四輥與六輥軋機(jī)的比較

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1、比較四輥和六輥軋制技術(shù)在冷軋機(jī)上的應(yīng)用Dr.moDr.mo nt.Dipl.lnt.Dipl.l ng.Gerhardng.Gerhard FinFin stermasterma nnnn 冷軋部和帶鋼加工廠的首席經(jīng)理；Dipl.lng.AloisDipl.lng.Alois Seilinger,Seilinger,軋制技術(shù)的仿真的首席專家；Dipl.lng.GregorDipl.lng.Gregor Nopp,Nopp,冷軋部 門經(jīng)理；Dipl.Ing.GerlindeDipl.Ing.Gerlinde Djumlija,Djumlija,澳大利亞，林茨，西門子奧鋼聯(lián)冶金技術(shù)冷 軋的部門經(jīng)理

2、摘要：通過西門子奧鋼聯(lián)模擬冷軋過程，得出四輥軋制技術(shù)和六輥軋制技術(shù)在冷 連軋應(yīng)用上關(guān)鍵軋制參數(shù)的不同。這涉及到研究不同的軋機(jī)的性能。本文全面討論了 SmartSmart CrownCrown 系統(tǒng)，在連軋控制下通過條形過渡區(qū)的平直度表 現(xiàn)，軋機(jī)的剛度，厚度方面及邊降控制對平直度的影響。制造出平直度完美，厚度不變的板帶是每一個(gè)軋制工作者的追求。這就要求 軋制設(shè)備不僅能制造出在質(zhì)量和尺寸精度方面滿足市場需求的帶鋼，而且也要滿足軋制工作者對產(chǎn)品的靈活和產(chǎn)品 組合的廣泛性的要求。近年來，一些 新的冷連 軋生產(chǎn)線已經(jīng)使用了可靠的四輥和 六輥軋制技術(shù)（圖一）。然而，我們 并不知道到底是四輥軋機(jī)還是六輥 軋

3、機(jī)能夠滿足市場對厚度公差和平 直度公差的進(jìn)一步要求，甚至要求更 寬的產(chǎn)品組合。板帶的強(qiáng)度等級越高， 冷軋就越 困難。新的連續(xù)冷連軋機(jī)應(yīng)該能夠軋制抗拉強(qiáng)度達(dá)需要這些設(shè)備去軋制范圍更加寬廣的鋼種并且很大一部分是先進(jìn)的高強(qiáng)鋼包括 汽車用的多相特種鋼和高硅鋼片。同時(shí)板帶的表面質(zhì)量（對所有的產(chǎn)品尤其是用 于汽車工業(yè)的產(chǎn)品是一個(gè)關(guān)鍵的特征）和保持板帶的邊降在允許的公差帶范圍內(nèi) 是至關(guān)重要的。邊降對于晶粒取向的電工用鋼尤為重要。為了能夠更好的比較四輥和六輥軋機(jī)的性能，采用了五臺(tái)相同混合型軋機(jī)， 其中一號和二號軋機(jī)采用六輥配置， 三到五號軋機(jī)采用四輥配置，并且要求得到 以下結(jié)果：厚度變化的范圍，平直度的控制和

4、邊降控制的能力。中間輥彎曲工作輥彎曲同時(shí)設(shè)置另外一組同樣采用五臺(tái)相同的混合型軋機(jī)， 為了能夠更好的反映邊 降控制能力，一到四號軋機(jī)采用六輥配置，五號軋機(jī)采用四輥配置其中工作輥為 錐形。在所有試驗(yàn)用的軋機(jī)中，最后一臺(tái)軋機(jī)采用四輥類型， 目的是通過一個(gè)明 確界定的輥形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來得到最佳的帶鋼表面質(zhì)量的適應(yīng)性。相反對于六輥軋機(jī)，因?yàn)橛捎谕ㄟ^的帶鋼的寬度沒有變化， 所造成的工作輥 的磨損分布不變，所以能夠更加精確的預(yù)估四輥軋機(jī)的換輥時(shí)間。因此最終產(chǎn)品 的質(zhì)量的比較和軋輥在軋機(jī)上工作的時(shí)間更加容易計(jì)算。 結(jié)果就減少了非計(jì)劃性 的，非生產(chǎn)性的換輥，非常有利于生產(chǎn)計(jì)劃。技術(shù)分析西門子奧鋼聯(lián)開發(fā)的軋機(jī)模型可以

