钢热生产线控制改进

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板形（凸度和平坦度）是衡量板带材几何尺寸精度的重要指标之一。热轧带钢轧制过程工况复杂，有许多因素影响板形控制精度，这些因素又集中表现为轧制过程中的轧制力和辊形变化［1］。辊形技术是板形控制中最直接并有效的技术之一，也一直是一个研究热点［1－9］。CVC（ContinuousVariableCrown）连续可变凸度辊形是1982年德国施罗曼－西马克（简称SMS）公司研制的一种控制板形的新方法。目前，世界上已有超过150架各类轧机采用了CVC技术。但是，往往由于生产钢种、规格、以及工况等因素变化，初始给定的CVC设计辊形并不能满足生产过程中的板形控制要求，需要进行辊形优化［10－13］。本文介绍了首钢迁钢2250mm热连轧机组在投产后不久出现了带钢凸度控制不理想的问题，并通过CVC辊形技术优化予以解决。

1问题描述

首钢迁钢2250mm热连轧机组于2006年底投产，是首钢的第1条薄板生产线，设备由西马克设计，控制系统由西门子提供。精轧机组6个机架的工作辊采用西马克设计CVC辊形，支撑辊均为平辊形。精轧机组的工作辊弯辊力和窜辊的设备能力分别为150t和150mm。从2008年年初开始，在轧制单位中，出现了带钢凸度变得越来越小，尤其是对薄而窄规格的产品，有时甚至出现负凸度现象。对2008年上半年的生产数据进行了收集，并按轧制单位行了数据处理。在图1（a）所示的一个轧制计划内，带钢凸度从开始轧制时的80μm左右减小至零或者负凸度，并且随着轧制带钢卷数和节奏的加快，凸度降低的趋势也加快（见图1（b））；F1到F6的CVC窜辊的位置很快就用到了负极限（图1（c）），且弯辊力也用到了最小（图1（d））。这种凸度降低的趋势，还是得不到有效控制，冷轧用薄而窄规格的产品问题更加严重。从2008年上半年的大量数据可以看出：凸度从轧制计划开始时的70～80μm，很快随着轧制降低到30μm以下，尤其是当轧制1020mm（宽度）×3mm（厚度）以下规格的时候，出现负凸度，不能满足冷轧用料的凸度要求。从4月份开始，随着冷轧用料大量生产，带钢凸度不能稳定控制的问题愈加严重。

2问题分析

为了找到此热轧生产线凸度控制存在上述问题的根源，除了对2008年1～7月的几个轧制单位的二级模型在一个轧制单位内的计算结果和生产数据进行分析外，还进行了工作辊温度、工作辊热辊形和磨损辊形等数据的实际测量。首先进行了轧辊表面温度的测量工作，在轧制计划结束后完成了大量的轧辊温度测试工作，典型测量结果如图2所示。从轧辊辊面温度测量结果看，轧辊下机温度偏高，辊身中部与边部温差大，最大为40℃左右。轧辊冷却水流量已经开启到最大：轧钢时95％，2块钢间歇时间70％。轧辊半径方向上的热膨胀数值Crth可以通过经验公式计算：Crth＝D×α×（tc－te）／2（1）式中：D为轧辊直径，mm；α为热膨胀系数，1．1×10－5／℃；tc和te分别为轧辊中部与边部的温度，℃。以图2中的轧辊温度测量结果，根据式（1）可以计算出轧辊热凸度，如表1所示。对工作辊热凸度和磨损辊形进行了实际测量，以F4和F5机架工作辊测量结果为例，如图3所示。从图上可以看出，轧辊热凸度较大，尤其是磨损辊形小的机架，热凸度甚至使得辊形成凸形。热辊形在半径方向就已经在0．15～0．20mm范围了。从上述数据结果中可以知道，轧辊的热凸度较大，前3个机架的热凸度基本上都在300μm以上，最大达到了450μm以上，下游3个机架的热凸度也基本在200μm以上。热凸度实际测量与计算结果证明了首钢迁钢2250mm热轧机组精轧工作辊的冷却水能力不足，轧辊热凸度偏大。比较了其他公司热轧生产线工作辊冷却水流量，如表2所示，首钢水流量要小很多。在一个轧制单位中，开始轧制30min左右，轧辊热凸度建立，并一直稳定在一定的范围。但是，从首钢迁钢2250mm热轧生产线的带钢凸度控制结果和轧辊热凸度情况看，热辊形凸度一直增大，没有得到稳定的控制。轧辊热凸度偏大，对带钢板形控制不利，造成带钢凸度偏小，薄规格带钢的凸度更小。究其原因是，轧机设计给定的轧辊冷却水流量偏小，不能满足工作辊冷却要求，轧辊热凸度过大。轧辊冷却能力不足的问题，也从现场的轧制节奏上得到体现。现场试验，如果2块钢间歇时间延长到20min以上时，带钢凸度又增大到开始轧制时候的凸度值，然后随着轧制节奏加快，带钢凸度又很快的减小。文献［14］研究了磨损和热凸度对CVC技术板形控制性能的影响，指出CVC工作辊磨损量（直径方向）达到0．2mm时就有可能使轧辊移动对板形的控制作用崎变，甚至无效，CVC对磨损与热辊形变化极为敏感。这证明迁钢2250mm轧机工作辊热凸度过大导致CVC辊形控制板形的能力失效，才出现了带钢凸度控制不理想的问题。

