冷轧工艺4

六、冷带钢板形控制

128．轧机辊缝形状与哪些因素有关?

带钢的横向厚度差(即断面形状的变化)和板形的变化是由辊缝形状的变化引起的。影响辊缝形状的因素有：

(1)轧辊的弹性弯曲变形。它使辊缝中部尺寸大于边部尺寸，带钢中部产生凸度，带钢边缘减薄。轧制力越大，轧辊的弹性弯曲变形越大。轧辊直径越大，刚性就越好，则轧辊的弹性弯曲变形越小。

(2)轧辊的热膨胀。轧制时轧件变形而产生的热量、轧件与轧辊摩擦而产生的热量都会使轧辊受热。冷却润滑液又会使轧辊冷却。由于沿辊身长度上其受热和冷却不一致，在各种因素的影响下，轧辊中部比两端的热膨胀大，从而使轧辊产生热凸度，影响辊缝形状。 (3)轧辊的磨损。工作辊与带钢之间、工作辊与支撑辊之间的摩擦会使轧辊磨损。影响轧辊磨损的因素也是多方面的，例如，轧辊与带钢的材质、轧辊表面硬度和粗糙度、轧制力和轧制速度、前滑和后滑的大小以及支撑辊与工作辊之间的滑动速度等都会影响轧辊磨损的快慢。另外，沿辊身长度方向轧辊磨损是不均匀的，这些都会影响辊缝的形状。

(4)轧辊的弹性压扁。轧制时，由于轧制力的作用，带钢与工作辊之间、工作辊与支撑辊之间均会产生弹性压扁。影响辊缝形状的不是轧辊弹性压扁的数值，而是压扁值沿辊身长度方向的大小。对于工作辊来说，如果轧制力沿带钢宽度是均匀分布的，则工作辊的弹性压扁分布也是均匀的。由于工作辊与支撑辊之间的接触长度大于带钢与工作辊的接触长度，因而接触长度上各点的压力是不相同的，这就使辊与辊之间弹性压扁值沿辊身长度方向也是不均匀的。工作辊与支撑辊之间不均匀压扁引起了辊缝形状的变化。

(5)轧辊的原始辊形(凸形、凹形或圆柱形)。轧辊原始辊形不同，就可以人为地使辊缝形状不同。我们在生产中就用轧辊原始辊形这一因素来补偿上述因素对辊缝所造成的影响。

129．什么叫辊形，辊形设计的任务是什么?

轧辊辊身表面的轮廓形状称为辊形，一般以辊身中部和端部的直径差ΔD(即凸度)来表示。

在常温下，刚磨制出来的辊形称为原始辊形(ΔDo)，轧制过程中，由于辊温和磨损的影响，辊形发生变化，这时的辊形称为工作辊形(△D)，工作辊形ΔD为：

式中 ΔDo——原始辊形，凸形为正，凹形为负，圆柱形为零； △D热——热凸度，凸形为正，凹形为负；

ΔD磨——磨损凹度。

辊形设计的任务就是在轧制时使工作辊辊形能够补偿轧制力引起的轧辊弹性变形(包括弹性弯曲和弹性压扁)，以保证带钢的横向偏差(断面凸度)最小，这时，工作辊原始辊形的设计条件是：

式中f——工作辊的弹性弯曲变形。

由于轧辊磨损值很难事先确定，所以，工作辊的原始辊形只由轧辊弹性变形(挠度)和热凸度决定。磨损的影响则靠换辊、合理安排不同产品的轧制计划、压下规程、调整辊温分布等方式来补偿。此时

式中，轧辊弹性弯曲变形与轧辊刚度和轧制力有关。轧辊的热凸度△D热决定于轧辊的材料和辊身温度分布。由于影响轧辊温度差的因素很多，所以轧辊温差多采用实测值，有时 △D热也采用实测值。

按照不同轧机的轧制条件，原始辊形可以是圆柱形(ΔDo=0)、凸形(ΔDo>0)和凹形(ΔDo

四辊冷轧机的支撑辊一般磨成圆柱形，而工作辊则磨成一定的凸度，可以磨一个工作辊呈凸面，也可以两个工作辊都磨成凸面的。现场生产一般只磨一个工作辊呈凸面，这样磨辊比较方便。当辊形设计合理时，上述辊形的组合都能轧出横向厚度比较均匀的带材(图3-70)。

