冷軋機軋制生成熱對板形的影響及應對策略

甄永富，丁嘉襄，馮 沙，辛靜泰

（1.中國重型機械研究院有限公司，西安 710032;2.中鋼集團西安重機有限公司，西安 710201)

冷軋機軋制生成熱對板形的影響及應對策略

甄永富1，丁嘉襄2，馮 沙1，辛靜泰1

（1.中國重型機械研究院有限公司，西安 710032;2.中鋼集團西安重機有限公司，西安 710201)

分析了冷軋機軋制過程中的熱交換過程及其對板形的影響，提出了優化工作機制、傾斜控制、彎輥控制、冷卻控制等板形控制方法，有效地改善了冷軋產品的板形質量。針對軋輥產生不對稱熱膨脹時的板形控制進行了分析，對薄帶產品的板形控制具有一定指導意義。

冷軋機 熱量 板形 冷卻 控制

板形是衡量冷軋產品質量的主要指標之一，隨著板帶冷軋技術的不斷進步和完善，對板形的精細控制也提出了更高的要求。來料板形、來料自身的物理性能、軋輥及帶材的接觸變形狀態、帶材前后張力分布、軋輥初始凸度、輥系的熱膨脹、潤滑條件、磨損等因素都對板形具有較大影響。板形不良是由材料本身內在因素和多種外界因素綜合作用形成的，想要進行全面系統的分析、檢測和控制十分困難，而軋制過程中的生成熱對板形的影響是板形控制中需要考慮的重要因素。本文就軋機生成熱對板形的影響進行分析，并針對不良影響提出了有效的應對方法。

1 冷軋帶材板形描述

板形是指金屬板帶的翹曲程度，金屬板帶的翹曲本質上是由材料內部殘余應力不均引起的。在冷軋過程中，帶材由于厚度變化主要產生縱向長度的延伸，帶材橫向上的厚度變化不均就可產生帶鋼相對延伸率的不同，從而導致帶材內部有殘余應力的狀態，只要帶材中存在殘余的內應力就稱為板形不良[1]。

在不考慮來料板形缺陷和軋制時帶材橫向延展的情況下，板形良好的條件可以用數學表達式近似表達如下：

在工程中常用相對延伸率的偏差來定量表示板形的好壞，即取帶材寬度方向上最長和最短縱條之間的相對長度差作為板形單位，稱為I單位，一個I單位相當于相對長度差為10-5。根據體積不變定律，假設軋制時帶材橫向延展為零時有：

式中，μ為軋后帶鋼長度的相對變化量（即延伸率);l為軋后帶鋼長度;Δl為軋后帶鋼相對長度差;ε為軋后帶鋼厚度的相對變化量（即壓下率)。

由公式（1)可以看出，要保證良好的板形，必須保證帶材沿橫向有均一的延伸。而從公式（2)可以看出帶鋼的延伸率和壓下率近似于正比關系，所以軋輥凸度發生變化而引起的帶材厚度變化，會對板形產生直接影響，實質上軋輥凸度沿橫向的變化改變了帶載輥縫形狀，相當于改變了帶鋼的板形分布。

2 軋制過程中生成熱及熱傳遞分析

由于瞬態溫差的存在，冷軋機溫度場實際上是一個不斷放熱、吸熱且趨向于平衡狀態的熱交換過程。

2.1 生成熱

軋制過程中生成熱如圖1所示。

圖1 軋制過程中生成熱

冷軋機在軋制工作時會消耗驅動電機很大一部分功而生成熱量，通常在冷軋機溫度場分析中對相鄰軋輥（工作輥→＜中間輥＞→支撐輥)間及軸承處摩擦產生的熱量和帶材軋前帶入熱量不作考慮，所以軋制過程中的生成熱主要來自：

