40mm处的点)处厚度之差值(图7-1)，即 Ch=hc－hc (7-1) 式中hc——钢板横断面上中心处的厚度； hc——钢板横断面上边部某一点代表处厚度。 7．1．2边部减薄

轧后板材在90％的中间断面大致具有二次曲线的特性，而在接近钢板边部处，厚度迅速减小，发生边部减薄现象。工业应用中，板凸度指除去边部减薄区以外断面中间和边部厚度差。边部减薄也是一个重要的断面质量指标。边部减薄量直接影响到边部切损的大小，与成材率有密切关系。边部减薄表示为： Ce=hel－he2 (7-2) 式中Ce——板带钢的边部减薄； hel——边部减薄区的厚度； he2——骤减区的厚度。 7．1．3 中厚板断面形状的表达式 中厚板的板形与中厚板断面形状有关，所以为了控制中厚板的平直度，也可以将中厚板的板形用断面形状参数来表述。钢板的断面形状可以用轧件厚度^(z)和板宽方向离开中心线距离x之间的多项式来表示，即 h(x) = hc+a1x+a2x2+a3x3+a4x4 (7-3) 式中 hc——嘲。忤中部桷厚霞； a1，a2，a3，a4——断面形状的特征参数。 任何一个给定的断面形状，都能以式7-3来表达。但是除一次项与两侧压下不等有关外，一般认为中厚板轧件是左右对称的，因此奇次项不存在，同时为了计算的简便，可以忽略高次项的影响，因此式7-3可以写成： h(x) = hc+ a1x + a2x2+ a4x4 (7-4) 由上式可知，只要知道4个参数hc、a1、a2、a4，则断面形状完全可以确定。系数a1、 a2和a4主要取决于轧辊凸度分布∆Dx、单位长度轧制力分布∆Px、弯辊力大小和方向Fw。分别控制∆Px、∆Px、Fw，就可以改变a1、a2和a4，从而达到改变轧后轧件断面形状和控制平直度的目的。 除了上面所述的与中厚板断面形状有关的各个特征值外，在今后讨论板形问题时，还要涉及到辊缝形状及轧辊辊型等技术名称。 上下辊各种辊型的综合构成了空载辊缝形状。当轧人轧件时，在轧制力的作用下，轧辊将发生弯曲和剪切变形(60％～70％为弯曲变形)，因而形成有载辊缝形状。有载辊缝形状与下列因素有关： (1)轧制力造成的辊系弯曲变形(包括剪切变形)及辊系压扁变形； (2)弯辊力造成的辊系弯曲变形； (3)轧辊热膨胀引起的辊缝形状变化； (4)轧辊磨损(工作辊与支撑辊的磨损)对辊缝形状的影响； (5)原始轧辊辊型(工作辊与支撑辊的辊型)对辊缝形状的影响； (6)在线可调辊型(CVC、PC等)对辊缝形状的影响。 7．1．4板平直度 将中厚板设想成是由若干纵条组成的整体，各窄条之间相互牵制、相互影响。若轧件沿横向厚度压下不一样，则各窄条就会相应地发生不同的延伸，从而在各窄条之间产生相互作用的应力。当该内应力足够大时，就会引起轧件的翘曲，此翘曲程度即被定义为平直度。在中厚板生产中，一般用中浪或边浪来定义翘曲，平直度的定量表示方法有很多种，较为实用的有相对长度表示法、波形表示法、残余应力表示法等。 7．1．4．1相对长度表示法 作为平直度的定量指标，如图7-2所示有两个量，其一是用横向上最长与最短纵条间的相对长度差来表示，即相对延伸差E： E=∆L/L (7-5) 式中 ∆L——轧后轧件最长与最短纵条长度之差； L——轧后轧件最短纤维的长度。

相对延伸差E的国际通用单位为I单位，一个I单位相当于相对长度差为10－5。 7．1．4．2波形表示法(翘曲度法) 用波形表示板形的方法可分为波高表示法及波浪度表示法。用板材翘曲曲面上偏离基准 平面的最大距离来表示板形的方法称为波高表示法。而将此段板材的翘曲认为是一正弦波，用其波高与波长的比值来表示板形的方法称为波浪度表示法。波形表示法(翘曲度法)如图7-3所示，其数学表达式为：

100%vvRL (7-6)

式中 λ——翘曲度，以百分数表示；

7．1．4．3残余应力表示法 轧件宽度方向上分成许多纵向小条只是一种假设，实际上轧件是一个整体，小条变形时要受到左右小条的限制，因此当某小条延伸较大时，受到左右小条的影响，将产生压应力，而左右小条将产生张应力。这些压应力或张应力称为内应力，轧制完成后的内应力称为残余应力。 特别是在目前板带生产中，随着接触式板形仪的逐渐广泛应用，这种利用在轧制过程中所检测到的前张应力差分布来表示板形的方法被广泛采用。残余应力表示法的数学表达式为： σre= aT(2x／B)2+const （7-10）