130．怎样计算轧辊挠度? 为了简化计算，近似地认为四辊轧机支撑辊与工作辊之间的压力分布是沿辊身长度方向均匀分布的。此时，支撑辊受力简图如图3-71所示。

图3-70辊形对板材横向厚度差的影响 a-两个工作辊凸形；b-一个工作辊凸形

图3-71支撑辊受力简图

设每个支撑辊辊身中央的最大挠度为f1′，则四辊轧机轧辊的弯曲变形(挠度)f1为：

由于轧辊(支撑辊)直径与长度之比值较大(D／L=0.4～1)，则横切力对挠度的影响不可

忽略。因此，支撑辊最大挠度f1′为：

用材料力学方法可以求出(图3-71)：

式中 Pz——轧辊上的总轧制力； E——轧辊的弹性模量； G——轧辊的剪切模量； D——支撑辊的辊身直径； d——支撑辊的辊颈直径；

L——支撑辊辊身长度；

a——支撑辊轴承中心线间的距离；

c——支撑辊辊身边缘至轴承中心线间的距离。

举例：已知条件：300mm四辊冷轧机，工作辊直径：D工=120mm；辊颈直径：d工=75mm；支撑辊直径：D支=300mm；辊颈直径：d支=150mm；辊身长度：L=300mm；轧辊材质：60CrMoV；支撑辊轴承中心线间的距离：a=545mm；支撑辊辊身边缘至轴承中心线的距离：c=122.5mm；轧辊弹性模数：E=2.1×105MPa；轧辊剪切弹性模量：G=0.8×105MPa；轧制08A1钢带，轧制力 Pz=1110kN；钢带宽度：B=206mm。 (1)由弯矩引起的挠度f弯′为：

131．怎样计算轧辊弹性压扁量?

假定工作辊与支撑辊之间的压力是均匀分布的，即不考虑对轧辊弯曲变形的影响，并把工作辊与支撑辊之间的弹性压扁看作是两个圆柱体的接触变形，如图3-72所示。由于接触压扁，两辊中心线互相靠近的数值(即压扁值)可由下式计算。

图3-72工作辊与支撑辊之间的弹性压扁示意图

L——轧辊辊身长度；

R工——工作辊半径；

R支——支撑辊半径；

E——轧辊弹性模数，钢轧辊取E=2.1×105MPa。

故上下两对工作辊与支撑辊之间的弹性压扁量的总和为：

132．怎样计算轧辊热凸度?

在冷轧中，由于带材变形热和摩擦热的作用，轧辊难免会有一定的温度升高。实践表明，辊身各部分的温度并不一致，由此引起的温度差将导致轧辊直径尺寸的热膨胀差(即轧辊热凸度)。在正常轧制过程中，工作辊表面的温度可升至80～120℃，支撑辊表面温度可升至50～70℃。工作辊辊身中部(温度最高处)与边部的温差通常为15～20℃，最高可达30～40℃，支撑辊辊身中部与边部的温差通常为5～6℃，最高可达15～20℃。冷轧机工作辊表

面的最佳温度是60～70℃，辊身中部与板材边部的温差为5～10℃，与辊身边缘的温差为10～20℃。在正常条件下，支撑辊辊身的纵向温差不大于5℃。轧辊辊身温度分布不均，使轧辊产生热凸度。

轧辊热凸度△D热可近似地按下式计算：

式中D——轧辊直径，mm；

△t——辊身中部与边部的温度差，℃；

-6

a——轧辊材料的线膨胀系数，1／℃，对钢轧辊来说，取α=11.9×lOl／℃，铸铁轧

辊α=12.8×10-61／℃；

Kt——约束系数，当轧辊横截面上温度为均匀分布时，Kt=1，当温度分布不均且表面温

度等于心部温度时，Kt=O.9。

举例：已知条件同上题。取工作辊中部与板边的温度差Δt=5℃，轧辊热凸度△D热为：

133．怎样合理选择冷轧工作辊的原始辊形?

