四輥與六輥軋機的比較

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1、比較四輥和六輥軋制技術在冷軋機上的應用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理；Dipl.lng.AloisDipl.lng.Alois Seilinger,Seilinger,軋制技術的仿真的首席專家；Dipl.lng.GregorDipl.lng.Gregor Nopp,Nopp,冷軋部 門經理；Dipl.Ing.GerlindeDipl.Ing.Gerlinde Djumlija,Djumlija,澳大利亞，林茨，西門子奧鋼聯(lián)冶金技術冷 軋的部門經理

2、摘要：通過西門子奧鋼聯(lián)模擬冷軋過程，得出四輥軋制技術和六輥軋制技術在冷 連軋應用上關鍵軋制參數(shù)的不同。這涉及到研究不同的軋機的性能。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軋制工作者的追求。這就要求 軋制設備不僅能制造出在質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品的靈活和產品 組合的廣泛性的要求。近年來，一些 新的冷連 軋生產線已經使用了可靠的四輥和 六輥軋制技術（圖一）。然而，我們 并不知道到底是四輥軋機還是六輥 軋

3、機能夠滿足市場對厚度公差和平 直度公差的進一步要求，甚至要求更 寬的產品組合。板帶的強度等級越高， 冷軋就越 困難。新的連續(xù)冷連軋機應該能夠軋制抗拉強度達需要這些設備去軋制范圍更加寬廣的鋼種并且很大一部分是先進的高強鋼包括 汽車用的多相特種鋼和高硅鋼片。同時板帶的表面質量（對所有的產品尤其是用 于汽車工業(yè)的產品是一個關鍵的特征）和保持板帶的邊降在允許的公差帶范圍內 是至關重要的。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的性能，采用了五臺相同混合型軋機， 其中一號和二號軋機采用六輥配置， 三到五號軋機采用四輥配置，并且要求得到 以下結果：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設置另外一組同樣采用五臺相同的混合型軋機， 為了能夠更好的反映邊 降控制能力，一到四號軋機采用六輥配置，五號軋機采用四輥配置其中工作輥為 錐形。在所有試驗用的軋機中，最后一臺軋機采用四輥類型， 目的是通過一個明 確界定的輥形拓撲結構來得到最佳的帶鋼表面質量的適應性。相反對于六輥軋機，因為由于通過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估四輥軋機的換輥時間。因此最終產品 的質量的比較和軋輥在軋機上工作的時間更加容易計算。 結果就減少了非計劃性 的，非生產性的換輥，非常有利于生產計劃。技術分析西門子奧鋼聯(lián)開發(fā)的軋機模型可以

5、分析二輥、四輥、六輥軋機的力和位移。 這個軟件是在一系列軋機分析模型上基礎上開發(fā)的。 并且在有限元分析主軋輥的 基礎上進一步開發(fā)了運用外推法壓下軋輥。通過改變功能和機械設計的相似性將 分析結果運用到被分析的軋輥。除了其他參數(shù)，這個新增的功能就是能夠非常精 確的分析對冷軋分析至關重要的、作為輥疊撓度計算一部分的邊降的程度。一個重要的補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。平直度的調整范圍大部分制造者希望每個軋機的輥形輪廓都是固定的。然而這就要求有強

6、大的 執(zhí)行機構來確保在完整的生產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力分布不均，從而出現(xiàn)質量問 題。平直度不好，軋制過程中會出現(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 而降低了生產效率。為了消除這些問題，將 SmartCrownSmartCrown 執(zhí)行系統(tǒng)運用到 四輥和六輥軋機的實驗中。如圖 2 2 描述的就是 SmartCrownSmartCrown 的基本功能原理。通過軸向移動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變 動外，這種特殊的 SmartCrownSmartCrown 執(zhí)行系統(tǒng)還能夠

7、實現(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，適應的大幅提升對于瞬時運行來 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合尺寸的改變過程中如正 在軋制成為產品的過程中。為了減少支撐輥和鄰近輥之間的負載差異，可以通過一個互補輥形來修正支 撐輥。在四輥和六輥軋機中，有關二階和四階輥

8、形曲線的平直度適應范圍如圖3 3所示。盡管四輥軋機的模擬輥形凸度的變化范圍小于六輥軋機，但是在板帶上實現(xiàn)的控制范圍已經相當?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大的凸度變化范圍來彌補，但是很有必要通過六輥 軋機的中間輥擴大轉變行程。結果就是四輥和六輥系統(tǒng)能調整平直度適應范圍都 不是很理想。而對于實驗中 AHHSAHHS 級別的產品組合的平坦度適應范圍來說，這 兩種軋機都能滿足要求。帶鋼焊接接口處的平坦度在即將成為產品的過程中，由于板帶尺寸和（或）強度的改變，平坦度執(zhí)行 機構設定的位