5、分析二輥、四輥、六輥軋機(jī)的力和位移。 這個(gè)軟件是在一系列軋機(jī)分析模型上基礎(chǔ)上開發(fā)的。 并且在有限元分析主軋輥的 基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)了運(yùn)用外推法壓下軋輥。通過改變功能和機(jī)械設(shè)計(jì)的相似性將 分析結(jié)果運(yùn)用到被分析的軋輥。除了其他參數(shù)，這個(gè)新增的功能就是能夠非常精 確的分析對冷軋分析至關(guān)重要的、作為輥疊撓度計(jì)算一部分的邊降的程度。一個(gè)重要的補(bǔ)充對于疊軋輥軟件來說就是能夠精確模擬工作輥和板帶之間 的關(guān)系、板帶寬度上接觸壓力的分布及尤為重要的板帶張力和軋制力之間的相互 作用。通過功能可以得到在輥縫出口的板帶平直度，這是非常有用的。平直度的調(diào)整范圍大部分制造者希望每個(gè)軋機(jī)的輥形輪廓都是固定的。然而這就要求有強(qiáng)

6、大的 執(zhí)行機(jī)構(gòu)來確保在完整的生產(chǎn)過程中所需的平直度。如果輥縫和板帶不能很好的 匹配，那么就造成板帶上應(yīng)力分布不均，從而出現(xiàn)質(zhì)量問 題。平直度不好，軋制過程中會(huì)出現(xiàn)橫向漂移、屈曲甚至 板帶撕裂；為了消除這些問題，只能降低軋制的速度，進(jìn) 而降低了生產(chǎn)效率。為了消除這些問題，將 SmartCrownSmartCrown 執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)用到 四輥和六輥軋機(jī)的實(shí)驗(yàn)中。如圖 2 2 描述的就是 SmartCrownSmartCrown 的基本功能原理。通過軸向移動(dòng)軋輥來改變輥縫輪廓。除 了能夠確保卸載軋輥的基本輥縫輪廓在要求的范圍內(nèi)變 動(dòng)外，這種特殊的 SmartCrownSmartCrown 執(zhí)行系統(tǒng)還能夠

7、實(shí)現(xiàn)有針中間輥偏移工作輥偏移對性的四階和六階參數(shù)控制。無需通過其他平直度控制系統(tǒng)（彎輥系統(tǒng)或多區(qū)冷 卻系統(tǒng)），通過兩個(gè)異形輥使輥縫輪廓處于最佳形狀，就可以消除高階平直度中 如季扣這樣的缺陷。對比于其他執(zhí)行系統(tǒng)來說，適應(yīng)的大幅提升對于瞬時(shí)運(yùn)行來 說是非常有效的例如快速軋制溫度的變化過程，正在軋制-正凸度正弦形輥縫負(fù)凸度余弦形輥縫申 *、11板帶寬度：1300mm1300mm過程中的板帶尺寸的范圍（即，極寬或極窄），板帶的力的改變過程中或者結(jié)合尺寸的改變過程中如正 在軋制成為產(chǎn)品的過程中。為了減少支撐輥和鄰近輥之間的負(fù)載差異，可以通過一個(gè)互補(bǔ)輥形來修正支 撐輥。在四輥和六輥軋機(jī)中，有關(guān)二階和四階輥

8、形曲線的平直度適應(yīng)范圍如圖3 3所示。盡管四輥軋機(jī)的模擬輥形凸度的變化范圍小于六輥軋機(jī)，但是在板帶上實(shí)現(xiàn)的控制范圍已經(jīng)相當(dāng)?shù)拇罅?。與 SmartCrowSmartCrow n n 輥形的工作輥的效率相比，工作 輥和中間輥相互擠壓造成效率下降 5000。盡管這種不同可以通過擴(kuò)大的凸度變化范圍來彌補(bǔ)，但是很有必要通過六輥 軋機(jī)的中間輥擴(kuò)大轉(zhuǎn)變行程。結(jié)果就是四輥和六輥系統(tǒng)能調(diào)整平直度適應(yīng)范圍都 不是很理想。而對于實(shí)驗(yàn)中 AHHSAHHS 級別的產(chǎn)品組合的平坦度適應(yīng)范圍來說，這 兩種軋機(jī)都能滿足要求。帶鋼焊接接口處的平坦度在即將成為產(chǎn)品的過程中，由于板帶尺寸和（或）強(qiáng)度的改變，平坦度執(zhí)行 機(jī)構(gòu)設(shè)定的位