（1)帶材發生塑性變形時產生的熱量。

（2)帶材與工作輥接觸相對滑動產生的摩擦熱。

2.2 熱傳遞過程及類型分析

按照傳遞介質和方式，熱傳遞可以分為3種形式：傳導、對流和輻射[2]。

軋制過程中熱交換如圖2所示。

圖2 軋制過程中熱交換

冷軋機生成熱的直接流出主要通過以下途徑：（1)生成熱被直接接觸的工作輥吸收——傳導、輻射。

（2)軋制完成且不斷遠離輥縫的帶材帶走的熱量——傳導、輻射。

（3)周圍空氣帶走熱量——對流。同時冷軋機生成熱還存在以下間接熱傳遞方式：（1)相鄰軋輥（工作輥→＜中間輥＞→支撐輥)間的熱傳遞——傳導、輻射。

（2)冷卻液通過帶材和軋輥間接吸收熱量——對流。

（3)軋輥內部及帶材內部自身熱傳遞——傳導。

對于冷軋機而言，輻射熱傳遞和空氣對流傳遞對整個溫度場乃至熱凸度的影響很小，在此忽略不計，可以近似認為軋制生成熱就是冷卻液強制對流換熱和軋制帶材帶走的熱量之和。

3 生成熱對板形的影響及改善板形的控制方法

軋輥吸收生成熱后溫度上升，產生熱應力，從而產生熱變形，使帶載輥縫的形狀發生改變，影響板形，這是一個擾動量;同時軋輥又通過與冷卻液對流換熱過程達到熱平衡，使熱變形趨于穩定，這是一個可控量[1]。如果軋輥沿輥身方向溫度變化不均，就會使軋輥產生熱凸度。雖然工作輥與支撐輥（中間輥)之間存在熱傳導，但實際上支撐輥（中間輥)橫向溫度變化差相對較小，對于工作輥溫度場分布影響很小，所以本文關于軋輥熱凸度的論述主要考慮工作輥凸度。

工作輥熱凸度C可近似表示為：

式中，a為工作輥材料膨脹系數;D為工作輥直徑;ΔT為工作輥熱凸度溫度，即工作輥邊部與中部的溫度差。

溫度場分布和軋輥熱凸度是關系到帶材板形的關鍵因素。在軋制生產中，不斷的熱生成和熱交換過程，勢必會造成軋輥不同程度的熱膨脹，對板形產生不良影響，下面列舉一些控制途徑，以應對各種熱影響。

3.1 工作機制的優化

軋輥熱變形過程具有滯后性和高耦合性，通過調整生產環節中的一些可控量以及優化軋制生產計劃，提前進行預控或人工補償，可以獲得比較好的效果。

（1)工作輥原始凸度：軋輥原始凸度是輥型變化的基礎，相對于熱凸度來說可以看作是可控的，針對自身生產環節溫度場工況選擇合理的工作輥初始凸度，是更好控制板形的前提。

（2)輥系預熱：在開軋之前利用冷卻液對輥系進行預熱，可以使軋輥獲得一定的熱凸度，雖然較穩定值小，但是可以縮短穩定熱凸度形成時間，從而獲得更多相對穩定的軋制時間。

（3)減少停機時間及換輥次數：在無預熱條件下，開軋約30 min后軋輥達到穩定熱凸度的60%，約60 min后軋輥才達到穩定熱凸度的90%，而停機時間過多過長或者換輥都會使溫度場發生改變，破壞軋輥熱凸度的穩定狀態，對板形產生不利影響，應盡量減少停機時間和換輥次數。

（4)產品軋制計劃優化：在開軋階段以及軋輥凸度處在由一個穩定值向另一個穩定值過渡的過程中，軋輥的熱凸度變化比較大，此時板形較難控制，所以在安排軋制計劃時應盡量保證某種軋制工況的長期性。在產品規格發生變化時，應該先軋制對板形不是十分敏感的窄帶，利用其形成熱凸度，再軋制板形較難控制的寬帶。

3.2 傾斜控制

不均勻的溫度分布經常會產生帶材單側邊浪，影響板形，甚至會使帶材跑偏而影響正常生產。帶材的單側邊浪板形缺陷屬于一階次缺陷，可以用傾斜軋輥的方式加以消除，一般通過控制傳動側和操作側壓上（下)油缸的位移來實現整個下（上)輥系的傾斜，達到控制板形的目的。實際應用中還可通過施加不對稱的彎輥力來消除帶材單側邊浪的輔助控制，但軋機需要設置能夠單邊獨立可控的工作輥彎輥系統。

3.3 彎輥控制

由公式（3)可以看出，熱凸度值與輥身中心和輥端部之間的溫度差成正比，由于溫度沿輥身方向的不均勻分布，工作輥會產生熱凸度，例如：在軋制開始階段，在熱凸度沒有達到穩定值之前，帶材容易產生兩側邊浪;在穩定軋制過程中工作輥軋制部分與兩端非軋制部分生成熱不同，且中部冷卻液不易流出，導致熱交換效果相對兩端部差，因此形成中部溫度高兩端溫度低的輥溫分布，使帶材產生中間浪。

針對軋輥沿輥身中心對稱的熱凸度變化而產生的帶材二階次缺陷，可以通過彎輥控制來加以消除，即通過向輥頸兩端施加彎輥力，使軋輥在輥身方向發生彎曲變形，改變軋輥的有效凸度，從而控制帶載輥縫的形狀，達到控制板形的目的。在帶材產生兩側邊浪時增大工作輥彎輥力（正彎)，在帶材產生中間浪時減小工作輥彎輥力，必要時還應采用負彎輥力進行控制。

3.4 冷卻液控制

軋制過程中冷卻液在起潤滑作用的同時又起冷卻作用，帶走相當大一部分軋制生成熱，使軋輥處于熱平衡狀態[3]。如果沿輥身方向改變冷卻液的分布狀況，由于冷卻條件的改變，軋輥的溫度和熱凸度都會隨之改變。圖3所示為某軋機穩態軋制過程中實測工作輥表面溫度和熱凸度分布情況比較，由此可見通過對冷卻液的控制也可以對板形進行控制。