3CVC辊形技术优化及其应用效果

从上述分析与比较看出，出现这种带钢凸度偏小，而且控制不住的问题根源在于：1）轧辊冷却能力不够，工作辊热凸度大，导致现有CVC辊形调控能力不足；2）由于产量的要求，轧制节奏快，加剧了此问题的严重性。解决此问题的直接方法是增大精轧工作辊的冷却能力，可以从增大冷却水流量和降低冷却水温度两个方面考虑。由于轧辊冷却水系统改造费用高，需要停产，根据增大板形调控能力的方法，修正精轧工作辊的CVC辊形曲线，增大CVC调控能力，增大CVC轧辊辊形辊径差，增大辊缝凸度调控范围，是解决带钢凸度控制能力不够问题的一个有效途径。故选择优化CVC工作辊辊形技术方案，同时，也进行了CVC支撑辊辊形的技术开发工作。

3．1CVC辊形优化宽带钢热连轧生产中，边浪和中浪是主要的板缺陷，对四次板形的调节能力要求较小，因此，在生产实践中，CVC轧机大都以二次板形为主要控制目标，此次2250mm热连轧机工作辊辊形改进仍然采用的是三次CVC辊形曲线［15］。工作辊CVCwr辊形方程表达式如下：根据生产数据分析结果，对精轧机组工作辊的CVC曲线进行了优化，辊形曲线的半径差加大，带钢凸度的调控范围增大。新CVC辊形的空载辊缝形状，调节范围为－1200～1200μm，直径差3．9mm。原有CVC辊形的调节范围为：－700～700μm，具体辊形曲线如图4所示。工作辊CVC辊形加大，支撑辊辊形也相应的做了调整，优化了辊形配置。支撑辊从平辊改成CVC辊形。支撑辊辊身中部辊形曲线CVCbr为：在辊身边部，进行中部辊形与边部倒角进行光滑过渡处理，图5为精轧机组所有机架已经全部使用的CVC支撑辊辊形。对设计优化前后的辊形配置进行了板形调控能力计算分析比较。计算了CVC工作辊与平辊形支撑辊配置和工作辊与支撑辊均采用CVC辊形配置的有载辊缝对带钢二次和四次凸度的调控范围。计算结果如图6所示。从图中比较结果看，新的辊形配置不仅具有很大的二次凸度调控能力，而且在四次凸度调控能力上得到一定的提高。

3．2应用效果2008年下半年首先把F4到F6的工作辊辊形换成了新的CVC辊形，因为凸度主要由前3架进行控制，后3架对凸度的控制能力有限，所以没能彻底解决凸度控制能力不够的问题。而后，在2009年初，又把F1到F3机架的工作辊辊形也改成了新的CVC辊形，然后将所有支撑辊磨削了所设计的CVC支撑辊辊形，增大了板形调控能力，板形控制出现的凸度过小问题得到了有效的控制，如图7所示。从图7可以看出，应用新CVC辊形配置后，带钢凸度在轧制单位内较为稳定，而且，窜辊和弯辊力2个调控手段也得到了有效发挥，计算凸度与仪表测量的带钢凸度很接近。从图8支撑辊采用CVC辊形前后的磨损辊形比较结果看，支撑辊采用CVC辊形具有良好的辊形自保持性。在采用平辊形时，支撑辊磨损辊形呈现箱形并且非对称，而且中部的轮廓与CVC工作辊非常类似，证明非均匀接触应力存在，平辊形支撑辊边部存在应力集中。从CVC支撑辊下机后测量的磨损辊形看，辊形自保持性比较好，这是由于支撑辊辊形与工作辊辊形匹配良好。辊形保持性良好，对板形控制有利，能保证轧制计划末期带钢保持良好的板形质量。与CVC辊形工作辊相配套的支撑辊CVC辊形技术，降低了辊耗，增强了带钢板形控制能力。2008年6—8月份，按照目标凸度±20μm作为衡量指标，凸度命中率仅为67．2％，存在的主要问题是凸度偏低，特别是1．3％为负凸度，这给冷轧造成一定不良影响。2009年CVC辊形优化后，带钢的板形控制精度有了明显的提高，凸度命中率指标达到了93％以上。

4结论

1）经过深入分析首钢迁钢2250mm热连轧生产线在达产初期出现的带钢凸度控制稳定性差的问题，找出由于轧辊冷却水能力不足引起轧辊热凸度过大是导致上述问题的根源，CVC辊形对热凸度和磨损辊形较为敏感。2）根据生产数据和实际测量分析结果，优化了首钢迁钢2250mm热轧线精轧机组的CVC工作辊辊形，设计并应用了CVC支撑辊辊形，此辊形配置解决了凸度控制精度差的问题，改善了带钢板形质量，板形控制精度达到了93％以上。3）与轧辊冷却水系统改造相比，辊形配置优化无需对设备进行改造，只是在轧辊上磨削特殊的辊形曲线就可以达到改善带钢板形质量的目的，投资小，效果明显。