轧制原理

1、基本原理和工艺 1.1基本概念

轧制原理

⑴轧制过程：轧制过程是靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖近辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程。轧制过程除了使轧件获得一定形状和尺寸外，还必须具有一定的性能。

⑵轧制变形区：

①轧制变形区：在辊缝中的轧件承受轧制力作用发生变形的部分称为轧制变形区，通常也称为几何变形区。

②咬入角（α）：是指轧件开始轧入轧辊时，轧件和轧辊最先接触的点和轧辊中心连线所构成的园心角。

Δh＝D（1- cosα）

式中：Δh—该道次的压下量，Δh＝H–h。D—轧辊工作直径。

③接触弧长度：轧件与轧辊相接触的园弧的水平投影长度称为接触弧长度。 ④前滑：在轧制过程中，轧件出口速度Vh大于轧辊在该处的线速度V，即Vh与对应点的轧辊园周速度之差与轧辊园周速度之比称为前滑值，即

Vh -V

Sh= ×100% V

式中：Sh—前滑值

Vh—在轧辊出口处轧件的速度

轧制变形Vcosα V αr V h H VH 后滑区 前滑区 Vh V—轧辊的园周速度

⑤后滑：轧件进入轧辊的速度VH小于轧辊在该点处线速度V的水平分量 Vcosα的现象称为后滑现象。

v cosα-vH

SH= ×100% v cosα

SH—后滑值。

vH—在轧辊入口处轧件的速度。

在前滑区和后滑区分界的中性面处轧件的水平速度与此处轧辊的水平速度相等，即Vγ=Vcosγ。

⑶轧制变形的表示方法：

①用绝对变形量表示：即用轧制前，后轧件绝对尺寸之差表示的变形量。 绝对压下是量为轧制前、后轧件厚度H、h之差，即△h=H-h； 绝对延伸量为轧制前、后轧件长度L、l之差，即△l=L-l；

②用相对变形量表示，即用轧制前、后轧件尺寸的相对变化表示的变形量。

H-h

相对压下量： ×100%

H l-L

相对延伸量： ×100%

L

③用变形系数表示：即用轧制前、后轧制尺寸的比值表示的变形程度。 压下系数：η=H/h 延伸系数：μ=l/L

变形系数能够简单而正确地反映变形的大小，因而在轧制变形方面得到极为广泛的应用。 1.2咬入条件

领先旋转的轧辊与轧件之间的摩擦力，轧辊将轧件拖入轧辊之间的现象称为咬入。在实际生产中，轧辊顺利咬入轧件是轧制过程建立的首要条件。

⑴轧辊对轧件的作用力：

对轧件来说，受有P和T两个力的作用，P力的方向是径向正压力，T力是摩擦力，与轧辊旋转方向一致，是切线方向的，与P力垂直。按库仑摩擦定律：T=fP，f—摩擦系数

⑵轧件被咬入的条件

水平分力Px=Tx是咬入的临界条件。 Px=P﹒sinα Tx=T﹒cosα Psinα≤Tcosα

T/P≥tgα 而T/P=f

故轧辊顺利咬入轧件的条件为f≥tgα，与摩擦系数和咬入角密切相关。 1.3轧制压力及其影响因素：

⑴轧制压力：通常所谓轧制压力是指用测压仪在压下装置下实测的总压力，即轧件给轧辊的总压力的垂直分量。

⑵总压力计算公式的一般形式：P=P×F 式中：P—轧制压力

P—平均单位压力； F—轧件与轧辊的接触面积

关于接触面积的数值，通常用下式确定，F=Ib 式中：I—接触弧长度

b—轧件的平均宽度

平均单位压力的确定，较为困难，因为它取决于许多影响因素。 ⑶影响平均单位压力的因素：

影响单位压力的因素很多，从其对单位压力影响的本质上可以分为以下两个方面：

a、影响轧件机械性能的因素，包括金属的本性、温度、变形程度和变形速度。

b、影响轧件应力状态特性的因素，包括外摩擦力、外端及张力等。 考虑到上面诸因素的影响，轧制平均单位压力P可用下面的函数式表示： P=f（H，h，B，D，f，t，ε，ε，Q，σs0）

