热镀锌带钢一种新的平整方法

Baotech 平整模式的基本创新原理和要点是：只用普通四辊平整机，通过建 立基于轧制理论的、严密准确描述平整机设备系统、被平整带钢和平整工艺参数 与平整出口板形之间关系的分布参数数学模型，在以出口板形良好为目标优化平 整辊辊型曲线的基础上，由过程控制计算机在线计算出平整轧制压力、前后张力 及弯辊力等最佳化设定值，作为基础自动化系统的控制目标值，配合以基础自动 化级平整延伸率、轧制压力、前后张力以及弯辊力的综合优化控制，使经平整后 带钢的板形、表面质量和机械性能同时达到高的保证值要求。
（2）延伸率闭环前向通道设置适当的控制阈值，只有当延伸率设定值与实际 值的偏差超过规定范围时，才通过调整轧制力和张力消除延伸率偏差；
（3）综合发挥张力和轧制压力对延伸率的控制作用，实现它们对延伸率和板 形的协调优化控制；
（4）弯辊力跟随轧制压力的变化自动调整，及时消除轧制压力变化对出口板 形的影响。
辊型曲线
辊
间
轧
入口宽厚比
压 力
件
入口板凸度、板形
及 轧
材料强度
制 压
力
分
压下率
布
工 艺
张力
参
弯辊力、轧辊移动
数
润滑、冷却状况
轧制速度
轧辊粗糙度
#2
#1
辊
系
负
弹
载
性
辊
变
缝
形
#3
热 辊 形
板形
轧 出 带 钢
出 口 厚
度 宽
向 分 布
出 口 张 应
力 宽
向 分 布
图 1 负载辊缝影响因素示意图
1.2 基本原理
118
116
114
112
110
108
106 104
102
100
0 .0
0 .1
0 .2
0 .3
0 .4
0 .5
0 .6
? ? ? ( m)
b/2 (m)
图2 带钢出口板形（h0=0.26mm，b=1.15，ε =0.7%，k=576Mpa，P=280.4t） （a）辊型优化前 Sa =19.9t （b）辊型优化后 Sa =11.4t
热镀锌带钢一种新的平整方法
顾廷权，杨美顺，陈培林 （宝钢研究院设备研究所）
摘 要：目前冷轧带钢热镀锌机组的平整工序一般都采用平整机后加一台拉伸矫直机， 以保证带钢板形。但是投入拉矫机，容易造成带钢表面缺陷。为此开发了一种在热镀锌机组 上不投入拉伸矫直机，只投入一台普通四辊平整机同时保证板形、表面质量和机械性能达到 较高要求的平整方法。该方法特别适合于热镀锌汽车板的生产。
本项目的延伸率控制采用阶梯式分段恒压力控制法，综合了目前常用的延伸 率控制和恒压力控制方式的优点，可以同时保证板形和延伸率控制精度。延伸率 板形综合优化控制创新要点包括：
（1）计算并比较轧制压力调节延伸率代价系数和张力调节延伸率代价系数大 小，综合考虑钢种规格、设备能力等因素合理确定延伸率控制方式（轧制力方式、 张力方式）；
3 实际应用效果
2004 年 9 月 15 日本项目开始第一次热负荷试车，按计划共投入运行 10 个 班次，生产 110 多个钢卷，涵盖了机组产品大纲的所有钢种。投入在线后系统运 行平稳，在不投入拉矫机的情况下，带钢经平整后板形良好。热负荷试车过程中 拍摄的带钢平整前和平整后的部分实物照片如图 5 所示。
支撑辊
lz 130mm
δ 1.0mm
k
a
工作辊 0.036mm 4
0.058mm
b 0.02(常规等级钢种)
0.013(FH 钢)
图 2～3 给出了一种规格产品优化辊形设计前后前张应力分布、弯辊力的模 拟计算结果。
3
(MPa)
? ? ? ? ( MPa)
前
张
128
应
126
a
力
124
b
分
122
布
120
1
过建立基于轧制机理的严密准确的数学模型，将影响板形的带钢、平整机系统和 生产工艺三个方面的因素有机地结合起来，系统、综合地解决板形问题。
本文介绍的研究项目在国内外首次提出并在宝钢新建的冷轧 3#热镀铝锌机 组上开发实现了一种新的热镀锌机组平整模式（Baotech 模式），适用于除了部分 对表面锌花图案清晰度有明确要求的产品（如耐指纹热镀铝锌板）以外的各类热 镀锌产品。
1 方法的基本原理
1.1 板形影响因素分析
从图 1 可看出影响平整后板形的因素有三大方面：设备、带钢和生产工艺。
本项目的思想出发点是：带钢轧后的板形好坏取决于在辊缝中塑性变形的一瞬
间，此时的辊缝称为负载辊缝，各种因素通过负载辊缝对轧后板形产生影响。
设
HC 系列
备
CVC 系列
（
PC 系 列
轧 机 ）
FPC 系 列 DSR VC
4
从而建立适合于平整机轧制的准确的轧制压力模型。 本项目在充分考虑到热镀锌平整机生产工艺特点的基础上，针对热镀锌平整