9、置移動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， 因為平直度的實 際測量受到廣泛的應用。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。不管怎樣六輥軋機在這方面還是具有更多的優(yōu)勢，因為除了工作輥的彎曲，還能夠利用中間輥的彎曲來擴大平直度的適應范圍（如圖3 3）。實際上，不過四輥軋機沒有遇到過這樣的問題，因為在板帶軋制成功之前工作輥有充足的時間來 移動，萬一移動過程超過了板帶接口的軋制過程， 就會出現(xiàn)通過彎輥的調整的同 時來使輥縫快速的適應各自的要求。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連續(xù)板帶（1 1 號和 2 2 號）在連軋 下連軋為基礎進行迅速的轉變：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、是在不切實際和極端的假設下，沒有出現(xiàn)預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考慮到帶鋼尺寸和材料硬度 的變化。軋機剛度在每一個軋機生產線上，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格的厚度公差。為了滿足厚度控制的要求，軋機要設計的盡可能堅固。在相同的板帶下，四輥和六輥軋機的伸展狀況的比較如表1 1 所示。四輥軋機總的剛度比六輥軋機高三分之一，同時剛度越高越有利于板帶厚度 的控制。六輥軋機剛度減少的主要原因是調整型汽缸有規(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、實際意義。然而未來的產品會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行進一步的實驗。減小邊降的假設4 4 輥6 6 輥疊軋輥最小值2496mm2496mm3607mm3607mm最大值2729mm2729mm4003mm4003mm軋機機架909mm909mm966mm966mm油柱最小值532mm532mm532mm532mm最大值2011mm2011mm2721mm2721mm共計最小值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 軋機延伸應該在連軋生產線的第一臺軋機上開始進行，盡管足夠達到局部厚度在邊界不引起不予受理的張力甚至可能導致板帶斷裂的改變。在邊降的實驗中，當高度的減少發(fā)生在 3 3 號和 4 4 號軋機上（圖 4 4）時，作為在四輥和六輥軋機上 適應控制措施（簡單地說就是板帶邊緣的壓力）的 結果的邊降的 1 1號和 2 2 號軋機減少的主要部分會再 現(xiàn)。這對四輥和六輥軋機是有效的并且在導致上述 提到的消極影響的前兩個通過期間僅僅能夠通過 采用一個過于高的邊緣上升來規(guī)避。

14、圖 5 5 顯示了當 板帶通過能夠有效使邊降降低的前四座軋機的輥 縫。與常規(guī)四輥軋機可達到的邊降值為40406060m m 相比，無論什么軋機的類型，都能實現(xiàn)邊降值在 5 51010J Jm m 范圍。為了在六輥軋機上實施這個軋 制經驗，不僅要用側移系統(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 控制都是可實現(xiàn)的。然而，因為這些板帶軋制后都 要進行邊部修剪，所以對于應用到汽車上的產品來說這樣做是沒有必要六輥軋機，EDC-板帶#8通過#1#1 通過#2#2通過#3#3 通過#4#4軋機的中心位置，mmmm4輥軋機，EDC-板帶#8通過#1#1 通過#2#2通過#3#3通

15、過#4#4軋機的中心位置，mmmm圖5邊降控制 在前兩個 軋機上（硅 鋼）那么在 1 1 到 4 4 號軋機上，通過使用具有特殊的倒角和弧形的工作輥并用移動 控制系統(tǒng)控制工作輥的方式，是能夠實現(xiàn)用使用邊降控制的四輥軋機僅生產電工 用鋼。為了將來能夠生產寬度從 1200mm1200mm 到 1750mm1750mm 的電工用鋼，即使兩個不 同的工作輥的側移行程能夠達到-1 0 0mmmm 在寬度為 400mm400mm 下，輥形也要達到要求（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 軋機上（結 構鋼）在不同的板帶寬度上的邊降控制軋輥結論壓下量。 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（接近 40400 0到 500mm500mm）, ,四輥和六輥軋機的表現(xiàn)都是相當好的。事實上，帶 有驅動工作輥的四輥和六輥軋機大多數(shù)僅僅用在連軋上。 六輥軋機僅能夠表現(xiàn)出 強大的成形能力， 如果工作輥的直徑比四輥軋機的相當小。 然而，在這種情況下， 六輥軋機不得不通過支撐輥或工作輥來驅動， 因為將所需輥的扭矩傳遞給工作輥 已經不再可能。但是這種類型的

