钢板中凸和形状控制轧机技术

1.1原来轧机存在的问题
　　上世纪70年代后，因钢板轧机采用了液压压下技术而提高了钢板长度方向的板厚控制精度，但却又产生了钢板形状不良、在宽度方向中（间）凸（起）的问题。具体而言，是在原来的4辊轧机上，因支承辊（backuproll）和工作辊（workroll）圆筒长度比所轧钢板宽度更大，轧制负荷会使轧辊产生挠曲，从而使钢板发生波浪边的板形不良和钢板宽度方向的中凸，这不但会影响最终产品质量，且会造成中间制品板卷之后的穿引操作困难。
1.2解决方案及新型轧机开发
　　在上世纪70～80年代，业界针对上述问题提出了以下多种板形控制轧机的解决方案：
（1）轧辊弯曲（rollbent）含工作辊弯曲、双重校对弯曲、新型支承辊中凸、平面度自由控制轧机等；
（2）轧辊移动（rollshift）含工作辊移动、连续中凸可变轧辊轧机等；
（3）轧辊双重交叉（rollpaircross）轧机；
（5）轧辊冷却（rollcooling）轧机；
（6）轧辊在线（on－lineroll）研磨轧机。
　　在对以下轧机及相关技术的开发中，日本钢铁界和设备制造业界的开发和应用都极为成功。现概要介绍对其HC（highcrowncontrol）轧机和PC（paircrass）轧机的开发及应用。
　　2HC（即高中凸控制）轧机的开发
2.1HC轧机的原理及特点
　　在原来型轧机上，轧制时工作辊产生挠曲的原因来自轧材和板宽外侧支承辊的有害接触负荷；并且，即使是备有能矫直工作辊挠曲的弯曲机，其功能也受到有害接触负荷的限制，而无法获得充分的矫直效果。而理想的HC轧机上，支承辊体长度与轧板宽度相同，即没有原来轧辊间的有害接触部，从而防止了工作辊的挠曲，并且，还能大幅度扩展对板中凸和板形的控制范围，即同时获得由工作辊弯曲力控制大的板中凸和板形这两种相反的功能，以及控制的稳定性。
　　但是，实际上随轧板宽度变化而改变工作辊长度不现实，故HC轧机被设计成了在支承辊和工作辊之间有可沿轴向移动的中间辊的6辊轧机。因中间辊可沿轴向移动，就可根据轧板宽度调整一端的有害接触部；且由于也可以减少残余有害接触部的接触负荷，从而可以接近使支承辊长与板宽相同的横向刚性无限大的理想HC轧机状态。
　　通过HC型试验轧机的轧制试验查明：由于轧辊横向刚性的提高，故轧出平面度好（无波浪边）的钢板；而且，即使小直径工作辊也能确保大的横向刚性，故可通过工作辊的小直径化减少轧制负荷而节能，并轧制硬质材料。
2.2HC轧机的开发
　　首先是对轧机的油压压下装置HYROP（即hydraulicrollpositioningdevice）进行了技术开发。在对轧辊挠曲度进行实测并用组合模型计算验证的基础上，查明工作辊与支承辊的挠曲度完全不同，且当支承辊长度等于轧板宽度时，即能大幅度减少工作辊挠曲。
　　在设计和试制HC轧机时，由于原来在制作森吉米尔轧机时有将第一中间辊沿轴向移动的机构，故顺利实施了移动中间辊的设计；针对首张专利图上HC轧机每边有2根（共4根）支承辊的设计，按照结构坚固、维修方便的原则，决定将其改为6辊（即支承辊、中间辊和工作辊各2根的）轧机。
2.3HC轧机的应用
　　首台HC轧机被成功用于高质量的电工钢板的轧制，满足了控制钢板中凸、板形和边缘损耗的要求，且为后来改进轧机的设计及制作积累了相关数据。其后，HC轧机被先后扩大用作串列式带材冷轧机、光整冷轧机，然后也被用作热轧机。
　　在HC轧机的实用化过程中，必须且已经解决的重要技术问题：一是抑制因改变轧辊间负荷分布的中间辊移动而在其端部产生的局部应力集中，措施是调整中间辊的曲率半径和锥度；二是为了提高轧辊使用寿命和耐负荷性能，已开始采用以高频淬火而获得高硬度（Hs75）表面的锻钢轧辊；三是必须充分抑制辊、板间的润滑和轧辊冷却而使用冷却剂的飞散。
2.4HC轧机的扩展
　　经不断研究和开发，HC轧机的基本型式已发展成为HCM、HCW、HCMW、VCM、VCMW、GBM和5BM共7种。到2005年为止，已生产并交货热轧HC轧机120台、冷轧HC轧机280台。