式中：H，h，B，D—轧件轧前高度，轧后高度，轧件宽度，轧辊直径，它

们反映轧件和轧辊尺寸以及外区的影响。

f，Q—分别反映摩擦和张力（或推力）的影响。

t，ε，ε—变形温度、变形速度和变形程度（或加工硬化），即热

力学条件的影响。

σs0—在室温低速拉伸下测定的屈服极限（或初始屈服应力）。

就冷轧生产而言，影响平均单位压力的主要因素包括：加工硬化、外摩擦、压下量、辊径和张力。

这些因素的影响表现为：

 金属塑性变形时，随变形程度增加出现加工硬化现象。

 在压下量一定的条件下，摩擦系数越高，单位压力的峰值越高，因而单

位压力和平均单位压力越大。

 在产品厚度一定的情况下，增加压下量，引起变形区长度增加，因而引

起轧制压力的增加。

 D/h是影响轧制压力的重要因素之一，当辊径增加而轧件厚度减低时，

轧制压力增加，此时轧制压力之增加不但是因为轧件与轧辊的接触面积增加，同时也是因为单位压力本身也增加。当辊径减少时，轧制单位压力降低，同时变形区长度也缩短，说明小直径轧辊轧钢的优越性。  张力越大，单位压力降低也越显著，而且后张力qH比前张力qh的影响

大。

1.4 P—h图的建立与运用：

板带轧制过程既是轧件产生塑性变形的过程，又是轧机产生弹性变形（即所谓弹跳）的过程， 二者同时发生。由于轧机的弹跳，使轧出的带材厚度（h）等于轧辊的理论空载辊缝（Soˊ）再加上轧机的弹跳值。按照虎克定律，轧机弹性变形与应力成正比，则弹跳值应为P/K，此时：h=Soˊ+P/K

式中：P—轧制力t；K—轧机的刚度（t/mm），即弹跳1毫米所需轧制力的大小。

上式为轧机的弹跳方程，据此绘成曲线A称为轧机弹跳变形线（如P-H图），它近似一条直线，其斜率就是轧机的刚度。但实际上在压力小时弹跳和压力的关系并非线性，且压力越小，所引起的变形也越难确定，亦即辊缝的实际零位很难确定。为了消除这一非线性区段的影响，实际操作中可将轧辊预先压靠到一定程度，即压到一定的压力Po然后将此时的辊缝指示定为零位，这就是所谓“零位调整”。

P0 S0′ B C A A′ B’ h0 （P-P0）/K S0 h P-Po 由P-H图中看出：h=So+ K

式中So—考虑预压变形的相当空载辊缝。

P-H图 另一方面，给轧件一定的压下量（ho-h），就产生一定的压力（P），当料厚（ho）一定，h越小即是压下量越大，则轧制压力也越大，通过实测或计算可以求出对应于一定h值的p值，在P-H图上绘成曲线B，称为轧件塑性变形线。B线与A线交点的纵坐标即为轧制力P，横坐标即为板带实际厚度h。

由P-H图可以看出，如果B线发生变形（变为B′），则为了保持厚度不变，就必须移动压下位置，使A线移到A′，使A′和B′的交点的横坐标不变，亦即须使A线与B线的交点始终在一条直线C上。因此，板带厚度控制实质就是不管轧制条件如何变化，总要使A线和B线交到C线上。这样就可得到恒定厚度的板带材，由此可见，P-h图的运用实是板带厚度控制的基础。

1.5冷轧板带材生产工艺特点：

⑴加工温度低，在轧制中产生不同程度的加工硬化

由于加工硬化，使轧制过程中金属变形抗力增大，轧制压力提高，同时还使金属塑性塑低，容易产生脆裂。当钢种一定时，加工硬化的剧烈程度与冷轧变形程度有关。

由于加工硬化，成品冷轧板带材在出厂之前也都需要进行一定的热处理，恢复金相组织，全面提高冷轧成品的综合性能，或获得所需的特殊组织和性能。

⑵冷轧中要采用冷却和工艺润滑： a．工艺冷却

冷轧过程中产生的剧烈变形热和摩擦热，使轧件和轧辊温度升高，辊面温度过高会引起工作辊淬火层硬度下降，并有可能促使淬火层内组织分解，使辊面出现附加的组织压力。此外当轧件表面与轧辊表面的温度过高时，界面之间的润滑膜将遭到破坏，轧件与轧辊之间在局部地区发生热焊合，给轧件和轧辊造成了表面伤痕，称为“热划伤”。因此冷轧过程中必须采用有效的人工冷却，轧制速度越高，压下量越大，冷却问题越显得重要。

