铝 箔 轧 制 中 的 板 形 控 制

铝箔轧制中的板形控制

板形控制是铝箔轧制中的核心技术，是提高箔材成品率和产品质量的关键操作，也是实现高速轧制的基本条件。笔者根据从事箔轧多年的实践，谈谈板形控制的原理及方法，供同行参考。

1 箔轧形状缺陷的产生和不平度的描述

箔材平直度的好坏取决于轧件宽度方向上各点纵向延伸是否相等。当发生不均匀变形时，变形体内的应力分布也呈不均匀分布，导致附加应力产生，变形结束后留在变形体内形成残余应力。当变形体内残余应力间的相互作用不能抵消，且超过箔材维持箔面刚性平衡的应力水平时，轧制中的铝箔将发生形状失稳，出现诸如中间波浪、两边波浪、单边波浪、或二肋波浪等形状缺陷，以松弛不均匀变形产生的残余应力，则箔面的平直度遭到破坏。由于轧制变形区内变形情况的复杂性，易受外部其他因素的影响而具有很大的随机性，轧件均匀变形的可能性并不大，因此实际生产出的铝箔或多或少都带有一定程度的不平度。

平直度是衡量铝箔质量的重要指标，需要定量描述以界定平直度合格与不合格范围。目前常用的有两种方法：不平度和相对长度差。其前提是把板材或箔材轧制中出现的波浪视为正弦波形，如图l所示。

图1 板箔材的波浪度

1.1 不平度

该方法是取一条纵向试样置于平台上，测定波高、波长。算出波高与波长比值百分数。该方法简单易行，但易受被测试样自重影响，波高、波长测量准确性不高，箔材轧制中很少采用。

λ＝h／L×100％（1）

式中：λ—不平度；h—波高；L—波长。

（1）式中当λ＝1％时，波浪就较为明显。

1.2 相对长度差

图1曲线部分和直线部分相对长度差由线积分求正弦曲线长度后得出：

△L／L＝（πh／2L）2（2）

式中：△L／L—相对长度差；h—波高；L—波长。

△L／L单位为I。相对长度差为10-5时为1个I单位，板形的不平度或板形偏差：

Σ=105△L／L，Σ单位为I。该方法是纵向取1 m箔材，沿横向切取宽约20mm的窄条，展开后测量长度方向增量△L，纵向最短的窄条长度（其△L=0）视为L，把△L、L值代入（2）式求出△L／L。

显然相对长度差与箔材宽向应力的分布相对应，由于前张力分布易于在线检测，这就使得板形的连续测量和控制成为可能。随着板形仪的使用，现在已基本使用相对长度差来描述箔材的形状缺陷。

l.3 不平度与相对长度差的关系

把（1）式代入（2）式：△L／L＝π2λ2／4 （3）

（3）式说明不平度与相对长度差存在着非线性关系，不平度的测量计算可以换算为相对长度差。例如：当λ＝l％代入（3）式，则△L／L＝0.00025，根据I单位定义：0.00025＝25×10-5＝25 I

2 板形和板凸度

板带轧制中可能出现的截面形状大致有4种：矩形断面，凹形断面，凸形断面和楔形断面。矩形断面属于理想中的平直断面，实际生产中很难获得。楔形断面为生产中竭力避免的，因为镰刀状的带材将危及生产。凹形断面和凸形断面较为常见，但用于箔材轧制的坯料带材几乎毫无例外地使用凸形断面的带材，这也与铝箔轧制的特点有关。

凸形断面的带材，其中部与边部存在着横向厚度差，即板凸度，见图2所示。

图2 板凸度

△H＝H c－H g

式中：△H—轧前带材横向厚度差；H c—轧前带材宽向中部最大厚度；H g—轧前带材宽向两个边部平均厚度。

轧制后轧材截面如图3所示。

Δh＝h c－h g

图3 凸形断面带材轧制后的截面

式中：△h—轧后带材宽向厚度差；h c—轧后带材宽向中部最大厚度；h g—轧后带材横向两个边部平均厚度。

根据体积不变条件忽略宽展，求得带材轧制前后横向厚度差与板形的关系：

△l/l＝△L／L＋△H／H－△h／h （4）

式中：△l/l—轧后板形；△H—轧前横向厚度差；H—轧前带材中部厚度；△h—轧后横向厚度差；h—轧后带材中部厚度。

轧制过程中总是力争板形良好，在接近理想平直情况下，可以认为△l/l=0，则：△h

／h＝△L／L＋△H／H，假设轧前带材板形良好，同样可以认为△L／L＝0则：

△h/h＝△H／H或△凡／△h/△H=h／H （5）

（5）式说明当来料板形平整，轧后在获得良好板形的同时，也保持了轧材轧前轧后横截面形状的相似性，此时轧材宽向上各点的纵向延伸应该相等，这与上述假设条件相一致，轧件作均匀变形，不产生附加应力，横向厚度差只是按加工率大小比例地减小。从（5）式可以看出，轧后板形良好并不等于轧后横向厚度差小，尽管△h始终小于△H，但由于△h