3PC（即成对交叉）轧机的开发
3.1PC轧机的原理及特点
　　PC轧机是将工作辊轴与支承辊轴保持平行，使上下辊群交叉轧制的轧机。若上、下工作辊如此地交叉，则越在辊端部，两端的间隙就越变成宽的辐射状。而另一方面，由轧制负荷引起的轧辊挠曲则为越在中央越宽、越在端部越窄的曲线，即因轧辊交叉而造成的轧辊间隙、在与轧辊挠曲大致相反的方向起作用，故可利用辊间交叉角度调整钢板断面形状。
　　在热轧机上，由数千吨的轧制负荷引起的工作辊/支承辊挠度、因工作辊本身的径向热膨胀，且因轧制长度的延长造成的工作辊磨损，使辊中凸以数百靘的水平变化。因受轧辊自身的制约，即使用工作辊弯曲机也难以对之进行控制。反之，PC轧机仅以1°水平的交叉角度即可造成与1000靘左右的工作辊中凸（直径）等价的轧辊间隙，且此间隙为几何型间，不受轧辊强度制约。因此，较之HC轧机和工作辊移动轧机，PC轧机对钢板中凸的控制能力特别大。这就是PC轧机被广泛用作热轧机（特别是厚板轧机）的原因。
3.2PC轧机的开发
　　生产设备的三菱重工与钢铁企业新日铁联合对PC轧机进行了研究和开发。前者制作了1/3尺寸模型实验轧机进行了冷轧试验，后者在改造的1/2尺寸模型轧机上进行了热轧试验，分别研究了冷、热态交叉轧制特性，还验证了交叉轧制原理并搜集了设计数据，如轧制负荷与转矩、钢板蛇行及穿引性、AGC滞后、工作辊磨损等。
　　硬件设计的一大难题是轴向力。轧辊成对交叉化虽能降低但却难以消除轧板与工作辊间的轴向力。从理论解析和实验查明轴向力约为轧制负荷的15%，致使原有的轴向力（止推）轴承能力严重不足，为此新开发了PC轧机用高负荷轴向力轴承，并通过了长时间的严格试验。
　　另外，在首台开发PC轧机上采用了工作辊驱动用齿轮主轴，主要是担心交叉销型会因万向节误差而导致轧辊两端的不等速旋转。然而因齿轮主轴也交叉，会因轧辊倾斜而产生齿轮齿面的热胶着问题，最终的对策是对齿面进行氮化处理并强化了润滑。
　　在整个设计和开发过程中，参与双方对数百个主项项目进行了充分试验、研究和论证，力争万无一失；而且，三菱重工在设计PC轧机时，还获得了美国mesta公司的技术支持。
　　根据共同研究的结果，三菱重工接受了新日铁的订货，制造了首台6辊PC轧机。
3.3PC轧机的应用
　　自首套PC轧机于上世纪80年代中期在新日铁公司（广制铁所）投产后，其控制板形和中凸的良好能力得到了生产实践的验证和业界的肯定，从而在日本国内外推广应用。到2005年为止，在部分国家共有30套PC轧机投产，其中日本9套、韩国11套、中国6套、美国2套，荷兰与泰国各1套；另外，2006年还有韩国浦项2套、2007年中国宝钢1套投产。
　　特别需提及的是世界著名的浦项公司近20年来已建设了12套PC轧机用于板材生产；而作为新兴钢铁大国的中国近10年来已先后引进了7套PC轧机，其中宝钢2套，鞍钢、唐钢、本钢、通钢、上钢一厂各1套。
　　由于PC轧机控制板形能力强，且其控制钢板中凸的能力大于HC轧机和其它轧机，因此，PC轧机主要被用作热轧串列式轧机（而HC轧机主要被用作冷轧机控制板形），如在最近10年中，在生产的热轧串列式轧机中，PC轧机从原50套增加至90多套。到目前为止，全世界已建成投产和在建的PC轧机已达104套。
4结语
　　在世界粗钢年产量已超过10亿t的今天，轧机正在从小型化向轧制高级钢化的潮流回归。在热轧方面，必须进一步改善包含板端在内的板厚断面形状和表面性状，还须解决大压下量轧制高级钢时产生的轧辊表面桔皮状剥离、轧机振动、通板（即穿引）性下降等问题。在冷轧方面，对板端断面形状和高次形状控制更为重要；而且，为了与热轧一样实现轧制高级钢化，也要求使用小直径轧辊轧机的高性能化，以便进行大压下量轧制和超薄轧制。
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