南钢5米宽厚板轧机薄规格钢板过程控制的研究与应用

黄立新，郭怀兵

（南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210000）

钢铁工业是我国国民经济中最重要的支柱产业之一，纵观钢铁产业历史，中厚板已经有200多年的生产历史，中厚板的需求量、生产数量以及生产水平已经成为衡量综合国力的重要指标。近年来，我国石油化工、桥梁建筑等行业发展迅速，不仅提高了中厚板的需求量，对其质量和品质也提出了更高的要求。中厚板被广泛使用于复杂的环境中，其具有强韧性、耐腐蚀性以及耐高温等特点，其已经占据我国钢材总产量的10%，其对推动国民经济发展和提升国家综合实力有至关重要的作用。

1 中厚板轧线发展概况

新中国成立之前，我国只有一套三辊劳特式中厚板轧机，于1936年建成，其作为我国第一套钢板轧机为当时我国的钢铁发展奠定了踏实的基础。新中国成立后，得益于前苏联的帮助，我国以第一套轧机为基础，先后建立了13套三辊劳特式轧机，彼时，我国中厚板的生产技术和加工工艺已经突飞猛进，有了显著的成绩。70年代后，我国的综合国力迅速提升，大型工程机械行业、船舶制药业等迅速发展，以往的中厚板轧机已经不能满足当时的生产需求，因此1978我国自行设计制造了第一套4200mm的厚板轧机，同时也从国外引入了3300mm的二手宽厚板轧机设备，以满足当时我国的工业生产需求。

另外，建国之初三辊劳特式轧机的制造工艺还存在诸多问题，如尺寸偏小、钢板宽度窄、版型差以及能耗高等问题，在当时不仅影响制造工期同时这类设备的经济效益也极差，因此，20世纪80年代初，我国各类中厚板生产企业纷纷大力投入研究，并结合实际生产对三辊劳特式轧机进行不同程度的改造，改造后的三辊劳特式轧机不仅保留了原有的轧机产能，在制造工艺和生产技术水平上也有了极大提高，并具备了先进的电控设备、控轧控冷技术装备和热处理工艺。

总之，随着我国综合国力的提升中厚板轧机也再不断的发展革新，从传统的三辊劳特式轧机发展至今，中厚板制作更为精准和智能，且可以满足各类工业生产需求。

2 宽厚板轧线相关情况

南钢5m宽厚板厂设计年产160万t钢，产品规格5mm～250mm×4850mm×25000mm，生产的产品品种有：船体用结构钢、管线钢、锅炉和压力容器用钢板、碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢、桥梁用结构钢、建筑结构用钢板、高强度结构用调质钢板、工程机械用高强度耐磨钢板、耐候结构钢等。

（1）工艺流程。宽厚板厂生产线的工艺流程为：连铸板坯→步进式加热炉→高压水除鳞→5000mm轧机→预矫直机→控制冷却→温矫直机→剪切→喷印标识→(探伤→抛丸→热处理→矫直)→检验→入库→发货。

（2）设备组成。其核心设备，轧机装置采用单机架整体结构，牌坊单片重量400t，最大轧制力130000kN，轧机刚度为9500kN/mm，轧机开口度650mm，主电机功率为2×10000kW，最大轧制力矩为2×4244kN·m，最大轧制速度为6.35m/s，如图1所示。

图1 轧机装置布置

3 宽薄规格钢板生产问题

3.1 温降快

温降过快会导致钢板翘曲变形，而中厚板轧机生产的钢板温降低在每秒10℃～15℃，因此应尽量减小每次轧机制造的时间间隔，以防止温江过快导致的钢板板形不良问题。在实际生产中，钢板轧制温度一般设置为80℃以上。

3.2 板形控制困难

钢板的轧制与多方因素相关，且多因素之间相互影响，这使得板形难以控制，外部翘曲、边浪以及中浪等是宽薄板生产中最常出现的问题，良好板形的生产不仅需要使用常规标准的轧辊辊型也需要将末道次的压下量控制在合理范围，以防止压下量过大产生钢板内部受力不均匀的问题。另外，加热炉也是影响板形的重要因素，同一批次的钢板在不同加热炉作用下产生的效果也不尽相同，甚者需要对其进行多次加热才能生产完成，如下图2所示。

图2 钢板轧制过程

3.3 操作难度大

钢板制作并不仅依赖于轧机，对操作员也有较高的要求。10mm以下厚度规格钢板的制作极为复杂，尤其是进入末道次时其形态已经很薄，且此时一但温差过大必然导致翘曲或下扣现象。另外，薄板不同于中厚板，其薄厚度更容易进入轧机间隙，轻者导致钢板作废重者可能引发生产事故。因此，实际生产中，钢板生产操作难度极大，需要经验丰富的操作员，其可以预先对预判危险并迅速做出合理调整，将损失降到最低。