水是比较理想的冷却剂，原因是水的比热大，吸热率高，且成本低廉。在生产中得到了普遍应用。

b、工艺润滑：

冷轧采用工艺润滑的主要作用是减少金属的变形抗力，这不但有助于保证在已有的设备能力条件下实现更大的压下，而且还可使轧机能够经济可行地生产厚度更小地成品。此外，采用有效的工艺润滑也有接对冷轧过程地发热率以及轧辊的温升起到良好影响，在轧制某些品种时，采用工艺润滑还可以起到防止金属粘辊的作用。

一种真正有经济价值的工艺润滑剂不仅具有好的润滑效果，而且应具有来源广，成本低，便于保存并且易于从轧后的板面去除，不留影响质量的残渍等特点。

⑶冷轧中要采用张力轧制：

所谓张力轧制就是轧件的轧制变形是在有一定的前张力和后张力作用下实现的，张力的作用主要有：

a、防止带材在轧制过程中跑偏 b、使所轧带材保持平直和良好的板形 c、降低金属的变形抗力，便于轧制更薄的产品 d、可以起适当调整冷轧机主电机负荷的作用

生产中张力的选择主要指平均单位张力σ2，从理论上讲，σ2似乎应当尽量选高一些，但不应超过带材的屈服极限σ3，实际σ3应取多大数值要视延伸不均

匀的情况下钢的材质与加工硬化程度以及板边情况等因素而定。 1.6连轧理论 1、基本规律

⑴连轧机各机架顺序排列，轧件同时通过各机架轧制，各机架通过轧件相互联系，从而使轧件的变形条件、运动学条件和力学条件方面具有一系列的特点：

①连轧时，保持正常的轧制条件是轧件在轧制线上每一机架的秒流量维持不变，即：

B1h1V1=B2h2V2……BnhnVn 或BhV＝V＝常数

式中B，h，V，—分别为轧件的宽度，厚度和水平速度，下角注表示轧线上任一机架。

V—秒流量体积

②从轧制运动学角度来看，前一机架的轧件出辊速度必须等于后一机架的入辊速度，即：

Vhi＝Vhi＋1

式中Vhi—第i机架轧件的出辊速度

Vhi＋1—第i＋1机架的轧件入辊速度

③由于前机架的前张力等于后机架的后张力，张力应等于常数，即q＝常数 式中q—机架间张力

上述三式即为连轧过程处于平衡状态下的基本方程式。

对于冷连轧机的连续操作是需要动态轧制程序切换功能的，其目的是将前带钢的轧制条件转换为后带钢的轧制条件。转换的过程主要包括带钢厚度和张力的变化，根据厚度变化形式的不同，动态规格变换可分为由薄变厚（又称顺变）和由厚变薄（又称逆变）两种类型。对于我厂的双机架可逆式压机，则无需进行动态轧制程序切换功能。 2、厚度自动控制

在冷连轧中，带钢的质量指标是厚度公差、平直度以及表面质量等。由于轧制参数经常变化和轧机的非刚性，轧制产品尺寸常常波动，为了得到优质产品，消除厚差，就需要进行调整，为此发展了厚度自动控制系统（AGC）。 2.1带钢纵向厚度波动的原因

引起带钢厚度偏差的原因很多，概括起来主要有：原料厚度的波动，轧制状态及轧制条件的波动（如轧制速度的变化，轧辊的磨损，热膨胀和偏心，以及速度变化时轴承油膜厚度的变化等）。