9、置移動(dòng)和彎輥力的值也可能改變。在這種情況下，多區(qū)冷卻系統(tǒng)就 不是那么重要了。平直度控制環(huán)也不能在這種情況下有效控制， 因?yàn)槠街倍鹊膶?shí) 際測量受到廣泛的應(yīng)用。因此，可以通過彎輥的方式完成對板帶接口處平直度的 有效控制，即使四輥和六輥軋機(jī)的軋制速度和軋制力的功能是改變軋制速度。不管怎樣六輥軋機(jī)在這方面還是具有更多的優(yōu)勢，因?yàn)槌斯ぷ鬏伒膹澢?，還能夠利用中間輥的彎曲來擴(kuò)大平直度的適應(yīng)范圍（如圖3 3）。實(shí)際上，不過四輥軋機(jī)沒有遇到過這樣的問題，因?yàn)樵诎鍘к堉瞥晒χ肮ぷ鬏佊谐渥愕臅r(shí)間來 移動(dòng)，萬一移動(dòng)過程超過了板帶接口的軋制過程， 就會(huì)出現(xiàn)通過彎輥的調(diào)整的同 時(shí)來使輥縫快速的適應(yīng)各自的要求。為了說明

10、在這種狀態(tài)下，模擬在固定偏移量為 +77mm+77mm 下工作輥彎輥力從-454Kn-454Kn 到+545+545 kNkN 的極端變化。以在下面條件下的兩個(gè)連續(xù)板帶（1 1 號和 2 2 號）在連軋 下連軋為基礎(chǔ)進(jìn)行迅速的轉(zhuǎn)變：1 1 號板帶；IFIF 鋼,1100mm,1100mm 寬，入口厚度：3.00mm,3.00mm,出口厚度：0.55mm0.55mm, 軋制力：10059kN10059kN2 2 號板帶；TRIPTRIP 鋼,1000mm,1000mm 寬，入口厚度：3.50mm,3.50mm,出口厚度：0.90mm0.90mm, 軋制力：16592kN16592kN可以得到即便

11、是在不切實(shí)際和極端的假設(shè)下，沒有出現(xiàn)預(yù)料中的平直度問題在板帶接口處，盡管總軋制力明顯的極端的改變同時(shí)考慮到帶鋼尺寸和材料硬度 的變化。軋機(jī)剛度在每一個(gè)軋機(jī)生產(chǎn)線上，軋制工作者要求不僅能夠得到完美的表面平直度, 而且還希望能夠得到嚴(yán)格的厚度公差。為了滿足厚度控制的要求，軋機(jī)要設(shè)計(jì)的盡可能堅(jiān)固。在相同的板帶下，四輥和六輥軋機(jī)的伸展?fàn)顩r的比較如表1 1 所示。四輥軋機(jī)總的剛度比六輥軋機(jī)高三分之一，同時(shí)剛度越高越有利于板帶厚度 的控制。六輥軋機(jī)剛度減少的主要原因是調(diào)整型汽缸有規(guī)模較大的油柱和中間輥 額外的平直度。邊降控制通過工作輥的移動(dòng)來控制板帶邊降的能力只對電工鋼片有重要的意義和只 對晶粒取向類型有

12、實(shí)際意義。然而未來的產(chǎn)品會(huì)更加頻繁的涉及到一小部分的AHHSAHHS 和電工鋼片。因此很有必要對這方面進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。減小邊降的假設(shè)4 4 輥6 6 輥疊軋輥?zhàn)钚≈?496mm2496mm3607mm3607mm最大值2729mm2729mm4003mm4003mm軋機(jī)機(jī)架909mm909mm966mm966mm油柱最小值532mm532mm532mm532mm最大值2011mm2011mm2721mm2721mm共計(jì)最小值3937mm3937mm5168mm5168mm最大值5649mm5649mm7690mm7690mm剛度最小值4.43MN/mm4.43MN/mm 3.25MN/mm3