3.4 辊型和厚度均匀性问题

宽薄规格钢板轧制过程，最难控制的问题即轧制厚度，其主要影响因素是辊型和热凸度，如何合理控制热凸度使其与辊型完美结合是操作员最为关注的问题，且轧制过程中，轧辊与轧件接触时必然出现磨损现象，因此若不将其控制在合理范围内必然出现板形不良等现象。

4 宽薄规格钢板板形控制优化

4.1 板形控制的基础理论

钢板轧制过程的实质是指在重型机械旋转轧辊的碾压作用下发生形变的过程，即将一定形状的钢铁进行高温、重力碾压后其会向发生外部延伸和内部流动的变化过程，最终制造成能够满足生产需求的成品。而板形则是指板带延伸至外部的形状和翘曲程度，不良板形产生的原因是钢板内部受力或残余应力不均匀导致的。板形不良分为潜在不良和外显不良，潜在不良指板带内部应力不良产生的翘曲现象，反之则称为外显不良。板形的衡量指标包含有板凸度、断面形状以及板带的板平直度等，如图3所示。各项指标有独立的评判标准但又相互影响，精准的指标不仅可以定量板形，也是研究板形问题和实现板形自动控制的基础。

图3 轧钢板形控制

4.2 板形控制的技术手段

钢板的发展过程中涌现了许多的板形控制技术，其中最为常用且最具代表的当属弯辊、窜辊、轧辊分段冷却以及液压膨胀辊等技术。弯辊技术于1965年提出，真正使用于1970年，其作为最早的板形控制技术虽然存在诸多不许但依然是当年使用最为广泛的板形控制技术。其工作原理是借助弯辊装置增加或减小轧辊平衡力，以此改变其内部压力分布和轧辊弯曲变形程度。

窜辊技术主要由德国西马克和日本日立两家公司研发的两种技术，分别是CVC和HC技术，当然的分别适用于CVC和HC系列轧机。CVC系列轧机于1982年发明，其主要装置是反对称布置的S型上下移位辊，移位辊的辊身曲线满足高次多项式，以此为计算公式设置轧机参数，通过调整位移辊的移动参数实现凸度的连续变化。

重力轧制作用下，钢板内部会产生热效应变化，在内部热量平衡后不均匀的受力可能导致轧辊产生凸度。轧辊的热凸度也是不良板形的体现，因此需要对其进行温度分布控制，从而平衡轧辊的热凸度，即轧辊分段冷却技术。此技术虽然可以提高板形的控制能力，但因为其长久的热惯性等缺点使其很难被实时控制。

5 宽薄规格钢板厚度控制研究

5.1 厚度控制的基础理论

中厚板轧机厚度控制需要结合数学模型计算出既定目标，并合理设置辊缝参数，模型计算过程在二级操作，计算完成后将预定参数传输至一级。实际上，一级是自动化系统，主要工作原理是利用传感器或测厚仪设备实时监测钢板厚度，进而在传感器内部将实际测量厚度与二级模型中的计算结果进行比对，结合对比结果通过液压缸控制钢板厚度，如此反复操作，最终制作出满足生产需求厚度的钢板。

5.2 厚度自动控制技术

中厚板的发展变化过程中先后出现了多种自动控制技术，即AGC技术。首先，是BISRA-AGC技术，其工作原理是以实际测量的钢板厚度作为基准厚度，实际轧制过程中，借助于检测出口的轧制力和辊缝的信号量来约束钢板厚度，进而将钢板的整体厚度控制在预设范围内，如此轧制出符合生产要求厚度的钢板。其次是动态设定AGC，动态设定的原理是基于泰勒公式，利用泰勒级数法推导出钢板厚度。其实，轧制力增加的过程中，有一部分力量来源于位置调节，位置调节会增加轧机的轧制力，因此需要将这部分轧制力扣除，进而计算出单独由扰动引起的轧制力增量，最后根据扰动引起的轧制力增量与扣除厚度差所需的位置调节各因素之间的关系，最终轧制出符合生产需要厚度的钢板。最后，是厚度计型AGC，其也是BISRA-AGC技术的升级版，在原来的基础上增加了轧机压力下效率的补偿工作，主要为了提高系统的动态响应。主要原理是结合轧制力和辊缝值，计算出轧件出后厚度，从而获取测量值与目标差值，之后与BISRA-AGC技术类似，理论上该控制方式是可以实现高精度厚度的钢板。

6 结语

本文主要阐述了轧制薄规格板过程的控制与应用，轧制薄规格板对我国钢板厂的生存和发展具有非常重要的意义。然而宽薄板轧制时比例凸度较大的特点，易导致轧制状态不稳定。因此，制定和优化宽薄钢板的稳定化轧制工艺成为宽厚板厂急需攻克的难题。