四辊与六辊轧机的比较

比较四辊和六辊轧制技术在冷轧机上的应用Dr.moDr.mo nt.Dipl.lnt.Dipl.l ng.Gerhardng.Gerhard FinFin stermasterma nnnn 冷轧部和带钢加工厂的首席经理；Dipl.lng.AloisDipl.lng.Alois Seilinger,Seilinger,轧制技术的仿真的首席专家；Dipl.lng.GregorDipl.lng.Gregor Nopp,Nopp,冷轧部 门经理；Dipl.Ing.GerlindeDipl.Ing.Gerlinde Djumlija,Djumlija,澳大利亚，林茨，西门子奥钢联冶金技术冷 轧的部门经理摘要：通过西门子奥钢联模拟冷轧过程，得出四辊轧制技术和六辊轧制技术在冷 连轧应用上关键轧制参数的不同。这涉及到研究不同的轧机的性能。本文全面讨论了 SmartSmart CrownCrown 系统，在连轧控制下通过条形过渡区的平直度表 现，轧机的刚度，厚度方面及边降控制对平直度的影响。制造出平直度完美，厚度不变的板带是每一个轧制工作者的追求。这就要求 轧制设备不仅能制造出在质量和尺寸精度方面满足市场需求的带钢，而且也要满足轧制工作者对产品的灵活和产品 组合的广泛性的要求。近年来，一些 新的冷连 轧生产线已经使用了可靠的四辊和 六辊轧制技术（图一）。然而，我们 并不知道到底是四辊轧机还是六辊 轧机能够满足市场对厚度公差和平 直度公差的进一步要求，甚至要求更 宽的产品组合。板带的强度等级越高， 冷轧就越 困难。新的连续冷连轧机应该能够轧制抗拉强度达需要这些设备去轧制范围更加宽广的钢种并且很大一部分是先进的高强钢包括 汽车用的多相特种钢和高硅钢片。同时板带的表面质量（对所有的产品尤其是用 于汽车工业的产品是一个关键的特征）和保持板带的边降在允许的公差带范围内 是至关重要的。边降对于晶粒取向的电工用钢尤为重要。为了能够更好的比较四辊和六辊轧机的性能，采用了五台相同混合型轧机， 其中一号和二号轧机采用六辊配置， 三到五号轧机采用四辊配置，并且要求得到 以下结果：厚度变化的范围，平直度的控制和边降控制的能力。中间辊弯曲工作辊弯曲同时设置另外一组同样采用五台相同的混合型轧机， 为了能够更好的反映边 降控制能力，一到四号轧机采用六辊配置，五号轧机采用四辊配置其中工作辊为 锥形。在所有试验用的轧机中，最后一台轧机采用四辊类型， 目的是通过一个明 确界定的辊形拓扑结构来得到最佳的带钢表面质量的适应性。相反对于六辊轧机，因为由于通过的带钢的宽度没有变化， 所造成的工作辊 的磨损分布不变，所以能够更加精确的预估四辊轧机的换辊时间。因此最终产品 的质量的比较和轧辊在轧机上工作的时间更加容易计算。 结果就减少了非计划性 的，非生产性的换辊，非常有利于生产计划。技术分析西门子奥钢联开发的轧机模型可以分析二辊、四辊、六辊轧机的力和位移。 这个软件是在一系列轧机分析模型上基础上开发的。 并且在有限元分析主轧辊的 基础上进一步开发了运用外推法压下轧辊。通过改变功能和机械设计的相似性将 分析结果运用到被分析的轧辊。除了其他参数，这个新增的功能就是能够非常精 确的分析对冷轧分析至关重要的、作为辊叠挠度计算一部分的边降的程度。一个重要的补充对于叠轧辊软件来说就是能够精确模拟工作辊和板带之间 的关系、板带宽度上接触压力的分布及尤为重要的板带张力和轧制力之间的相互 作用。通过功能可以得到在辊缝出口的板带平直度，这是非常有用的。平直度的调整范围大部分制造者希望每个轧机的辊形轮廓都是固定的。然而这就要求有强大的 执行机构来确保在完整的生产过程中所需的平直度。如果辊缝和板带不能很好的 匹配，那么就造成板带上应力分布不均，从而出现质量问 题。平直度不好，轧制过程中会出现横向漂移、屈曲甚至 板带撕裂；为了消除这些问题，只能降低轧制的速度，进 而降低了生产效率。为了消除这些问题，将 SmartCrownSmartCrown 执行系统运用到 四辊和六辊轧机的实验中。如图 2 2 描述的就是 SmartCrownSmartCrown 的基本功能原理。通过轴向移动轧辊来改变辊缝轮廓。