13、.25MN/mm最大值6.35MN/mm6.35MN/mm4.84MN/mm4.84MN/mm表 1 1軋制力為25000kN25000kN 軋機(jī)延伸應(yīng)該在連軋生產(chǎn)線的第一臺(tái)軋機(jī)上開始進(jìn)行，盡管足夠達(dá)到局部厚度在邊界不引起不予受理的張力甚至可能導(dǎo)致板帶斷裂的改變。在邊降的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)高度的減少發(fā)生在 3 3 號和 4 4 號軋機(jī)上（圖 4 4）時(shí)，作為在四輥和六輥軋機(jī)上 適應(yīng)控制措施（簡單地說就是板帶邊緣的壓力）的 結(jié)果的邊降的 1 1號和 2 2 號軋機(jī)減少的主要部分會(huì)再 現(xiàn)。這對四輥和六輥軋機(jī)是有效的并且在導(dǎo)致上述 提到的消極影響的前兩個(gè)通過期間僅僅能夠通過 采用一個(gè)過于高的邊緣上升來規(guī)避。

14、圖 5 5 顯示了當(dāng) 板帶通過能夠有效使邊降降低的前四座軋機(jī)的輥 縫。與常規(guī)四輥軋機(jī)可達(dá)到的邊降值為40406060m m 相比，無論什么軋機(jī)的類型，都能實(shí)現(xiàn)邊降值在 5 51010J Jm m 范圍。為了在六輥軋機(jī)上實(shí)施這個(gè)軋 制經(jīng)驗(yàn)，不僅要用側(cè)移系統(tǒng)來控制中間輥， 而且還 要控制工作輥。這樣對任何等級的鋼材來說，邊降 控制都是可實(shí)現(xiàn)的。然而，因?yàn)檫@些板帶軋制后都 要進(jìn)行邊部修剪，所以對于應(yīng)用到汽車上的產(chǎn)品來說這樣做是沒有必要六輥軋機(jī)，EDC-板帶#8通過#1#1 通過#2#2通過#3#3 通過#4#4軋機(jī)的中心位置，mmmm4輥軋機(jī)，EDC-板帶#8通過#1#1 通過#2#2通過#3#3通

15、過#4#4軋機(jī)的中心位置，mmmm圖5邊降控制 在前兩個(gè) 軋機(jī)上（硅 鋼）那么在 1 1 到 4 4 號軋機(jī)上，通過使用具有特殊的倒角和弧形的工作輥并用移動(dòng) 控制系統(tǒng)控制工作輥的方式，是能夠?qū)崿F(xiàn)用使用邊降控制的四輥軋機(jī)僅生產(chǎn)電工 用鋼。為了將來能夠生產(chǎn)寬度從 1200mm1200mm 到 1750mm1750mm 的電工用鋼，即使兩個(gè)不 同的工作輥的側(cè)移行程能夠達(dá)到-1 0 0mmmm 在寬度為 400mm400mm 下，輥形也要達(dá)到要求（如圖 6 6）。由于工作輥的寬度只能在一定的范圍，所以它們必須具 備專門的凸度。在這種方式下，只能通 過工作輥的彎曲才有可能實(shí)現(xiàn)平直度的 控制。S S= =

16、 +100+100 mmmm一ALVALV = = 400400 mmmmS = -100 mm圖4邊降控制 在前兩個(gè) 軋機(jī)上（結(jié) 構(gòu)鋼）在不同的板帶寬度上的邊降控制軋輥結(jié)論壓下量。 在成形能力（壓下量能力）方面，如果工作輥的直徑在可比的范 圍內(nèi)（接近 40400 0到 500mm500mm）, ,四輥和六輥軋機(jī)的表現(xiàn)都是相當(dāng)好的。事實(shí)上，帶 有驅(qū)動(dòng)工作輥的四輥和六輥軋機(jī)大多數(shù)僅僅用在連軋上。 六輥軋機(jī)僅能夠表現(xiàn)出 強(qiáng)大的成形能力， 如果工作輥的直徑比四輥軋機(jī)的相當(dāng)小。 然而，在這種情況下， 六輥軋機(jī)不得不通過支撐輥或工作輥來驅(qū)動(dòng)， 因?yàn)閷⑺栎伒呐ぞ貍鬟f給工作輥 已經(jīng)不再可能。但是這種類型的

