宝钢2030冷连轧机组机型研究与改善

张清东1，  白  剑1，  文  杰1，  徐乐江2，  吴  彬3，  饶志雄3

(1．北京科技大学机械工程学院，北京100083；  2．宝钢集团有限公司，上海200122；

3．宝山钢铁股份有限公司冷轧厂，上海200941)

摘  要：应用板形控制与冷轧机型配置理论，以宝钢2030冷连轧机组第5机架从CVC机型改造成DSR机型的技术案例以及改造后的机组板形控制能力仍不足为背景，研究指出，机组机型配置采用4架常规4辊轧机搭配1架高技术板形轧机(如CVC、DSR等)的冷连轧机组的板形控制能力有限，不能完全满足汽车板尤其是高强度钢板的板形控制需要，据此提出了针对2030冷连轧机组的机型完善改进方案，包括1～4机架使用的VCL支持辊辊形技术及与其配套的工作辊凸度和第5机架配套的支持辊辊形。生产应用表明，完善改进后机型，即4架使用VCL技术的常规4辊轧机+1架CVC或DSR轧机，极大地提高了此机组的板形控制能力，高强钢产品的板形问题得到了根本解决，取得了显著的经济效益。

关键词：机型；冷轧；带钢；板形；辊形

宝钢2030冷轧单元是中国改革开放后全引进的第1条大型冷轧带钢生产线^[1-2]，机械装备由西马克公司负责，控制系统由西门子公司配套，汇集了当时世界最先进的装备和技术，于1989年建成投产。机组由5架4辊轧机组成，前4个机架为常规4辊轧机，第5机架为4辊轧机，机组出口安装了ABB板形仪，用于第5机架的板形自动控制。原有4种板形控制手段，即第1～3机架、第5机架工作辊正弯辊，第4机架工作辊正负弯辊，第1～5机架压下倾斜，第5机架9分段冷却，第5机架工作辊采用CVC技术。这是CVC技术在冷轧工业生产中的首次应用。

投产后，为了满足不断提高的市场对产品品种和板形质量的需求，2030冷连轧机组实行了多层次的技术和设备改造^[1]。1992年在第1机架采用VCL变接触支持辊技术^[3]来提高轧机消化来料厚度和板形波动的能力；1996年为前4机架研制了弯辊力自动设定系统；1997年针对第5机架原有CVC辊形改善板形的局限性和弯辊装置方面存在的问题，在第5机架增加了DSR板形控制技术^[4]，同时增加了工作辊负弯辊和36分段的工作辊精细分段冷却等板形技术。但考虑到这是DSR技术在轧钢领域的首次工业应用，需要研究完善，轧机保留了CVC板形控制模式^[1]，即DSR支持辊不能使用时，仍恢复使用CVC技术。

1  2030机组的机型缺陷及思考

10年的生产实践表明，虽然装备了DSR、精细分段冷却等先进板形控制技术，2030冷连轧机组仍存在若干不足。

1．1机组板形控制能力

目前机组的产品规格、钢种和用途已发生了很大的变化，从当初的规格变化少、钢种单一、用途为普通建筑到目前的超宽(1 700 mm以上)、窄(1000mm以下)、薄(0．6mm以下)规格多，钢种强度跨度大(从IF钢到80kg以上级高强度钢)。其中，高强钢的板形问题尤为突出。

2030机组前4个机架为普通4辊轧机，第1机架使用的是1990年设计的VCL支持辊辊形[3]，第2～4机架使用的是常规支持辊辊形，辊缝横向刚度很低，板形调控能力不足，高强钢生产时需用较大轧制压力，辊缝基本凸度值也很大，带钢就更容易出现边浪且难于控制，即便工作辊弯辊力使用到正极限及采用较大凸度的工作辊，还是无法有效改善高强钢边浪，往往在第4机架出口在线就可见明显的边浪，而第5机架的DSR技术不能完全消除前面4个机架积累形成的严重边浪。

1．2  DSR支持辊

虽然理论上DSR技术具有强大的板形控制能力，但在生产应用中暴露出较多的问题：1)使用DSR支持辊的投资和生产成本相对较大^[1]，辊套仍需进口，价格昂贵；2)故障率高，维修困难且维护费用高，故障损失大^[2]；3)第5机架上支持辊为DSR支持辊而下支持辊为普通支持辊，辊系结构与载荷的垂直不对称导致辊系的受力状态与变形行为也垂直不对称^[4]，使得DSR轧机板形控制性能垂直不对称，影响产品质量和轧辊稳定工作。