除 了能够确保卸载轧辊的基本辊缝轮廓在要求的范围内变 动外，这种特殊的 SmartCrownSmartCrown 执行系统还能够实现有针中间辊偏移工作辊偏移对性的四阶和六阶参数控制。无需通过其他平直度控制系统（弯辊系统或多区冷 却系统），通过两个异形辊使辊缝轮廓处于最佳形状，就可以消除高阶平直度中 如季扣这样的缺陷。对比于其他执行系统来说，适应的大幅提升对于瞬时运行来 说是非常有效的例如快速轧制温度的变化过程，正在轧制-正凸度正弦形辊缝负凸度余弦形辊缝申 *、11板带宽度：1300mm1300mm过程中的板带尺寸的范围（即，极宽或极窄），板带的力的改变过程中或者结合尺寸的改变过程中如正 在轧制成为产品的过程中。为了减少支撑辊和邻近辊之间的负载差异，可以通过一个互补辊形来修正支 撑辊。在四辊和六辊轧机中，有关二阶和四阶辊形曲线的平直度适应范围如图3 3所示。尽管四辊轧机的模拟辊形凸度的变化范围小于六辊轧机，但是在板带上实现的控制范围已经相当的大了。与 SmartCrowSmartCrow n n 辊形的工作辊的效率相比，工作 辊和中间辊相互挤压造成效率下降 5000。尽管这种不同可以通过扩大的凸度变化范围来弥补，但是很有必要通过六辊 轧机的中间辊扩大转变行程。结果就是四辊和六辊系统能调整平直度适应范围都 不是很理想。而对于实验中 AHHSAHHS 级别的产品组合的平坦度适应范围来说，这 两种轧机都能满足要求。带钢焊接接口处的平坦度在即将成为产品的过程中，由于板带尺寸和（或）强度的改变，平坦度执行 机构设定的位置移动和弯辊力的值也可能改变。在这种情况下，多区冷却系统就 不是那么重要了。平直度控制环也不能在这种情况下有效控制， 因为平直度的实 际测量受到广泛的应用。因此，可以通过弯辊的方式完成对板带接口处平直度的 有效控制，即使四辊和六辊轧机的轧制速度和轧制力的功能是改变轧制速度。不管怎样六辊轧机在这方面还是具有更多的优势，因为除了工作辊的弯曲，还能够利用中间辊的弯曲来扩大平直度的适应范围（如图3 3）。实际上，不过四辊轧机没有遇到过这样的问题，因为在板带轧制成功之前工作辊有充足的时间来 移动，万一移动过程超过了板带接口的轧制过程， 就会出现通过弯辊的调整的同 时来使辊缝快速的适应各自的要求。为了说明在这种状态下，模拟在固定偏移量为 +77mm+77mm 下工作辊弯辊力从-454Kn-454Kn 到+545+545 kNkN 的极端变化。以在下面条件下的两个连续板带（1 1 号和 2 2 号）在连轧 下连轧为基础进行迅速的转变：1 1 号板带；IFIF 钢,1100mm,1100mm 宽，入口厚度：3.00mm,3.00mm,出口厚度：0.55mm0.55mm, 轧制力：10059kN10059kN2 2 号板带；TRIPTRIP 钢,1000mm,1000mm 宽，入口厚度：3.50mm,3.50mm,出口厚度：0.90mm0.90mm, 轧制力：16592kN16592kN可以得到即便是在不切实际和极端的假设下，没有出现预料中的平直度问题在板带接口处，尽管总轧制力明显的极端的改变同时考虑到带钢尺寸和材料硬度 的变化。轧机刚度在每一个轧机生产线上，轧制工作者要求不仅能够得到完美的表面平直度, 而且还希望能够得到严格的厚度公差。为了满足厚度控制的要求，轧机要设计的尽可能坚固。在相同的板带下，四辊和六辊轧机的伸展状况的比较如表1 1 所示。四辊轧机总的刚度比六辊轧机高三分之一，同时刚度越高越有利于板带厚度 的控制。六辊轧机刚度减少的主要原因是调整型汽缸有规模较大的油柱和中间辊 额外的平直度。边降控制通过工作辊的移动来控制板带边降的能力只对电工钢片有重要的意义和只 对晶粒取向类型有实际意义。然而未来的产品会更加频繁的涉及到一小部分的AHHSAHHS 和电工钢片。因此很有必要对这方面进行进一步的实验。