工作辊原始辊形的合理选择是以正常生产条件下相对稳定的轧制力、辊温和辊身磨损特点为依据的。原始辊形△Do本质上起到补偿各因素的平均影响的作用。生产中，对辊形的控制和调整又是在原始辊形的基础上施行的，或者说是以原始辊形为其出发点的。因此，原始辊形选择得合理与否对辊形控制的效果有直接影响。由此可见，合理的辊形设计与辊形的实际控制二者是相辅相成的。

检验原始辊形的合理与否应从产品质量、设备利用情况、操作的稳定性以及是否能有效地减少实际辊形控制与调整的工作量等方面来衡量。原始辊形凸度选得过大或过小，都会在带材产品的板形与横向厚差上反映出来，凸度选得过大会引起轧件的横窜或蛇行以及容易造成断带事故；辊形凸度选得过小有可能限制轧机能力的充分发挥，因为原始凸度小，在实际操作中，压下稍微给大一些，带材就会因出现边浪而报废，尽管此时实际操作上轧制力还远未达到允许值。

工作辊原始辊形△Do与轧辊弹性变形(挠度)f1、轧辊间弹性压扁f2、轧辊热凸度△D热的关系如下：

在生产中，原始辊形的选定并不完全是依靠计算，而主要是依靠经验估计与对比。按经验确定原始辊形ΔDo的方法，一般都是先参照国内外已有的同类型或相似轧机的经验预选一个原始凸度值(开始时此值都选得偏小一些)，然后根据试轧的效果逐渐修正。由于冷轧工作辊换辊频繁，故轧制一批产品后根据实际情况再调整一下原始辊凸度值是完全应该的。在大多数情况下，一套行之有效的辊形制度都是经过一段时期的试轧，反复比较其实际效果之后才确定下来，并且随着生产条件的变化作适当的改变。也应进行必要的理论验算。从所考虑轧机的具体轧制条件出发，经验估计与理论计算互相补充，使辊形的初步设计有较充分的根据。

125Hz的励磁线圈；下探测头则带有测感线圈。磁通通过被测钢板。测感线圈的输出电压是带材内部出现的张应力的函数。此应力值通过电子装置最后显示于荧光屏上。其测量结果也可直接用来控制轧机的弯辊系统。

图3-78非接触式磁力板形仪

(3)张力辊式(接触式)板形仪测量。张力辊式板形仪中比较常用的一种如图3-79所示，a、b图分别表示两种横向张力下延伸波动的分布。其方法是用由多段组成的测量辊代替一般的驮辊。带钢的延伸不均将反映为横向张力的分布不均，每一段测量出与其相接触的一小段带材(25～50mm宽)中的张应力，据此反推板形并实行控制。

图3-79张力辊式板形仪

140．什么叫液压弯辊，怎样使用?

液压弯辊就是用液压缸对工作辊或支撑辊施加附加弯曲力，使轧辊产生附加挠度，补偿轧辊原始辊形凸度，以保证带钢板形良好。液压弯辊装置能迅速调整轧辊辊形，且调整幅度较大。液压弯辊装置不仅可以减少磨辊次数，而且还减少换辊次数，提高轧机作业率，同计算机相结合，就可以有效地控制板形。液压弯辊的缺点是给轧机、轧辊轴承和轧辊本身增加了附加载荷，因而影响了轧机能力的充分发挥。

液压弯辊有两种基本方式：弯曲工作辊和弯曲支撑辊。

(1)弯曲工作辊的方法有正弯辊法(简称JWW法)，是减小工作辊挠度的方法(图3-80a)；负弯辊法(简称JWB法)，是增加工作辊挠度的方法(图3-80b)。弯曲工作辊的方法较灵活，结构简单，弯辊力较小，又能达到满意的辊形控制效果。因此，工作辊弯曲方式在一般带材轧机上使用较广。

正弯辊是在上、下工作辊轴承座之间设置液压缸或利用工作辊平衡缸(图3-81)对上、下工作辊轴承座施加与轧制力方向相同的弯辊力J／2(此规定为正值，故称正弯辊)。在工作辊正弯的作用下，轧制时轧辊的挠度减小。

负弯辊是在工作辊轴承座与支撑辊轴承座之间设置液压缸(图3-81)，对工作辊轴承座施加一个与轧制力方向相反的作用力 J／2(此力规定为负值，故称负弯辊)，工作辊负弯使轧制时工作辊的挠度增加。