1．3机型研究与实践经验总结

结合宝钢近20年的板带钢冷轧生产实践，针对冷连轧机机型选择配置原则以及2030冷连轧机组的理想机型方案等技术问题开展了持续的研究，得到如下一些认识。

1)产品决定机型。具体讲，就是产品的品种(规格和钢种的范围)和板形质量要求决定机组的机型。一般认为，机型选择的内容^[1,5]包括：机组应配置的机架数。机座应采取4辊或6辊还是其他多辊轧机，即应采取的轧辊数。机座是选择CVC或UC／HC或DSR或其他板形技术，即应配置何种先进板形技术。由于其中的后2个问题都与板形相关，且新一代高技术板带轧机^[5]都以板形控制见长并被称为板形轧机，以及板形控制成为板带钢生产中的第一难题，因此一般机型选择配置都以板形控制能力及板形控制技术的设计与选配为第一要务和关键内容。但更准确地说，机型选择配置以满足选定产品的保质保量且稳定生产为根本目标，只是在当前板形质量要求成为了其中的首要问题和核心内容。

2)冷连轧机组采用5个机架应该是合理的选择，可以满足现有各类冷轧产品的生产及板形控制需要。目前冷连轧机大多使用5个机架，少部分采用4个机架或6个机架，其中4个机架的配置生产强度级别高或变形量大的产品时有困难，而6个机架的配置对于目前各类产品都显富裕。

3)冷连轧机组若采用4个机架的常规4辊轧机(4c)搭配1个机架的高技术轧机(1h)的机型，机组的板形控制能力不能满足变形量大(如IF钢、镀锡基板)或强度级别高(如高强钢、硅钢、阴罩带钢)或板形质量要求高(如汽车面板、家电面板、造币钢)的各类高档冷轧产品的需要。实践也证明，生产高档冷轧产品，4c+1h的机型配置是不能胜任的；进一步推测，如果不对常规4辊轧机采取类似应用VCL技术的改进，3c＋2h的机型配置恐也不能满足产品对板形控制能力的要求。

4)宝钢2030冷连轧机组，当第1～4机架为常规4辊轧机时，无论第5机架采用CVC轧机还是DSR轧机都不能满足此机组产品的要求。另外，DSR支持辊使用和维护的费用较高，轧钢用DSR技术还需要进一步研究改善^[2]。

鉴于上述2030冷连轧机组的技术缺陷，研究决定再次进行此机组的机型改造。

2  2030机组的机型改造方案

当轧机机型^[6-7]已确定，辊形就是带钢板形控制最直接、最有效的手段。针对产品特点，以辊形技术为核心，配合工艺制度和控制模型等方面进行冷连轧机板形控制性能提高和某种程度的机型改进就成为十分必要的研究课题^[1,7]。

从2030机型的技术弱点出发，通过理论研究结合生产实践，提出了对宝钢2030冷连轧机的机型改进方案。

1)在第1～4机架采用VCU支持辊辊形技术，最大限度地提高其板形控制能力，让前4个机架的常规4辊轧机都接近高技术轧机的板形控制能力。VCL支持辊可以提高轧机的横刚度、增加弯辊调控功效以避免工作辊弯辊使用正极限的情况，增强辊缝凸度对轧制力改变的适应性，使轧制力较大的产品(高强钢)与轧制力较小的产品(IF钢)板性控制能够兼容，并使用配套的工作辊凸度，减轻轧辊的不均匀磨损，减小辊耗。

2)若第5机架采用DSR模式，针对第5机架的DSR上支持辊设计与之配套的下支持辊辊形，采用VCL支持辊辊形技术，通过辊形来影响下辊系的辊间接触压力分布^[4]，使辊间接触压力多向带钢部分集中以配合上辊系的接触压力特性，使上下辊系受力状态和变形行为尽量对称，增加下辊系的辊缝横刚度与弯辊调控功效。若第5机架采用CVC模式，第5机架支持辊采用VCL与CVC叠加的复合辊形，利用VCL辊形技术来提高轧机的板形控制能力，在VCL曲线上叠加^[8]一定量的CVC曲线，使均匀辊间接触压力。

3  第1～4机架支持辊辊形设计

3．1辊形曲线的设计原则

第1～4机架采用相同的VCL支持辊辊形，设计原则是：1)尽量获得大的辊缝横刚度，增强辊缝凸度对轧制力改变的适应性，增加弯辊调控功效；2)使用较低凸度的工作辊，保证使辊缝基本凸度值处于理想范围内，避免基本凸度点过大而造成的边浪难于控制；3)尽量均匀辊间接触压力，减少支持辊横向不均匀磨损，保持辊缝基本凸度值不明显漂移和辊缝横刚度与弯辊调控功效不明显劣化。

3．2辊形曲线的设计变量

VCL支持辊辊形曲线用代数多项式表达：

g(x)=a₂x²＋a₄x⁴＋a₆x⁶＋a₈x⁸

x∈[－L_B／2，L_B／2]