⑴带钢原料厚度的偏差。作为冷轧带钢原料的热轧带钢卷的厚度，因种种原

因会发生波动，即冷连轧机第1机架带钢的入口厚度有一定的厚度偏差δHλ。其轧出厚度偏差为 ：

m

δh＝ δHλ c＋m

式中：m—轧件塑性系数；C—轧机刚性系数；δHλ—带钢原料厚度偏差。 由于C与m均为正整数，故 m

＜1，所以δH<δHλ经过几道次轧制后，这种偏差会越来越小。 c＋m

对于热轧带钢来说，因为带钢在前几个机架中轧制时温度较高，带钢塑性变形系数m较小，因此自动调节带钢原料厚度偏差的能力较大。所以，原料厚度的波动，对热轧带钢成品厚度的影响不大，用GM（反馈控制）方式就可以解决。而对冷轧带钢来说，因为带钢在机架中轧制温度较低，塑性变形系数较大，因此自动调节带钢原料厚度偏差的能力较小。故带钢原料厚度的波动，对冷轧带钢成品厚度的影响较大，可采用前馈（预控）方式来解决。

⑵轧机本身引起辊缝的变化。所谓辊缝的变化，是指压下螺丝未动，而实际辊缝改变了，从而使冷轧的成品带钢厚度产生了波动。使辊缝发生变化的干扰主要有：

a、轧辊偏心，轧辊的偏心，一般可归纳为两种基本类型。一种是由辊身和辊颈的不同轴度误差所产生的偏差；另一种是由辊身的椭圆度引起的偏差，由于轧辊椭圆偏心的干扰，辊缝偏差一般可达0.025～0.05mm。轧辊转一周，其干扰变化一次，故轧辊偏心的干扰，使实际辊缝发生高频周期变化，从而造成成品带钢厚度的波动。

轧辊偏心主要是指支承辊的偏心，因为工作辊的直径小，其偏心量只有几个

μm；而支承辊的直径一般为1500mm左右，轧辊磨床加工精度能保证轧辊椭圆度

约为±10μm，上下辊叠加约为±20μm。随着用户对产品质量要求日益严格，这种轧辊偏心的干扰愈来愈不能忽视。过去在AGC系统中设置＋－20μm 的“死区”,可通过频谱分析及各种滤波器等方式来消除其影响。可用预先模型识别与在线系数自学习相结合的方法，运用在液压推上装置上，来实现偏心模型的检测与在线控制。

此种辊辊偏心干扰，不能用GM（反馈控制）方式来调节轧辊偏差，如用，不但不能克服其影响，反而有可能使带钢厚度偏差进一步加大。

b、轧辊磨损。在轧制过程中，轧辊发生磨损，使轧辊辊缝发生缓慢变化，磨损量不大。可采用自学习程序来克服干扰。

c、轧辊和轧机部件的热膨胀，在轧制过程中，由于轧辊和机架的温升以及

相互摩擦，使轧辊和轧机各部件产生热膨胀，从而使辊缝发生缓慢变化，因而引起带钢厚度的变化。一般采用自学习程序来克服这种干扰。

⑶轧制条件变化的影响。主要是速度和张力变化的影响：

a、速度变化的影响。在轧制过程中，速度的变化主要是通过变形区中摩擦系数与支承辊油膜轴承油膜厚度的变化来影响带钢轧出厚度精度的。高速（71600m/min）轧机的支承轴一般都要用油膜轴承，该轴承的油膜厚度是速度和轧制压力的函数。在轧制压力不变的条件下，轴承的油膜厚度随着轧制速度的变化而变化，速度升高，辊缝减小，板厚减薄。在AGC系统中，一般设置油膜补偿功能来克服此种干扰。

通常在相同的润滑条件下，随着轧制速度的提高，摩擦系数减小，亦即使轧制压力减小；其次，速度的变化，将引起变形抗力σs的变化，使带钢的轧出厚度发生变化。

在轧制过程中的加、减速，均会引起带钢厚度的变化。

b、张力变化的影响。张力主要是通过影响应力状态，改变轧件变形抗力σs来引起带钢厚度变化的，即通过改变轧件塑性曲线的斜率来实现的。

在轧制过程中，由于工艺参数的波动，使相邻两机架存在秒流量差，引起带拉伸，造成机架间带钢所受张力变化。当张力增大时，轧件塑性曲线的斜率减小，使带钢轧出厚度减小。

现代带钢冷连轧采用较大张力轧制，并常采用调节带钢张力来作为厚度控制的重要手段。

带钢头、尾部由于穿带和甩尾所形成的“失张”阶段，致使带钢头、尾产生了阶梯形的厚差。

当带钢尾部一旦离开某一机架时，其张力就立刻消失，使板厚增大。但由于张力消失是在带尾逸出辊缝时发生的，因此，这种带尾失张所造成带钢厚度的增加是一种突变，称为厚跃。对于这种厚跃干扰，一般在AGC系统中设置尾部补偿功能予以克服。