是按相似原理比例地减小，轧后箔材横向厚度差大小仍然取决于来料的横向厚度差。

若要消除横向厚度差，意味着改变来料的板凸度。假设来料的板形横向厚度差分别为：△L／L＝0，△H／H=0.01，代入（5）式：△h／h＝0.01。若要消除横向厚度差，即△h／h ＝0，代入（4）式，△l/l＝0.01，0.01＝1000×10-5＝1000 I，相对长度差不等于0，说明轧后箔材产生了不均匀变形。本例中△l/l＝0.01=1000 I，板形已严重恶化。由此可见，板形控制和板凸度控制是矛盾的，只有当来料板形好，横向厚度差小才有可能轧出板形平整、而且横向厚度差小的箔材。由于箔材厚度很薄，其板形对不均匀变形极为敏感，因此，保持轧前轧后断面形状的相似性是箔轧中板形控制必须遵循的基本原则。

为了提高箔材横向厚度精度，铝箔生产厂家除要求铝箔坯料板形良好以外，还应对坯料提出横向厚度差的要求。国家标准规定铝箔坯料的板凸度允许控制在0～I％之间。坯料板凸度＝（H c－H g）／H c×100％，但实际上往往要求控制在0～0.4％之问，以提高成品箔材横向厚度精度。

3 轧辊凸度及轧辊磨削

为了保持箔材轧前轧后断面形状的相似性，轧辊的凸度应与来料板带的板凸度相匹配，这是获得良好板形的重要条件。因此，轧辊原始辊型应按计算出的轧制力引起的辊身中部与边部的挠度差，轧辊的弹性压扁量及温度凸度的代数和来确定。磨出初步辊型后，经生产试用，配合弯辊作用范围，反复比较实际效果，作出适当修正，确定轧辊凸度的最佳值。

辊型设计的理论计算比较繁琐，如果技术人员实践经验丰富，则辊型的设计就会显得便捷而有效。

目前轧辊弧度曲线的磨削基本有两种：抛物线型曲线和正弦型曲线。抛物线型曲线与轧辊的挠度曲线相接近，对板形控制较为有利；正弦型曲线其起始部位相对抛物线刷曲线来说较为平缓，则有利于消除或改善肋部波浪，改变正弦曲线角度可以消除或改善肋部不同部位的波浪。正弦曲线常用角度为72°。笔者认为抛物线型曲线适用于辊身长度为1600mm 以下的轧机，正弦型曲线适用于辊身长度大于1600mm以上的轧机，轧辊弧度曲线的选择企

业可根据自身设备情况、工艺习惯决定。但不管选用哪一种曲线，辊型弧度均应以辊身长度的中点使曲线左右两边对称。

轧辊表面粗糙度的均匀性对板形控制相当重要。粗糙度不均匀，相当于辊面各部位摩擦因数不一致，轧制过程会造成轧材宽向上各部位变形大小不一致，而产生新一轮的不均匀变形。粗、中、精轧各道次辊面粗糙度要求不一样，但同一根轧辊辊面，同一对轧辊辊面的粗糙度必须均匀一致。因此，磨削完工后的轧辊必须用表面粗糙度测定仪检查轧辊表面粗糙度的均匀性，测量点沿轴向不应少于5点。

严格地说，仅用粗糙度测定仪间断式地检查轧辊表面粗糙度的不均匀性还是不够的，近年来又出现了铝箔表面反光特性的检查方法。检查箔面反光率，实际上就是检查轧辊表面粗糙度，由此对轧辊的磨削提出了更高要求，这一措施对铝箔轧制和板形控制无疑是颇为有利的。