17、六輥軋機(jī)不能用在連軋中。盡管在這種情況下， 允許每一個(gè)軋機(jī)的壓下量增加， 但是絕對壓下量尤其是材料很軟情況下會(huì)受到滑 移的限制。于是，通過所有軋機(jī)的總的絕對壓下量相比于具有更大軋輥直徑的軋機(jī)來說 意義是不大的，甚至在實(shí)際中還會(huì)減少壓下量。 這就是為什么這樣的六輥軋機(jī)僅 僅應(yīng)用在特殊領(lǐng)域的一小部分范圍和用于可逆軋機(jī)。 在此，雖然有滑移量的限制， 但是所要求的總的壓下量通過附加軋制就很容易實(shí)現(xiàn)了。 在連軋中， 這是不可能 實(shí)現(xiàn)的， 因?yàn)槭艿娇梢攒堉频淖畲蟮能垯C(jī)數(shù)目的限制。 于是， 只有六輥軋機(jī)在連 軋中采用大尺寸的工作輥和跟四輥軋機(jī)相同的概念驅(qū)動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)。平直度的調(diào)整范圍。 盡管由于中間輥的彎度

18、平直度控制在六輥軋制中變得更 加靈活，但是對于 AHHSAHHS 產(chǎn)品來說平直度控制器所要求的調(diào)整范圍可以通過已 知變量獲得。 出現(xiàn)這種情況是因?yàn)橹虚g輥彎度的調(diào)整和偏移行為是相似的。 這就 意味著在板帶軋制期間中間輥彎度能夠暫時(shí)的補(bǔ)償由于在過渡區(qū)或者在下一個(gè) 板帶上中間輥偏移速度的限制所造成的不佳影響。從上述可以看出， 如果在板帶移動(dòng)期間軋制力急劇的改變， 這就可以顯現(xiàn)出 六輥軋機(jī)的這個(gè)優(yōu)勢。 在這次實(shí)驗(yàn)中，這樣的情況不會(huì)出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)的軋制過程中， 正如下一個(gè)帶鋼的硬度和尺寸部分的改變使這種情況成為可能 （例如，至關(guān)重要 板帶間的連接處的碳含量不同） 。為了更好的補(bǔ)償， 必須提到的就是六輥軋機(jī)對

19、平直度偏差的補(bǔ)償比第二個(gè)更 加靈活，在板帶軋制期間甚至在處理極端的板帶寬度（例如，超過1900mm1900mm），因?yàn)樵谶@個(gè)范圍上以作為額外的調(diào)整因素影響中間輥的彎度。 要在其他技術(shù)特點(diǎn) 和必須考慮的六輥軋機(jī)的整體經(jīng)濟(jì)性方面來消除不利因素。 因此要在實(shí)際中應(yīng)用 每一個(gè)措施來檢驗(yàn)它是否有利。邊降控制。1 14 4 號軋機(jī)應(yīng)當(dāng)裝備適合的控制器來有效的控制邊降。作為錐 形工作輥軸向的，邊降導(dǎo)向的偏移結(jié)果，在四輥和六輥軋機(jī)上這是可行的。六輥 軋制技術(shù)很明顯在這方面更加靈活，盡管厚度控制不依賴工作輥的軸向移動(dòng)。剛度。與六輥軋機(jī)相比，四輥軋機(jī)有相當(dāng)大的整體剛度。軋輥針對1300mm1300mm寬的板帶和軋