摩擦系数μ对带钢轧

轧 制 压 力P.N 1 μ1 μ1>μ2

出厚度的影响(右图)

μ2 S0 h2 h1

度的影响（下图）。 轧 制 1 带钢厚度H（h），mm

下图为变形抗力σs对带钢轧制厚度的影响（下图）。下图为带钢张力对轧出厚1 无张力轧轧制 小张力轧制 大张力轧制 2 σS2 S0 h2 h1 σS2 >σS1 σS1 2 轧 制 压 力 P.N S0 h3 h2 h1 压 力 P.N 带钢厚度H（h），mm 带钢厚度H（h），mm 1—轧机弹性曲线； 1—轧机弹性曲线； 2—轧件塑性曲线； 2—轧件塑性曲线；

在实际轧制过程中，影响带钢厚度的上述各种因素不是孤立的，往往是同时起作用的。因此在带钢冷连轧机的厚度自动控制系统中应综合考虑诸因素的影响。同时，许多干扰量的影响是通过轧机的弹跳来体现的，故在轧制过程中如何实现随着轧制压力的波动而自动准时调节轧辊辊缝，补偿由于轧制压力的波动

δP ）而产生的轧机弹性变形值δS（δ= ，以消除减少带钢轧出厚度的偏差，也是

设计厚度自动控制系统的基本出发点之一。

轧机弹性曲线和塑性曲线，实际并不是直线，但在轧制过程中实际轧制压力和带钢的轧出厚度均在曲线的直线部分，为便于问题的分析，往往将它们作为直线来处理。

2.2厚度自动控制原理

AGC控制的目的，是借助于辊缝、张力、速度等可调参数，把轧制过程参数（如原料厚度、硬度、摩擦系数、变形抗力等）波动的影响消除，使其达到预期的目标厚度。而辊缝、张力等参数的调节又是以轧机的弹性曲线和轧件的塑性曲线以弹塑曲线，即P-H图为依据的。

轧制在轧制压力P的作用下产生塑性变形，而轧机在轧制压力P的作用下产生弹性变形，其作用力和反作用力相等而相互平衡。因此，在同一坐标上，轧机的弹性曲线和轧件的塑性曲线的交点，就是轧机在给定条件下的工作状态。这一对曲线称之为弹塑曲线。

弹塑曲线（P-H图）直观地表示，当轧件入口厚度为H，在轧制压力P的作用下，轧件的出口厚度为h。

调节。即利用辊缝仪测得辊缝值Si，借助于测压元件测得Pi，便可得轧机的弹

Pi

C

Pi 利用P-H图，根据弹跳方程即：hi=Si+ C ，便可对带钢的轧出厚度进行

CP 跳值ΔSi=

（C可视为常数），从而求得轧件的出口厚度hi。如果实际厚度

hi与目标值有偏差，调节Si，使带钢的实际轧出厚度hi达到综合值。

利用P-H图和弹跳方程，还可分析轧制过程中引起厚度偏差的各种原因以及消除或减小厚差的调节方式。

由弹跳方程知，影响带钢轧出厚度精度的主要因素是Si、C、Pi。而轧机刚性系数C，在固定的轧机上通常是难以改变的，可将它视为常数；空载辊缝Si受轧辊热膨胀、磨损及偏心和运转的影响也较小，因此，轧制压力Pi的波动对hi的影响最大。而Pi是随轧件的尺寸、摩擦系统、轧辊直径、带钢前后张力（后张力影响更大）以及轧件实际变形抗力的波动而变化的。

由上述可知，弹塑曲线的交点O1（右图）的横坐标 即为带钢的轧出厚度hi。如因种种因素使其交点的位 置发生变化，则带钢的轧出也随之变化。例如，调节 压下螺丝，使辊缝由S01减少到S02，弹性曲线1向 左平移，此时，弹性曲线与塑性曲线2的交点便由O1 移到O2，带钢的实际轧出厚度则由h1变为h2，压下 量由Δh1变为Δh2，因Δh2＞Δh1，故轧钢的轧出厚度 变薄了。