轧辊在使用中磨损时，辊身中部磨损比边部快，应采用正弯辊，增加轧辊向下的挠度，就可延长轧辊使用周期，减少换辊和磨辊次数。

在轧制过程中，轧辊受热膨胀，辊身中部散热较慢，使辊径膨胀较大，这时需要用负弯辊来减小轧辊凸度，使轧出带钢的板形较好。

由于轧件材料性能不均匀、温度不均匀、轧辊辊形变化以及轧件规格变化等各种原因，在带钢轧制过程中需要随时通过弯辊装置来调整辊形。

(2)弯曲支撑辊的方法是把支撑辊两端加长，在伸长的辊端上设置液压缸。支撑辊正弯法是弯辊力J／2的作用方向与轧制力方向相同，以减小支撑辊挠度(简称JBB法，见图3-80c)。采用支撑辊正弯会使辊颈和轴承的负荷增大，因而降低其寿命并限制了轧机能力的发挥。同时弯辊力还会增加压下装置的负荷。弯曲支撑辊的方法需要延长支撑辊辊颈(安装液压缸)，因而轧机结构复杂而庞大，同时液压缸的位置还影响工作辊换辊，故只在轧辊辊身特别长时才采用。冷带钢轧机上不采用这种弯曲方法。

图3—80液压弯辊装置的主要形式

a-弯辊缸位于工作辊之间；b-弯辊缸位于工作辊和支撑辊之间；c-弯辊缸施力于支撑辊之间

图3-81工作辊弯辊液压缸的配置简图 1-正弯辊缸；2-负弯辊缸；3-轴承座；4-机架凸块

141．冷轧带钢轧机的平衡装置和液压弯辊装置是怎样的?

图3-82是具有液压弯辊装置和液压装置的轧机的平衡缸和弯曲缸布置示意图。生产中要求连轧机组能进行快速换辊，因此，工作辊平衡缸和支撑辊平衡缸均设在机架窗口上。如图所示，在每个牌坊的窗口内，装有两个镶块，每个镶块内有两个工作辊正弯曲缸和1个支撑辊平衡缸。8个工作辊负弯曲缸都装在支撑辊的轴承座内。换工作辊时，不需要拆卸油管。上、下支撑辊轴承座内还装设有工作辊负弯曲缸，用来调整辊形。工作辊的换辊轨道，在换辊时可由支撑辊平衡缸经过上支撑辊轴承座提升。工作辊平衡缸和下工作辊压紧缸同时也是工作辊正弯曲缸，用来调整辊形。

图3—82冷轧带钢轧机的平衡缸和弯辊缸布置示意图

1-电动调整装置；2-测压头；3-上工作辊负弯曲缸；4-支撑辊平衡缸；5-下工作辊正弯曲、压紧缸；

6-下工作辊负弯曲缸；7-辊缝调整装置(压上液压缸)；8-位移传感器；9-压力传感器；

10-上工作辊正弯曲、平衡缸

142．怎样控制冷轧机的液压弯辊?

液压弯辊(即液压辊形调节)的控制可分为手动调节系统和自动调节系统两类。目前，手动调节系统已得到广泛应用。

采用手动调节系统时，弯辊力的大小是操作者根据对板形的观测、计算(包括使用计算机计算)或操作经验给定的，而没有板形的反馈调节。手动调节系统的要求是给定后的弯辊力应能保持不变。下面简单说明液压弯辊的伺服阀控制系统。

伺服阀控制系统是利用电液伺服阀并通过压力传感器的反馈来控制弯辊缸的油压，这样既简单可靠，又能提高弯辊力的控制精度，因此，它是目前手动调节系统中一种较好的控制方式。1700mm五机架冷连轧机的液压弯辊系统就采用这种控制方式，如图3-83所示。在该冷连轧机组上，一、二、三机座上只有工作辊正弯曲，在四、五机座上则既有工作辊正弯曲又有负弯曲。弯辊力经人工给定后，由电液伺服阀自动保持。该液压弯辊系统由液压站、执行油缸及控制阀组3部分组成。