20、制力為 16000kN16000kN 的軋機(jī)，在四輥軋機(jī)上的延伸為 1.67mm1.67mm,而在六 輥軋機(jī)上的延伸率為 2.6mm2.6mm。意思就是軋輥的撓度比六輥軋機(jī)高 50500。關(guān)于板 帶厚度的控制，如果軋機(jī)在位置控制系統(tǒng)下運(yùn)行，這是很有意義的。在連軋中至少有一個(gè)軋機(jī)在位置控制系統(tǒng)下運(yùn)行，同時(shí)其他軋機(jī)在軋制力控制系統(tǒng)下運(yùn)行。 解決方案就是依靠自動(dòng)控制概念將所有的軋機(jī)在位置控制系統(tǒng)下運(yùn)行。然而低剛度的六輥軋機(jī)能夠滿足厚度控制的動(dòng)態(tài)特性相對于四輥軋機(jī)。軋輥材料在六輥軋機(jī)上的配對輥上的接觸壓力超出了正常的范圍，尤其是在軋制 AHSSAHSS 級別的鋼。然而無論是合適的工作輥的選擇，中間輥的

21、材料還是軋輥的壽 命都是要關(guān)心的。軋輥表面的磨損主要受 HertzianHertzian 壓力的影響。在較高軋制力范圍運(yùn)行下的軋 機(jī)表面磨損比較大，從而引起換輥的頻率增加。這就引起了操作時(shí)間的增加從而 減少了設(shè)備利用率，增加了軋輥的消耗和擴(kuò)大了軋輥的庫存。投資回報(bào)率六輥軋機(jī)的投資要比四輥軋機(jī)的投資高，因?yàn)樾枰嗟脑O(shè)備安裝。正如上 述提到的，六輥軋機(jī)的軋輥消耗率比較高。不僅從高軋制力運(yùn)行下的需要尤其是 在軋制 AHSSAHSS 鋼材時(shí)，而且從這樣一個(gè)事實(shí)，例如六輥長行程軋機(jī)（中間輥邊降 導(dǎo)向偏移的行程達(dá)到 500mm500mm），得到的結(jié)果受到在偏移行程增長下的通過軋卷寬 度方向上的不對稱行程

22、分布的接觸壓力的影響。這樣就額外加劇了高 HertzianHertzian 壓力帶來的問題，并且還對軋輥的表面產(chǎn)生很大的不利影響相對于短行程來說。四輥和六輥軋機(jī)在連軋中的利弊如表 2 2 所示成形能力如果工作輥直徑相同等效于六輥軋機(jī)看四輥軋機(jī)的狀況（這樣的基礎(chǔ)是六輥軋機(jī)上有驅(qū)動(dòng)工作輥）平直度的控制當(dāng)用 SmartCrownSmartCrown 工作輥時(shí)每臺(tái)軋機(jī)上一個(gè)簡單 的輥縫就能滿足復(fù)雜的 產(chǎn)品組合當(dāng)用 SmartCrownSmartCrown 工作輥時(shí)每臺(tái)軋機(jī)上一個(gè)簡單的輥縫就能滿足復(fù)雜的產(chǎn)品組合在板帶焊接處平直度如果在前一個(gè)軋機(jī)軋制工程中開始移動(dòng)，那么工作輥的彎度是足夠的由于工作輥和中間

23、輥彎輥系統(tǒng)，增加了靈活性軋機(jī)的剛度約 5.4MN/mm5.4MN/mm約 4.0MN/mm4.0MN/mm邊降控制以特殊的地面工作輥方式對硅鋼是可行的結(jié)合工作輥偏移系統(tǒng)和特殊的地面工作輥對所有的鋼種都是可行的投資成本依靠設(shè)計(jì)的變化，至少比四輥軋機(jī)咼百分之十運(yùn)行成本比四輥軋機(jī)高很多（更多的軋輥在使用，換輥的頻率更高等等）總結(jié)本文探討了四輥和六輥軋機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)以及他們對于冷軋AHSSAHSS 鋼材的能力。本文的目的就是為充分利用這兩種技術(shù)提供更好的決策依據(jù)，因?yàn)榧兇獾闹庇^的判斷往往得出錯(cuò)誤的結(jié)論。結(jié)果顯示在成形能力上四輥和六輥軋機(jī)幾乎難分 上下。相對于四輥軋機(jī)，六輥軋機(jī)僅僅有一下幾點(diǎn)優(yōu)勢：在第四和第六架軋機(jī)上，軋制寬的板帶時(shí)平直度的調(diào)整更加靈活比較好的邊降控制這些與相當(dāng)高的運(yùn)營和投資的工廠形成對比。