如采取预压靠轧轧制时，即在带钢进入轧机之 前，经一定的压靠力P0使上、下轧辊互相压紧， 这相当于辊缝为负值（-S0），可使带钢轧得更薄， 此时带钢的出口厚度为h3，压下量为Δh3。Δh3＞Δh2， 所以h3＜h2。

又如轧机的刚度系数C增大，弹性曲线1的斜率增大，即曲线1移至1′，工作点也由O1移至O2，轧出厚度减小。

所有影响轧制压力的因素（如张力、摩擦系数以及变形抗力等），都将影响塑性曲线的位置和陡度，即影响两曲线的交点位置，从而影响带钢的实际轧出厚度。当摩擦系数、变形抗力以及张力的变化，使轧件塑性曲线变化而引起的带钢厚度的变化，如前三图所示。

由此可见，弹跳方程和P-H图是分析带钢厚度偏差与AGC问题的一个重要工具，故将它称为厚度自动控制的工艺基础。 2.3厚度自动控制AGC的基本系统

AGC的目的是消除厚差，则首先必须检测到轧制过程中的带钢的厚差量，然后再采取措施消除这一厚差。因此，归纳为两个基本构成：

a、厚度偏差的检测：目的是掌握轧制过程中，每时每刻带钢的厚度偏差的

空载辊缝S0及轧机刚度系数C变化时对h的影响 轧 制 压 力 2 O2 O1 Δh3 Δh2 Δh1 h3 h2 h1 h 带钢厚度H（h）,mm 1′ 1 制 轧 紧 P.N 压 预 预压力P0 P0 S0S0 S01 大小。

b、厚度偏差的消除：根据厚度偏差的大小，计算出调节量，输出控制信号，然后根据控制信号，调节机构动作，完成调节过程，（见下图）。 h0 给定厚度 测厚仪 Δh 厚度偏差 AGC运算 Δs 辊缝调节量 调节机构运算 V 控制信号 厚 度 反 馈 位置控制 h ⑴在厚度偏差检测中，有直接测厚和间接测厚两种方式。

直接测量量法的主要缺点是存在时间滞后问题。这解决此问题，采用间接测厚法。其间接测厚方式有压力测厚，张力测厚等。

间接测量的方法虽然精度较低，但传递时差小，设备简单，便于维护，故被广泛采用。

⑵在控制方法中，有

a、调节压下量，即改变辊缝是AGC控制的主要方式。一般用来消除因轧制力波动而造成的厚度偏差。

b、通过改变带钢的张力来改变轧件变形抗力，即塑性曲线的斜率，以实现厚度控制的目的，则称为调节张力的厚调方法。

c、轧制速度的变化将影响到张力、摩擦系数等的变化，即影响轧制压力的变化。故可通过调速来改变轧制压力以实现厚度自动控制的目的。

⑶控制系统有：

冷连轧AGC的形式和种类繁多，按一般调节系统的分类方法，可分为前馈AGC和反馈AGC两大类。前馈AGC是根据轧前所测得的外扰量（原料厚度偏差 δH0或温度偏差δt）来调节的。反馈AGC是根据测量轧制之后的带钢厚度偏差来进行调节的。

根据构成AGC的两个基本环节即测量厚度偏差的方法和调节的方式不同，一般可将AGC分为如下几种：

a、厚度AGC（h-AGC）亦称反馈AGC，它是利用测厚仪直接测量轧制之后带钢的厚度偏差δh，调节轧辊辊缝S的AGC。

b、压力AGC（P-AGC），用压力P间接测量带钢厚度偏差，调节轧辊辊缝S的AGC。

c、连轧AGC（σ-AGC），冷连轧机用张力σ间接测量带钢厚度偏差，调节轧辊辊缝S的AGC。

d、张力AGC（T-AGC），用测厚仪直接测量厚度偏差δh，调节轧辊速度V改变张力设定值的AGC，简称张力AGC，这种调节方式一般用于冷连轧机，也用于轧制薄带钢时的热连轧机。