式中σre——辊缝出口处戈点在钢板中发生的残余应力； aT——板形参数； B——板宽； x——所研究点距钢板中心的距离； const——二次函数常量。 7．1．5良好平直度的条件 考虑到轧件厚度与平直度和板凸度之间的密切关系，引入比例凸度的概念，比例凸度G，表示为板凸度c。与轧件轧后的平均厚度h之比，即为： Cp=Ch／h (7-11) 为了获得良好的板形，要求中厚板轧件沿其横向有一均匀的延伸，即应保证来料中厚板的横断面形；状与承载辊缝的几何形状相匹配，从而使轧件横向上的纵向延伸均匀，轧件的轧前与轧后断面各处尺寸：比例恒定，由此定义： Ch／h=CH／H (7-12) 良好板形的条件为板材轧前比例凸度Cpi-1必须等于轧后比例凸度Cpi即比例凸度差值： △Cpi=Cpi—Cpi-1=0 (7-13) 也就是说，轧件人EI和出口的比例凸度相等是平直度良好的基本条件。 比例凸度恒定为板形良好条件的结论，对于冷轧来说是可以成立的。然而对于中厚板生产来说，由于轧件的道次厚度较大、温度较高，轧制时存在一定的横向流动，因而减弱了对比例凸度严格恒定的要求。图7-4为横向流动与纵向流动示意图。当轧件厚度小于6mm时，由于基本上不存在横向流动，因此可以认为遵守比例凸度恒定的原则。当轧件厚度超过6mm时，即使来料断面形状与承载辊缝不相匹配，也有可能不会导致轧后的板形缺陷，此时允许各小条有一定的不均匀延伸而不会产生翘曲。

因此，在实际轧制时，可以根据产品凸度方面的要求，进行轧件凸度的修正，允许有一定程度的比例凸度变化。根据K．N．Shohet等的研究，热轧时当比例凸度的差值∆Cpi满足式7-14时，原来平直的钢板仍保持平直： －2α(h／B)a<∆Cp 式中 B——轧件宽度； α，a，b——模型经验系数。 当某个道次的钢板入口与出口的比例凸度差满足式7-14时，不会出现浪形问题。从图7-5可以看出，随着轧件厚度^的减小，要想不出现浪形，钢板的比例凸度的可改变量越小，板形良好区越窄。 另外，根据上述经验公式可以看出，对于厚而窄的板材，横向流动的可能性较大，因而所允许的比例凸度变化就相应的要大。 7．1．6板平直度与板凸度的关系 作为板形横向典型指标的板凸度和纵向典型指标的板平直度之间的关系并不是相互独立的，它们彼此相互制约，相互影响，不可分割。 经理论推导，得出比例凸度差值∆Cp与翘曲度λ之间存在以下关系：

而比例凸度差值∆Cp与相对延伸差E之间的关系为： ∆Cp =E (7-17)

由上述关系可见，板凸度和平直度之间的关系比较密切。板平直度的控制最终还要归结到板凸度的控制上，也即要归结到轧辊辊缝形状的控制上。 7．2中厚板轧机板凸度和板形控制手段 我们知道，在中厚板在线生产过程中，板形受多种因素的影响，如工作辊和支撑辊的磨损辊型、热辊型的变换、轧制力的波动和轧制计划的编排等。因此，对于普通四辊中厚板轧机的板形控制手段主要就是工作辊与支撑辊初始辊型设计和轧机压下负荷的动态分配。压下负荷动态分配通过调节各个道次的压下量改变其轧制力，从而使得钢板的出口凸度发生改变。但是，随着工作辊和支撑辊磨损的增加，压下负荷分配已经不能使钢板的出口凸度满足目标时，只能改变工作辊或支撑辊的辊型，即更换工作辊；在支撑辊服役后期，换工作辊也不能够达到控制板形目标的时候，则应该更换支撑辊，以有效地控制钢板的板形。一般来说，在一个工作辊的服役周期中，为了保证钢板的目标凸度，末道次的轧制压力随着工作辊的磨损应该逐渐减小，随着工作辊服役周期成周期性变化。 新建的中厚板轧机一般都设有弯辊或窜辊装置，如首钢3500mm中厚板轧机设有最大弯辊力为2000kN的弯辊系统；宝钢5300ram宽厚板轧机不仅有弯辊、窜辊装置，还采用了CVC-PLUS技术的工作辊和支撑辊辊型。这些装置给板形控制提供了自由度，它们的控制策略一般是前几个道次以控制板凸度为主，后几个道次以控制平直度为主。 7．2．1 中厚板轧辊辊型设计 由于目前国内中厚板轧机一般不具有板形控制装备，所以板形控制的能力较弱。合理的辊型设计和优化不但有利于板形控制，而且还具有在轧辊磨损区域内扩大轧辊使用周期的作用。辊型优化设计时需要考虑轧辊热凸度的影响，另外还要考虑磨床的加工能力。 在轧制过程中，轧辊受到轧制力的作用而产生弯曲变形、剪切变形和压扁变形，同时由于轧辊辊身长度方向上的温度不均匀而引起轧辊热凸度，这些都会对轧件出口凸度产生影响。辊型优化设计的目的就是消除以上因素对轧件出口凸度的影响，控制轧件出口凸度，改善辊间力分布，延长轧辊寿命，并使辊间接触长度具有根据轧件宽度变化而变化的能力，减少有害弯矩对出口板形的影响。 支撑辊辊型的设计有两个目标。第一个目标是减少有害接触区。有害接触区是板带轧制中导致板形恶化和引起边部减薄的重要原因。由于中厚板轧制是一个多道次可逆轧制过程，并且中厚板生产具有多规格、小批量的特点，所以宽度规格变化比较频繁。优化设计后的支撑辊辊型能够使工作辊和支撑辊的接触长度随着轧件宽度变化自动调节，减少端部辊间的有害接触。优化目标表达式为：