机生产产品的厚度规格变化幅度比较大的实际情况，对上述轧制压力模型分极薄 带材、一般薄带、较厚带等情况对变形区摩擦模型、张应力沿厚度分布进行修正， 然后以带材出口前张力与轧制压力横向分布都均匀作为目标函数进行总轧制压 力的优化设定，能够同时兼顾到产品机械性能、板形质量以及锌层的稳定性与锌 花的均匀性等问题。
考虑到平整过程中锌层的稳定性与锌花的均匀性等问题。为此，在充分考虑到热
镀锌平整机生产工艺特点的基础上，提出了一套针对热镀锌平整机的辊型优化设 计方法，并将其用于 3#CGL 热镀锌平整机辊型优化设计，取得了良好效果。
根据 3＃热镀锌机组产品大纲，其平整机辊形参数优化结果如表 1 所示。
表 1 3＃热镀锌机组平整机辊形参数优化结果
本方法也基本上适用于连续退火机组后面的平整。
2
2 研究开发内容
2.1 辊型曲线优化设计
合理地设计轧辊的初始辊形曲线是获得理想负载辊缝的有效途径之一。通过
优化支承辊与工作辊辊形曲线，可以有效减小甚至消除工作辊与支撑辊之间的有
害接触区，使得支承辊与工作辊之间的接触宽度自动适应带钢宽度的变化而变
化，提高弯辊效率，为获得理想的出口板形打下基础。计算以带钢出口张应力横
kεp 弯辊力对轧制压力传递系数
ksp[10] 出口张力对延伸率传递系数
kεσ1 入口张力对延伸率传递系数
kεσ0
设
压下油缸中心距 L1
备 弯辊油缸中心距 L2
参 最大弯辊力 UP
数 最小弯辊力 LOW
输入数据
从数据库中查表获得计算参数、延伸率ε
设定平均前/后张力T1/T0（T1≥T0）
No
计算总轧制压力P
向分布差最小为目标，从而达到提高板形控制能力和控制效果的目的。
辊形设计过程中，将前述各种影响因素即设备、带钢和工艺条件（参见图 1） 都纳入计算，逐一计算各个代表产品规格的负载辊缝，通过不断调整原始辊形，
使各代表钢种规格的负载辊缝（也即带钢厚度横向分布）满足出口板形良好目标
并且最佳弯辊力（对应出口板形最佳时的弯辊力）取值合理，最终得到一套优化
Shape(I)
3
a
2
1
0 0 .0
0 .1
0 .2
0 .3
0 .4
0 .5
-1
b /2 (m )
-2
-3
Shape(I)
2
1
0 0 .0
-1
-2
0 .1
0 .2
0 .3
b
0 .4
0 .5
b /2 (m )
图 3 前张应力分布 h0=0.26mm，b=1.15，ε =0.7%，k=576MPa，P =280.4t （a）辊型优化前 Sa =19.9t （b）辊型优化后 Sa =11.4t
摩擦停滞区扩展系数 αn
工作辊半径 Rw
轧 工作辊长度 Rw 辊 支撑辊、工作辊辊形 Cwb 数 支撑辊半径 Rb 据 支撑辊长度 Lb
工作辊轧制公里数 LenWR
轧制压力 P 弯辊力 S 出口板形 II 入口张力 T0 出口张力 T1 标准延伸率 εSTD 最大延伸率 εMax 最小延伸率 εMin 延伸率限幅 εLim 延伸控制模式 εmode 轧制压力对延伸率传递系数
将 3#热镀锌机组采集了各钢种规格的实际轧制压力数据与预设定计算值进 行对比，模型预报误差基本上都在 10％以内。 2.2.2 预设定计算
现有的平整工艺参数预设定时一般主要以平整延伸率为目标，而对于平整工 艺参数设定对出口板形的影响考虑较少。本项目建立了以出口板形良好和最佳弯 辊力趋近平整机基态弯辊力为目标函数、以轧制压力和平整前后张力为优化变 量、以平整延伸率等在合理范围内为约束条件的平整参数优化预设定计算方法。
的辊形曲线。带钢厚度横向分布可用带钢前张应力横向分布也即板形表示。不难
看出，辊形优化设计的目标函数就是出口板形，这也是本方案的重要特点。
现有的平整机辊型设计方法大部分是以带材的前张力横向分布均匀即带材
的出口板形良好作为目标函数的，这对于一般平整机来说是可行的，但对热镀锌
平整机而言，根据其生产工艺特点，仅考虑到产品的板形质量是不够的，还必须
7
(a) 机组入口有严重边浪的带钢（FH）
(b) 锌锅出口(平整机前)有严重辊印的带钢
(c) 平整机出口带钢板形良好（FH）
(d) 机组出口检查台带钢板形良好（FH）
图 5 热负荷试车时的实物照片
2004 年 10 月 11 日开始，先后分两个批次专门针对在常规平整＋拉矫模式下 难以获得合格板形的全硬钢 FH 进行试验，Baotech 模式平整后板形良好。在 3#CGL 的下游彩涂机组上，对新模式生产的 FH 钢进行随机取样，每卷 1 块共 9 块样板，样板长度 1~2m，在板形检查平台上测得的板形结果如表 3 所示，板形 ≤6I 的占 100%。
No
P≤Pmax?