e、前馈或预控AGC（H-AGC），测量轧制前带钢厚度偏差δh，调节轧辊辊缝S的AGC，简称前馈或预控AGC。

f、各种补偿（如带钢头、尾补偿，油膜补偿，加减速补偿，轧辊偏心补偿）AGC等。

根据轧机型式、产品精度和确定的厚度自动控制方案，选择其中几种控制方式，构成冷连轧机综合的厚度自动控制系统。 3、板形自动控制

随着现代工业的发展，科学技术的进步，在对带钢需求量增多的同时，对带钢的质量要求也越来越高，尤其是汽车板，锌锡板、硅钢片等产品的板形要求也越来越严格。如果带钢平直度不良，例如产生边浪，中间浪，局部浪形等，直接影响到用户的成材率，加大生产难度，提高用户生产成本，影响用户产品质量。 3.1板形概念及缺陷种类

钢板的板形，指的是钢板横向断面厚度分布和板面的平坦度（包括边部减薄）。板形是板凸度和板面平直度的统称。

带钢轧制过程中，整体上讲有两种类型的板形缺陷：

⑴用肉眼可以直接观察到的，称之为显在板形，这种现象在热轧机上出现机会很多。

⑵在张力的作用下，带钢被张紧，不平直的缺陷没显露出来，一旦张力消除，带钢板形缺陷显露出来，这种类型称之这潜在板形，它易在冷轧机出现。

在实际生产当中，常见的板形缺陷有以下几种：

⑴边浪：带钢边部延伸大于中部延伸，从而引起带钢边部延伸量大于中部延伸量，出现边浪。而边浪当中又有好几种类型：单边浪、双边浪、不对称边浪等。

⑵中浪：带钢中部的厚度减薄大于边部，从而引起带钢中部的延伸量大于边部延伸量，出现中浪。

⑶带动钢浪形出现在中部和边部之间的板宽1/4处，称1/4浪。

⑷横向浪形：带钢板面上出现了一个微小的材料横向移动，在板面上出现横向波浪和对角线波浪。

⑸上凸下凹形：带钢板面出现局部不平度，可见到带钢宽度几厘米处有鼓起的“包”。其他类型的浪形，都是钢板板面不同程度的波纹，是平直度不良的体现。如下图：

单边浪

中间浪

双边浪

1/4浪

不对称浪

复合浪

3.2板形缺陷的基本原因 ⑴影响平直度的因素

影响板、带钢平直度的因素比较多，主要是在轧制过程中，由于板、带钢沿其宽度方向上各点的纵向延伸率不均，即沿宽度方向上各点的压下率不等，导致在带钢热连轧机上出现边部或中部起浪，而在带钢冷连轧机上由于采用大张力轧制，因此表现为沿板、带钢宽度方向上张应力分布不匀。

我们假定板、带钢是由一系列宽度很小的纵向窄条（纤维）所组成。这样就可将板、带钢沿宽度方向各点延伸率不均理解为这些纵向窄条的延伸不均。当各窄条相互并无联系并各自自由延伸时，则所轧出的板、带钢端部形状与各窄条延伸率不一致的情况相吻合，而实际上板、带钢的整体是由这些窄条所组成的，它们之间有着紧密的联系。因此，在这些延伸不均的窄条之间便产生拉应力或压应力，即延伸较大部分受压，延伸较小部分受拉。当压缩应力超过某一临界值时，将使这一部分板、带钢产生不同形式的波浪（或称瓢曲）。拉应力虽不会引起板形问题、影响板形，但当超过材料的屈服极限或强度极限时，可能会使该部分（多出现在边部）发生断带现象。带钢板形与延伸率分布，张力分布的关系图如下所示。

板形缺陷 延伸率分布

张应力分布

带宽 o 延伸率分布 o 张应力 带宽 o 带宽 带宽 + 延伸率λ o 张应力 如前所述，带钢的板形即平直度与横向厚差是两种不同的概念，但它们之间有着内在关系，现将它们的关系简单分析如下：

从大多用户使用的角度来看，对板、带钢平直度的要求比对凸度（横向厚差）的要求更严格些，因此，通常宁可降低带钢的横向厚度精度来获得良好的平直度。

⑵影响板凸度的因素：

影响板、带钢横向厚差的因素很复杂，但在忽略轧出带钢弹性恢复的条件下，主要以取决于轧机在轧制时的有载辊缝的形状与开口度，即带钢轧出断面形状（凸度）与有载辊缝的形状是一致的。