式中：g(x)为辊形函数；a₂、a₄、a₆、a₈为辊形曲线多项式系数，它们就是设计变量；L_B为支持辊辊身长度；x为辊身坐标。

3．3  目标函数与约束条件

根据第1～4机架支持辊辊形的设计原则，确定以下几个子目标函数：

采用线性加权组合法，总目标函数可表示为：

式中：K_q^[4]为辊缝横刚度；K_BFW^[4]为弯辊力二次调控功效；β^[4]为辊间接触压力不均匀度；C_W为工作辊凸度；C_W0^[4]为辊缝基本凸度值；ω₁、ω₂、ω₃为加权系数。在约束条件中，指定工作辊凸度C_W取0．1 mm，指定计算出的C_W0的范围是－30～60μm，g(L_B／2)表示辊身边部与辊身中点的半径差，应在300～550μm之间。辊形设计原则中的降低工作辊凸度与降低辊缝基本凸度值都是通过约束条件来体现的。

通过改变设计变量的值，搜索辊形曲线，利用上述的目标函数对其进行评价，并从中找出最优值。优化后的辊形曲线如图1所示。

3．4仿真结果对比

利用离线仿真进行了相关的对比研究。表1、2的对比中可以表明，对于3种不同宽度的带钢，对比常规支持辊来说，VCL支持辊能有效提高辊缝横刚度与弯辊力二次调控功效，说明VCL支持辊能提高机组的板形控制能力，有利于抑制或消除高强钢的边浪缺陷。

4  第5机架支持辊辊形设计

4．1 DSR模式

当第5机架采用DSR支持辊时，采用配合DSR辊使用的下支持辊辊形。VCL支持辊辊形的设计原则是：1)尽量使辊间接触压力多向带钢部分集中以配合上辊系的接触压力特性，尽量得到垂直对称的辊缝形状；2)增加下辊系的辊缝横刚度和弯辊力调控功效，增强下辊系的板形控制能力。

4．2  CVC模式

当第5机架采用CVC工作辊时，第5机架支持辊采用VCL与CVC叠加的复合辊形。支持辊的辊形设计原则是：1)利用VCL辊形技术来提高轧机的辊缝横刚度和弯辊力调控功效；2)将一定比例的CVC曲线叠加到VCL支持辊辊形上，用来使辊间接触压力均匀。辊形设计的结果见图2。

5  生产应用

VCL支持辊辊形技术和配套的工作辊凸度在2030冷连轧机第1～4机架都得到了应用，并已投入了稳定使用，第5机架的辊形处于上机试验的准备中。

5．1轧机板形控制能力

第1～4机架使用VCL支持辊后，在保证高强钢板形质量的基础上，各机架弯辊力可由原来的95％降低至70％以下，能够保证板形质量稳定。VCL支持辊能够降低正弯辊力的需求，轧机板形控制能力已得到了显著提高。

5．2板形精度统计数据

第1～4机架使用VCL支持辊后，带钢板形控制精度总体有了很大的提高，平坦度小于10 I所占的比例从97．28％提高到了99．18％，其中高强钢产品从93．72％提高到了97．10％。

5．3轧辊自保持性

图3是2种支持辊的新旧辊形对比，VCL支持辊的磨损辊形与新辊辊形相似，具有很好的自保持性，有利于提高支持辊的服役周期，并能显著降低支持辊的辊耗。

6  结论

1)关于宝钢2030冷连轧机组机型完善。针对2030机组的机型缺陷，应用板形控制与冷轧机型配置理论，提出了相应的改进方案，即采用4架使用VCL技术的常规4辊轧机+l架CVC或DSR轧机的配置方案。完善改进后的机型能极大地提升机组板形控制能力，高强钢产品板形控制精度明显提高，应用效果良好，经济效益显著。

2)关于冷轧机型配置。研究认为，轧机机型是板形控制的第一位、基础性和长期起作用的因素，因而轧机机型的合理选择成为决定板带产品质量的最关键因素；机型选择配置以满足选定产品的保质保量且稳定生产为根本目标，在当前板形质量要求是其中的首要问题和核心内容；冷连轧机组采用5个机架应该是合理的选择，可以满足现有各类冷轧产品的生产及板形控制需要，但生产高档冷轧产品时4c+1h的机型配置是不能胜任的。

参考文献：

[1]  徐乐江．板带冷连轧机板形控制与机型选择[M]．北京：冶金工业出版社，2007．

[2]   张清东，黄纶伟，周晓敏，等．冷轧CVC和DSR板形控制技术比较[J]．北京科技大学学报，2002(6)：291．

[3]   Chen Xian—lin，Yang Quan，Zhang Qing—dong，et a1．Varying Contact Back up Roll for Improved Strip Flatness[J]．Steel Technology International，1994／1995：174．

[4]   周西康．DSR冷轧宽带钢轧机板形控制性能研究[D]．北京：北京科技大学，2005．

[5]   陈先霖．新一代高技术薄带冷轧机的发展趋向[J]．上海金属，1995，17(5)：1．

[6]   许健勇．关于带钢冷轧机选型的探讨[J]．钢铁，2008，43(5)：1．

[7]   何安瑞，张清东，杨荃，等．现代化冷连轧机的最佳机型配置 [J]．钢铁，2004，39(5)：43．

[8]   孙向明．CVC-6h冷轧机板形调控性能与支持辊辊形设计[D]．北京：北京科技大学，2006．