4 轧辊热凸度的工艺冷却

轧制过程中工作辊辊型的变化主要来源于温度的干扰，其中轧材产生的变形热是使轧辊温度上升的主要原因，为了获得良好的板形，必须对辊型的变化给予及时有效地纠正。有人做过统计：板形控制70％靠工艺油冷却，30％靠弯辊。铝箔进入负辊缝轧制时弯辊已不起作用，板形控制100％靠工艺油冷却轧辊表面的不同部位来完成。工艺油冲刷辊面的作用之一是为了导出并降低产生波浪处的辊面过高的温度，使轧辊的弧度及其形状符合板形控制的要求。工艺油带走热量多少与工艺油喷射的流量、压力有关、只要工艺油过滤器单位流量足够，增设几个喷嘴或几组喷嘴，可以增加工艺油喷射流量和喷射面积，但必须增加喷射压力，使喷嘴喷出的工艺油在近距离内能够垂直喷向轧辊，有效驱散工艺油附着在轧辊表面形成的绝热膜，提高工艺油导热系数。此外，还应考虑喷嘴形状、排列方式及喷嘴启闭的可靠性等。现代轧机基本都使用扁平状喷嘴，因为扁平喷嘴的射流密度在其形成的喷射区内基本是一致的，与其他形状喷嘴相比，扁平喷嘴喷出工艺油的导热系数为最大。喷嘴个数设置可与板形仪检测辊上应力探头的个数相等，位置间隔也可与探头一一对应，与板形仪配合可以实现板形的精确控制。

根据热传导规律，两物质间的温差越大，热传导速度越快。降低工艺油温度应该比改变工艺油喷射流量更能有效控制辊型。目前各厂家对油温设定并不统一，原因是：工艺油温低些对于板形控制的速度有利；工艺油温高些能增加轧辊热容，对于轧辊辊型的稳定有利。两者各有所长，箔轧厂可根据自身情况决定。

喷油嘴倾斜角对冷却速率也有影响，有的轧机在其入口侧为45°斜角，出口侧为30°斜角，两排以上喷嘴按人字形排列，这种排列比彼此平行排列的其导热系数约增大5%邻近

喷嘴在调整时要注意彼此喷出的工艺油应避免在到达轧辊前相互交叠，以免影响导热效果

由于轧制过程中板形变化的随机性大，不同位置的喷嘴需要频繁启闭，这就要求喷嘴的启动和关闭的可靠性要高，用时能及时打开，不用时能立即关闭。单级电磁阀直接推动喷油嘴阀柱作前后运动的控制方式已不适应喷嘴频繁启闭的要求，喷嘴的堵塞或关不死的情况时有发生，已严重影响板形控制的及时性和有效性。现代轧机的喷嘴采用压缩空气—电磁阀二级控制方式，由压缩空气使阀门处于关闭状态，电磁阀控制压缩空气的通断，当电磁阀关闭通向阀的压缩空气时，工艺油靠自身压力往后推动柱塞打开阀门[2-3]，电磁阀工作条件大为改善，喷嘴启闭可靠性也大为提高。

与冷却轧辊相反，国外已有喷射热油的办法来提高边紧部位的轧辊的热膨胀率，目的也是为了保持轧辊弧度及其形状符合板形控制要求，目前喷射热油在箔轧上还没有应用。

5 液压弯辊

液压弯辊是20世纪60年代发展起来的板形控制手段，工作辊弯辊装置设在工作辊两端的轴承座内，通过液压推动作用实现工作辊正弯曲动作和负弯曲动作。正弯时液压缸推动方向与轧制力方向相同，起到增加工作辊挠度作用，负弯时液压缸推力方向与轧制力方向相反，起到降低工作辊挠度作用。液压缸反应迅速，弯辊力大小可在一定范围内调节，在线轧制时，只要正确选择正、负弯即可快速有效地补偿轧辊辊型的变化，能迅速消除轧材两边对称性的近边波浪，但对于轧材宽向的中部板形的纠正能力却十分有限，当箔材进入负辊缝轧制时，液压弯辊就不起任何作用了。

箔轧中液压弯辊仅适用于有辊缝的粗、中轧道次，为了尽可能地影响轧辊挠度应考虑使工作辊凸度的选择设定在弯辊力作用范围的中间量程处，也可在支承辊上磨出适当弧度，以扩大弯辊作用范围，使弯辊对板形控制的影响尽可能地往轧材宽向的中部移动，充分发挥弯辊作用，提高板形控制能力。

由于工作辊正弯方向与轧辊压下方向相反，在做正弯时会加剧工作辊和支承辊之间原本就存在的有害接触，理论计算和实践检验证实了作正弯时工作辊轴向的合成挠曲变形呈“W”状的弓形，工作辊越细长，弓形上的两个峰突相距越远，弯辊力越无法深入到工作辊轴向的中间部位。

如果采取支承辊弯辊，由于支承辊弯曲产生的挠度与轧制力使支承辊产生的挠度曲线十分接近，彼此能很好地相抵消，则支承辊弯辊效果可以克服工作辊弯辊的不足，扩大板形纠正能力[2]。只是支只辊弯辊力大，所需弯辊设施结构复杂，造价高，目前在箔轧上尚无应用。