為了使穩態軋制時軋輥熱凸度值穩定，冷卻液溫度是非常關鍵的因素，需要保證合適且相對穩定的冷卻液溫度，另外在開軋階段可以減小輥身中部的冷卻液量，加速穩定熱凸度的形成，但應注意不能小于基本潤滑量。

傾斜、彎輥控制都只是對帶載輥縫進行全輥縫調節，如果軋輥產生局部或者不對稱熱膨脹，致使帶材產生復合波、局部波等復雜的諧波板形缺陷時，這種全輥縫調節方式控制效果不大[4]，而通過冷卻液對軋輥熱凸度進行細分控制是消除帶鋼高階次缺陷的有效途徑。分段冷卻控制在板形控制中有其不可替代的作用。

將沿輥身方向的冷卻區域分成若干段，對各段的冷卻液流量、壓力進行單獨控制，就可以對軋輥熱凸度進行細分控制。例如，某1450六輥冷軋機，每根工作輥冷卻液橫梁共有兩排噴嘴，靠近帶材一排噴嘴主要用以保證基礎潤滑量，在軋制時保持常開狀態;另一排噴嘴被分隔為五個冷卻區段（中間區段沿輥身中心對稱)，每個冷卻區段均可以通過閥門進行調節，冷卻液流量可以在最小量（閥門關閉)和最大量（閥門全開)之間選擇，可以有效控制帶材的非對稱缺陷（如1/4浪)。

圖3 軋制過程中工作輥表面溫度和熱凸度分布比較

對于軋制生產中的薄帶產品，其更容易產生翹曲，板形控制相對較難，基于此原因，對熱變形要進行更精細的冷卻控制，即應該有盡可能多的噴射控制區段，實際運用中已經對可控冷卻區段細分到每一個冷卻噴嘴。例如，中國重型機械研究院有限公司（原“西重所”)為實現軋輥細分冷卻開發了一系列專用冷卻控制閥，控制閥集成在冷卻液橫梁內，可以對每個控制閥對應的冷卻噴嘴進行開/關控制，在機架外部就近設有氣動控制柜，通過柜內電磁氣閥控制到冷卻閥的壓縮空氣通、斷，實現冷卻閥的開啟或關閉，該裝置結構緊湊，響應速度快，已在多套軋機上成功應用。

有了以上細分的冷卻控制機構，如果增加相應的輥型預報或者板形檢測手段就可以實現熱凸度的自動控制，更快速準確地消除帶材的板形缺陷。在實際應用中可以通過建立熱凸度模型實時計算輥型，得到實際的輥縫形狀，給細分冷卻執行機構更為準確的設定值，同時在軋機出口安裝板形檢測儀，得到實測板形，給出細分冷卻執行機構合理的流量分布模型，控制對應冷卻閥的動作，實時修正板形，以獲得更好的板形。

4 結論

（1)軋輥熱凸度是影響冷軋帶鋼板形質量的主要因素，要想得到良好的板形，就不能忽略軋制過程中生成熱的影響。

（2)合理的工作機制、傾斜控制、彎輥控制、冷卻控制是控制板形的有效方法。

（3)對冷卻液冷卻區域進行細分控制是消除軋輥局部、非對稱熱膨脹導致帶材產生復雜浪形的一種有效控制手段。

（4)軋輥熱變形受到許多因素的影響，要找到一個適用于各種工況的規律，以便更好地控制板形，在理論上和實踐中還有許多工作有待進一步探索。

[1]王國棟.板形控制和板形理論 [M].北京：冶金工業出版社，1986：1-28.

[2]陸煜，程林.傳熱原理與分析[M].北京：科學出版社，1997：5-6.

[3]趙志業.金屬塑性變形與軋制理論[M].北京：冶金工業出版社，1980：97-112.

[4]曹小軍，盧紅梅.軋輥熱凸度實例分析[J].山西冶金，2007（5)：15-34.

Influence of Cold Rolling Mill Rolling Heat on Strip Profile and Countermeasures

Zhen Yongfu,Ding Jiaxiang,Feng Sha,Xin Jingtai
(China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710032,China;Sinosteel Xi'an Machinery Co.,Ltd,Xi'an 710032,China)

The authors analyze heat exchange process and its influence on strip profile during cold rolling,and poses control methods of systematic optimization,inclined control,bend roll control and cooling control to effectively improve strip profile.The paper,analyzing strip profile control during asymmetric heat expansion generated by roller,provides certain instruction for strip profile control.

cold rolling mill,heat,strip profile,cooling,control

甄永富（1981—)，男，甘肅慶陽人，工程師，主要從事冷軋設備液壓與潤滑的設計研究工作，E-mail：zhenyongfu1084@163.com。

（收稿 2012-02-15 編輯 潘娜)