17、六輥軋機不能用在連軋中。盡管在這種情況下， 允許每一個軋機的壓下量增加， 但是絕對壓下量尤其是材料很軟情況下會受到滑 移的限制。于是，通過所有軋機的總的絕對壓下量相比于具有更大軋輥直徑的軋機來說 意義是不大的，甚至在實際中還會減少壓下量。 這就是為什么這樣的六輥軋機僅 僅應用在特殊領域的一小部分范圍和用于可逆軋機。 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現(xiàn)了。 在連軋中， 這是不可能 實現(xiàn)的， 因為受到可以軋制的最大的軋機數(shù)目的限制。 于是， 只有六輥軋機在連 軋中采用大尺寸的工作輥和跟四輥軋機相同的概念驅動，才能實現(xiàn)。平直度的調整范圍。 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 產品來說平直度控制器所要求的調整范圍可以通過已 知變量獲得。 出現(xiàn)這種情況是因為中間輥彎度的調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的補償由于在過渡區(qū)或者在下一個 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， 如果在板帶移動期間軋制力急劇的改變， 這就可以顯現(xiàn)出 六輥軋機的這個優(yōu)勢。 在這次實驗中，這樣的情況不會出現(xiàn)在現(xiàn)實的軋制過程中， 正如下一個帶鋼的硬度和尺寸部分的改變使這種情況成為可能 （例如，至關重要 板帶間的連接處的碳含量不同） 。為了更好的補償， 必須提到的就是六輥軋機對

19、平直度偏差的補償比第二個更 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），因為在這個范圍上以作為額外的調整因素影響中間輥的彎度。 要在其他技術特點 和必須考慮的六輥軋機的整體經濟性方面來消除不利因素。 因此要在實際中應用 每一個措施來檢驗它是否有利。邊降控制。1 14 4 號軋機應當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，邊降導向的偏移結果，在四輥和六輥軋機上這是可行的。六輥 軋制技術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。剛度。與六輥軋機相比，四輥軋機有相當大的整體剛度。軋輥針對1300mm1300mm寬的板帶和軋

20、制力為 16000kN16000kN 的軋機，在四輥軋機上的延伸為 1.67mm1.67mm,而在六 輥軋機上的延伸率為 2.6mm2.6mm。意思就是軋輥的撓度比六輥軋機高 50500。關于板 帶厚度的控制，如果軋機在位置控制系統(tǒng)下運行，這是很有意義的。在連軋中至少有一個軋機在位置控制系統(tǒng)下運行，同時其他軋機在軋制力控制系統(tǒng)下運行。 解決方案就是依靠自動控制概念將所有的軋機在位置控制系統(tǒng)下運行。然而低剛度的六輥軋機能夠滿足厚度控制的動態(tài)特性相對于四輥軋機。軋輥材料在六輥軋機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行下的軋 機表面磨損比較大，從而引起換輥的頻率增加。這就引起了操作時間的增加從而 減少了設備利用率，增加了軋輥的消耗和擴大了軋輥的庫存。投資回報率六輥軋機的投資要比四輥軋機的投資高，因為需要更多的設備安裝。正如上 述提到的，六輥軋機的軋輥消耗率比較高。不僅從高軋制力運行下的需要尤其是 在軋制 AHSSAHSS 鋼材時，而且從這樣一個事實，例如六輥長行程軋機（中間輥邊降 導向偏移的行程達到 500mm500mm），得到的結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生很大的不利影響相對于短行程來說。四輥和六輥軋機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看四輥軋機的狀況（這樣的基礎是六輥軋機上有驅動工作輥）平直度的控制當用 SmartCrownSmartCrown 工作輥時每臺軋機上一個簡單 的輥縫就能滿足復雜的 產品組合當用 SmartCrownSmartCrown 工作輥時每臺軋機上一個簡單的輥縫就能滿足復雜的產品組合在板帶焊接處平直度如果在前一個軋機軋制工程中開始移動，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計的變化，至少比四輥軋機咼百分之十運行成本比四輥軋機高很多（更多的軋輥在使用，換輥的頻率更高等等）總結本文探討了四輥和六輥軋機的技術特點以及他們對于冷軋AHSSAHSS 鋼材的能力。本文的目的就是為充分利用這兩種技術提供更好的決策依據，因為純粹的直觀的判斷往往得出錯誤的結論。結果顯示在成形能力上四輥和六輥軋機幾乎難分 上下。相對于四輥軋機，六輥軋機僅僅有一下幾點優(yōu)勢：在第四和第六架軋機上，軋制寬的板帶時平直度的調整更加靈活比較好的邊降控制這些與相當高的運營和投資的工廠形成對比。