工作辊弯辊结构简单，其不足之处需与其他板控手段结合使用，能满足板形控制的基本要求。

6 板形自动控制

轧机喷淋系统的手动方式及弯辊的人工调节仅仅依靠经验和目测，很难跟踪在线板形的快速变化。为了摆脱手动控制响应迟缓的缺点，现在有条件的企业都配备了板形自动控制装置。板形检测辊是板形仪的关键部件，根据应力检测方法的不同大致可分为三种类型：空气压差法；压磁测力法；压电位置传感器法。箔轧常用的是空气压差法，较具代表性的是英国戴维麦基公司研制的，注册名称为ViDMON板形仪。ViDMON特别适用于铝箔轧制，也可用于薄板轧制。它的原理是，板形通过安装在轧机出口侧的ViDMON辊进行测量，这个辊子由一个固定的不锈钢空心轴和在空心轴外面的一排彼此隔开的辊环（即转子）组成，每一辊环为一测量段。向空心轴通入洁净的压缩空气，空气经空心轴节流孔流入辊环和空心轴之间，形成气垫，辊环悬浮在气垫上，辊环相对静止的空心轴可以自由旋转，此即所谓的空气轴承[2]，在每个辊环对应的空心轴的最高点和最低点有两个压力检测孔，通过管路与压差传感器相连。

轧制时箔材以适当包角通过检测辊，当箔材对辊环的压力改变时气垫的压力也发生改变，辊环最高点、最低点的气压发生差异，沿径向的每段辊环下的两个测压孔测出气压差。显然，箔材延伸大的部位对辊环压力小，延伸小的部位对辊环压力大，这样通过ViDMON辊就可以检测出箔材宽向不同部位的应力分布，即宽向的板形分布。

转换器把每对压力检测元件的压力差转换成电信号送入计算机数据总线，处理后与设定的板形目标曲线相比较，取出差值信号进入平直度控制信号处理单元，根据最小二乘方线性回归法，同原贮存在计算机中的数学模型进行比较，分离出一次项y＝αχ的线性分量作为轧辊倾斜控制的修正信号。分离出二次项y＝bχ2分量作为轧辊正负弯辊的修正信号。分离出四次项y＝cχ4分量作为轧辊边部控制的修正信号。剩余的高次项即残余分量作为控制喷淋系统的调整信号。

当出现板形误差时，由计算机通过调整轧制力自动对轧辊进行倾斜来校正或消除弯曲板形（镰刀形），自动选择弯辊方式及改变弯辊力大小消除对称性的近边波浪，自动控制运算系统调节冷却喷射消除轧辊倾斜，以及弯辊控制能力以外的板形缺陷，使实际板形与目标板形曲线相吻合，自动完成板形控制全过程。

板形目标曲线需要技术人员自行设定。结合在线板形和离线板形的实际需要，收集大量数据反复实践比较，绘制出正确、实用的目标曲线，因为目标曲线设定得合理与否直接关系到板形控制的实际效果[4]。

由于前道次板形对下一道次轧制影响较大，因此板形控制是从坯料粗轧开始、成品结束而贯穿始终的。轧制道次越靠前的板形控制就显得越重要，尤其坯料第一道次轧制，绝对压下量大，金属变形热多，容易产生形状缺陷。所以，在箔材的粗轧道次应优先考虑配备一台板形仪，这对改善后续道次的轧制，实现优质高效具有重要的实用意义。如果有条件在成品道次再配各一台板形仪，控制最终板形良好则有助于进一步提高产品质量。

7 结束语

为了使箔带材在轧制中实现均匀变形，尽可能获得平直的箔带材，必须对轧制中的箔材实行板形控制。

板形自动控制技术相对于手动方式比较先进，但也存在着一些缺点，例如：原始辊型的设计不可能完全适应不同规格、不同材质的轧制需要，工作辊非轧制部分的有害接触，使轧件边部存在着“坡度”现象，弯辊的“W”状的挠曲变形，妨碍了板形控制精度的进一步提高。

为了克服以上种种弊病，新型轧机、新型板控手段不断涌现，例如中间辊轴向移动为控制手段的六辊轧机（Hig Crown轧机）；采用改变辊凸度控制板形并能有效消除轧辊间有害接触的VC辊轧机（Variable Crown Mill）；采用“S”形辊，工作辊可轴向移动实现轧辊凸度连续调节的CVC轧机（Continmiously Variable Crown），几乎可以完全消除边部减部薄现象；动态板形辊DRS，计算机的模糊控制等等。使得传统意义上的板控精度进一步提高，箔带材平直度可提高到5 I左右。

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