减小边降的假设4 4 辊6 6 辊叠轧辊最小值2496mm2496mm3607mm3607mm最大值2729mm2729mm4003mm4003mm轧机机架909mm909mm966mm966mm油柱最小值532mm532mm532mm532mm最大值2011mm2011mm2721mm2721mm共计最小值3937mm3937mm5168mm5168mm最大值5649mm5649mm7690mm7690mm刚度最小值4.43MN/mm4.43MN/mm 3.25MN/mm3.25MN/mm最大值6.35MN/mm6.35MN/mm4.84MN/mm4.84MN/mm表 1 1轧制力为25000kN25000kN 轧机延伸应该在连轧生产线的第一台轧机上开始进行，尽管足够达到局部厚度在边界不引起不予受理的张力甚至可能导致板带断裂的改变。在边降的实验中，当高度的减少发生在 3 3 号和 4 4 号轧机上（图 4 4）时，作为在四辊和六辊轧机上 适应控制措施（简单地说就是板带边缘的压力）的 结果的边降的 1 1号和 2 2 号轧机减少的主要部分会再 现。这对四辊和六辊轧机是有效的并且在导致上述 提到的消极影响的前两个通过期间仅仅能够通过 采用一个过于高的边缘上升来规避。图 5 5 显示了当 板带通过能够有效使边降降低的前四座轧机的辊 缝。与常规四辊轧机可达到的边降值为40406060m m 相比，无论什么轧机的类型，都能实现边降值在 5 51010J Jm m 范围。为了在六辊轧机上实施这个轧 制经验，不仅要用侧移系统来控制中间辊， 而且还 要控制工作辊。这样对任何等级的钢材来说，边降 控制都是可实现的。然而，因为这些板带轧制后都 要进行边部修剪，所以对于应用到汽车上的产品来说这样做是没有必要六辊轧机，EDC-板带#8通过#1#1 通过#2#2通过#3#3 通过#4#4轧机的中心位置，mmmm4辊轧机，EDC-板带#8通过#1#1 通过#2#2通过#3#3通过#4#4轧机的中心位置，mmmm图5边降控制 在前两个 轧机上（硅 钢）那么在 1 1 到 4 4 号轧机上，通过使用具有特殊的倒角和弧形的工作辊并用移动 控制系统控制工作辊的方式，是能够实现用使用边降控制的四辊轧机仅生产电工 用钢。为了将来能够生产宽度从 1200mm1200mm 到 1750mm1750mm 的电工用钢，即使两个不 同的工作辊的侧移行程能够达到-1 0 0mmmm 在宽度为 400mm400mm 下，辊形也要达到要求（如图 6 6）。由于工作辊的宽度只能在一定的范围，所以它们必须具 备专门的凸度。在这种方式下，只能通 过工作辊的弯曲才有可能实现平直度的 控制。S S= = +100+100 mmmm一ALVALV = = 400400 mmmmS = -100 mm图4边降控制 在前两个 轧机上（结 构钢）在不同的板带宽度上的边降控制轧辊结论压下量。 在成形能力（压下量能力）方面，如果工作辊的直径在可比的范 围内（接近 40400 0到 500mm500mm）, ,四辊和六辊轧机的表现都是相当好的。事实上，带 有驱动工作辊的四辊和六辊轧机大多数仅仅用在连轧上。 六辊轧机仅能够表现出 强大的成形能力， 如果工作辊的直径比四辊轧机的相当小。 然而，在这种情况下， 六辊轧机不得不通过支撑辊或工作辊来驱动， 因为将所需辊的扭矩传递给工作辊 已经不再可能。但是这种类型的六辊轧机不能用在连轧中。尽管在这种情况下， 允许每一个轧机的压下量增加， 但是绝对压下量尤其是材料很软情况下会受到滑 移的限制。于是，通过所有轧机的总的绝对压下量相比于具有更大轧辊直径的轧机来说 意义是不大的，甚至在实际中还会减少压下量。 这就是为什么这样的六辊轧机仅 仅应用在特殊领域的一小部分范围和用于可逆轧机。 在此，虽然有滑移量的限制， 但是所要求的总的压下量通过附加轧制就很容易实现了。 在连轧中， 这是不可能 实现的， 因为受到可以轧制的最大的轧机数目的限制。 于是， 只有六辊轧机在连 轧中采用大尺寸的工作辊和跟四辊轧机相同的概念驱动，才能实现。平直度的调整范围。 尽管由于中间辊的弯度平直度控制在六辊轧制中变得更 加灵活，但是对于 AHHSAHHS 产品来说平直度控制器所要求的调整范围可以通过已 知变量获得。 出现这种情况是因为中间辊弯度的调整和偏移行为是相似的。 