Yes
计算弯辊力S
S≤Smax?
Yes
计算弯辊力对轧制压力的传递系数
计算轧制压力对延伸率的传递系数、出口张力对延 伸率的传递系数、出口张力对延伸率的传递系数
6
图 4 预设定计算流程图
2.3 延伸率板形综合控制
延伸率板形综合控制的功能是在实际延伸率、轧制压力等发生波动时，通过 实时调节，使实际值回归设定的目标值。
2.2 平整参数在线预设定
2.2.1 轧制压力模型 由于平整机的延伸率较小，一般情况下为 0.3％~3.0％，因此需要一个与冷
连轧过程不同的轧制压力模型去描述平整轧制过程。在我们的模型中不仅考虑轧 辊的弹性变形，而且还考虑轧件塑性变形和弹性变形。具体说，即在计算过程中 不仅考虑轧辊弹性压扁情况下的轧件塑性变形区长度，而且还考虑轧件出入口弹 性变形区长度，并计算与之对应的塑性变形区单位压力及弹性变形区单位压力，
应对热镀锌机组所面临挑战的核心问题是：在平整过程小变形量条件下，如 何进一步强化普通四辊平整机的板形控制能力和控制效果。一种可能的常规办法 是采用复杂的平整机机型和豪华的系统配置。例如在连退机组上，通常机型采用 HC、CVC 系列六辊平整机或 VC 四辊平整机等，系统配置上采用板形仪进行板 形闭环控制、激光测速仪进行速度与平整延伸率闭环控制等。实践证明这样做势 必造成建设投资和运行维护成本的大幅度上升，并且即便如此也未必能够彻底解 决一些产品如高强钢的板形问题。本文方法与常规方法的主要不同之处在于：通
各钢种规格所有的设定值是在满足目标函数最小的条件下在线计算得出。设 定计算输入参数及输出参数见表 2，计算流程见图 4。 2.2.3 轧制压力模型参数自适应自学习
对于轧制力模型，采用短期学习模型与长期学习模型相结合的策略。 短期学习模型：用于修正同规格带材时轧制力的预报偏差，以快速响应来料 性能等波动，提高下一卷相同规格带钢预报精度。 长期学习模型：用于修正由于轧制变形区摩擦系数变化引起的轧制压力预报 偏差。摩擦系数长期自学习综合考虑材质、厚度、延伸率、轧制压力及轧辊粗糙 度等因素。
关键词：平整机；拉矫机；热镀锌机组
0 前言
连续退火机组退火后的平整、热镀锌机组镀锌之后的平整加拉矫，对于保证 冷轧带钢的最终质量（包括板形、表面质量和机械性能）具有重要作用。目前国 内外板带热镀锌机组的平整工序一般采用“光整机＋拉矫机”配置模式，其中光 整机（多数为普通四辊平整机）的主要作用是改善机械性能和光整表面，兼有一 定的改善板形功能，拉矫机则主要用来改善板形。带钢进入拉矫机容易引起表面 缺陷，还有可能造成成型性能降低。如果同时投入光整机和拉矫机，虽然对于大 部分产品可以保证板形（对于高强钢则未必），但是表面质量容易受损。如果为 了保证表面质量只投入光整机而不投入拉矫机（目前汽车外板生产即采取这种方 式），一些产品尤其是高强钢的板形又难以保证。因此，对于板形和表面质量要 求都很高、并且日益朝高强化方向发展的汽车板等产品来说，目前热镀锌机组常 规的四辊光整机＋拉矫机模式面临着挑战。
5
表 2 预设定计算输入输出参数表
模型输入参数
模型输出参数（预设定值）
入口屈服强度 σ0
出口屈服强度 σ1
宽度 b
钢 入口带钢厚度 h0
卷 数
入口带钢凸度 Crown
据 延伸率 ε
入口板形 l
ຫໍສະໝຸດ Baidu单位前张力系数 Ten0
单位后张力系数 Ten1
轧制压力模型修正系数X
模 出口目标板形mode 型 摩擦系数μ 参 入口变形抗力系数kk0 数 出口变形抗力系数kk1