液压站有4只轴向柱塞定压变量泵，其中3台工作，1台作循环过滤冷却，并兼作备用。泵站能提供4种不同的压力油：(1)23MPa的高压油，它是工作油泵直接排出的高压油，作为电液伺服阀1和2的供油压力；(2)18MPa的高压油，它是经伺服阀和压力传感器反馈控制后的输出压力油，故压力较稳定，作为工作辊及支撑辊的平衡和伺服阀1和2的前置级控制油压；(3)6MPa的中压油，它是18MPa油压经减压阀液压后的二次压力油，主要用于换辊时使液压站活塞退回及液控单向阀和电液换向阀的控制油路；(4)0.5MPa的低压油，它是

6MPa的中压油经减压后的二次输出压力，作液压缸活塞杆腔的背压用。

每个机座上共有8个工作辊正弯曲缸(见上题)。上下工作辊正弯曲缸的行程分别为210mm和150mm，活塞与活塞杆直径均相应为120mm和60mm。每个机座还有8个工作辊负弯曲缸，行程为150mm，活塞与活塞杆直径相应为120mm和60mm。 现以第四和第五机座弯辊控制系统来说明控制过程。

(1)正弯辊控制。正弯辊力由伺服阀1进行控制，其输出压力由压力给定器给定。此时负弯辊用伺服阀2控制并由压力给定

器给出最小输出压力。换向阀3、4处于图示位置，换向阀5和口接通，使5个液控单向阀6打开，23MPa的高压油供给伺服阀，并通往上、下正弯辊缸。液控单向阀7关闭，避免弯辊压力油回流。换向阀8处于图示位置，使正弯辊缸的活塞杆腔保持有O．5MPa的背压。设置单向节流阀9的目的是为了保证上、下弯辊缸能同步动作。安全阀lO用来防止系统过载。换向阀。11、12处于图示位置，供给负弯辊缸活塞杆腔以0．5MPa的低压油作为背压。换向阀13处于图示位置，避免弯辊压力油回流。

图3-83 1700mm五机架冷连轧机液压弯辊系统图 ，

1、2-电液伺服阀；3、4、5、8、11、12、13-换向阀；6、7-液控单向阀；9-单向节流阀；10-安全阀

管道1-p=18MPa；管道2-p=6MPa；管道3-回油管路(0)； 管道4-泄油管路(L)；管道5-p=23MPa；管道6-p=0.5MPa

(2)负弯辊控制。与正弯辊相反，伺服阀1由压力给定器给出最小输出压力，而负弯辊力则由伺服阀2按压力给定器所给定的负弯辊力进行控制。其他阀的阀位和作用与正弯控制相同。

(3)平衡控制。当轧机调零时，正弯辊缸可作平衡缸使用，此时各阀的位置如下：伺服阀1断开(处于中间位置)，换向阀3的a端接通，使18MPa的高压油进入上正弯辊缸。换向

阀4的b端接通，使18MPa的高压油进入下正弯辊缸。换向阀5的b端接通，使所有液控单向阀6关闭，将伺服阀1、2从油路中切除，同时打开液控单向阀7。换向阀8处于图示位置，使上、下正弯辊缸的活塞杆腔接0.5MPa的恒压油路。伺服阀2断开(处于中间位置)。换向阀11、12处于图示位置，使上、下负弯辊缸活塞杆腔接通0.5MPa的恒压油路。换向阀13的a端接通，使上、下负弯辊缸的活塞腔卸压，活塞缩回。

(4)换辊控制。当更换工作辊时，可使正、负弯辊缸的活塞全部缩回，此时各有关阀位如下：换向阀8及11的a端、12的b端接通，使所有弯辊缸的活塞杆腔充满6MPa的中压油。换向阀4和13的a端、换向阀3和5的b端接通，使所有弯辊缸的活塞腔接通回油管路。

轧制过程中，由于轧制力和来料横向厚差等因素的波动引起的板形变化要求弯辊力能及时调整，但手动控制系统只能使弯辊力保持给定数值不变，不能及时调节为最佳弯辊力。此外，冷轧带张力轧制时，很难判断板形的好坏，因此，手动调节系统不仅给定慢，而且准确性不高。为了进一步提高产品质量和满足高速轧制的要求，需采用辊形自动控制。

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