这就 意味着在板带轧制期间中间辊弯度能够暂时的补偿由于在过渡区或者在下一个 板带上中间辊偏移速度的限制所造成的不佳影响。从上述可以看出， 如果在板带移动期间轧制力急剧的改变， 这就可以显现出 六辊轧机的这个优势。 在这次实验中，这样的情况不会出现在现实的轧制过程中， 正如下一个带钢的硬度和尺寸部分的改变使这种情况成为可能 （例如，至关重要 板带间的连接处的碳含量不同） 。为了更好的补偿， 必须提到的就是六辊轧机对平直度偏差的补偿比第二个更 加灵活，在板带轧制期间甚至在处理极端的板带宽度（例如，超过1900mm1900mm），因为在这个范围上以作为额外的调整因素影响中间辊的弯度。 要在其他技术特点 和必须考虑的六辊轧机的整体经济性方面来消除不利因素。 因此要在实际中应用 每一个措施来检验它是否有利。边降控制。1 14 4 号轧机应当装备适合的控制器来有效的控制边降。作为锥 形工作辊轴向的，边降导向的偏移结果，在四辊和六辊轧机上这是可行的。六辊 轧制技术很明显在这方面更加灵活，尽管厚度控制不依赖工作辊的轴向移动。刚度。与六辊轧机相比，四辊轧机有相当大的整体刚度。轧辊针对1300mm1300mm宽的板带和轧制力为 16000kN16000kN 的轧机，在四辊轧机上的延伸为 1.67mm1.67mm,而在六 辊轧机上的延伸率为 2.6mm2.6mm。意思就是轧辊的挠度比六辊轧机高 50500。关于板 带厚度的控制，如果轧机在位置控制系统下运行，这是很有意义的。在连轧中至少有一个轧机在位置控制系统下运行，同时其他轧机在轧制力控制系统下运行。 解决方案就是依靠自动控制概念将所有的轧机在位置控制系统下运行。然而低刚度的六辊轧机能够满足厚度控制的动态特性相对于四辊轧机。轧辊材料在六辊轧机上的配对辊上的接触压力超出了正常的范围，尤其是在轧制 AHSSAHSS 级别的钢。然而无论是合适的工作辊的选择，中间辊的材料还是轧辊的寿 命都是要关心的。轧辊表面的磨损主要受 HertzianHertzian 压力的影响。在较高轧制力范围运行下的轧 机表面磨损比较大，从而引起换辊的频率增加。这就引起了操作时间的增加从而 减少了设备利用率，增加了轧辊的消耗和扩大了轧辊的库存。投资回报率六辊轧机的投资要比四辊轧机的投资高，因为需要更多的设备安装。正如上 述提到的，六辊轧机的轧辊消耗率比较高。不仅从高轧制力运行下的需要尤其是 在轧制 AHSSAHSS 钢材时，而且从这样一个事实，例如六辊长行程轧机（中间辊边降 导向偏移的行程达到 500mm500mm），得到的结果受到在偏移行程增长下的通过轧卷宽 度方向上的不对称行程分布的接触压力的影响。这样就额外加剧了高 HertzianHertzian 压力带来的问题，并且还对轧辊的表面产生很大的不利影响相对于短行程来说。四辊和六辊轧机在连轧中的利弊如表 2 2 所示成形能力如果工作辊直径相同等效于六辊轧机看四辊轧机的状况（这样的基础是六辊轧机上有驱动工作辊）平直度的控制当用 SmartCrownSmartCrown 工作辊时每台轧机上一个简单 的辊缝就能满足复杂的 产品组合当用 SmartCrownSmartCrown 工作辊时每台轧机上一个简单的辊缝就能满足复杂的产品组合在板带焊接处平直度如果在前一个轧机轧制工程中开始移动，那么工作辊的弯度是足够的由于工作辊和中间辊弯辊系统，增加了灵活性轧机的刚度约 5.4MN/mm5.4MN/mm约 4.0MN/mm4.0MN/mm边降控制以特殊的地面工作辊方式对硅钢是可行的结合工作辊偏移系统和特殊的地面工作辊对所有的钢种都是可行的投资成本依靠设计的变化，至少比四辊轧机咼百分之十运行成本比四辊轧机高很多（更多的轧辊在使用，换辊的频率更高等等）总结本文探讨了四辊和六辊轧机的技术特点以及他们对于冷轧AHSSAHSS 钢材的能力。本文的目的就是为充分利用这两种技术提供更好的决策依据，因为纯粹的直观的判断往往得出错误的结论。结果显示在成形能力上四辊和六辊轧机几乎难分 上下。相对于四辊轧机，六辊轧机仅仅有一下几点优势：在第四和第六架轧机上，轧制宽的板带时平直度的调整更加灵活比较好的边降控制这些与相当高的运营和投资的工厂形成对比。