影响轧机有载辊缝几何形状的主要因素有：

a、轧辊的原始辊型（凸形、凹形和园柱形）。如前所述，若忽略板、带钢轧后的弹性变形，其横断面上的厚度形状则由金属通过轧辊时的实际辊缝（工作辊缝）的形状所决定。当采用平辊形轧制，则因为轧辊在轧制力的作用下，轧辊产生弹性变形，使轧件通过轧辊时的实际辊缝将呈现中间开度大而两边开度小的凸辊形。因此，由这种辊缝轧出的板、带钢横断面厚度必然是中间厚、两边薄，即为凸形。

平轧辊时在轧制力的作用下之所以呈现上述的中间开度大、两边开度小的形状，是因为在轧制压力作用下，工作辊和支承辊将产生弹性变形（弯曲和压扁），主要有：

①变形区内工作辊的弹性压扁； ②工作辊与支承辊之间的弹性变形； ③支承辊与工作辊的弹性弯曲（或称挠度）。

由理论分析与实验研究表明，工人作辊在轧制压力作用下所产生的挠度比支承辊大得多。这主要是因为工作辊与支承辊之间存在弹性压扁变形，使位于板宽范围之外的那一部分工作辊受到支承辊的悬臂弯曲作用，导致工作辊本身的挠度大大增加。所轧带钢的宽度愈小，工作辊的挠度愈大。

轧辊原始辊形不同，辊缝的形状也不同。为了改善板形和减小横向厚差，应使轧辊具有某种原始凸度的辊形。

b、热辊形（又称热凸度）。工作辊热膨胀沿其长度方向的分布称为热辊形。辊身中部与边部热膨胀之差称为热凸度。它们取决于工作辊自身温度场的特性。

在高速现代带钢冷连轧机的轧制过程中，由于轧件的塑性变形热和摩擦力的作用千万轧辊温度的升高。理论与实践均表明，辊身各部分温度不均匀。在轧制过程中，一般来说轧辊中部的温度较两端的温度高，但有时也会遇到相反的情况。轧辊辊身各部分温度的不均匀分布，将造成辊身各部分热膨胀的不均匀分布，从而破坏了辊缝的平行性。若轧辊中部温度高于两端的温度，则原先平行的辊缝将会变成凹形，对所轧出的带钢断面亦起相应的影响。对此，可通过热凸度的控制来克服。

c、轧辊磨损对辊形的影响。在轧制过程中，工作辊和支承辊均将渐渐被磨损且工作辊磨损较多。轧辊的磨损将使辊缝形状逐渐变昨不规则了。轧辊磨损与所轧品种、规格、轧制计划的安排、轧制工艺制度、轧辊材质、原始辊形以及轧

辊冷却润滑条件等有着密切的关系。轧辊磨损对辊缝的影响主要通过合理选择原始辊形来补偿。

d、轧制压力使轧辊弯曲变形和不均匀的压扁变形，从而影响辊缝的几何形状。

在轧制过程中，轧辊的受力变形，热膨胀与磨损这三个因素是综合起来对辊缝起作用的。它们虽是影响带钢横向厚差和平直度的主要因素，但如果对其进行恰当的控制，又可使这三大因素成为改善板、带平直度和提高横向厚度精度的有效手段。

⑶常见板形不良的原因分析

边浪：主要形成原因是轧制力过大；工作辊正弯辊投入出错；负弯辊量太大；工作辊凸度过平，工作辊边部温度高于中部等。

中浪：主要形成原因是轧制压力过小，工作辊正弯辊力过大；工作辊凸度过大；轧辊中部热膨胀过大等。

因此在板宽1/4处轧辊温度过高，局部热膨胀过大造成。

横向波浪：主要原因是来料的平直度不良；过高的单位轧制力；错误的弯辊设置等。

上凸下凹：主要原因是由于局部区域冷却喷嘴阻塞或损坏；轧辊局部冷却不足而膨胀过大，造成局部轧制力而形成。 3.3板形表示法

在讲带钢板形缺陷时，通常讲的是感官的印象，并无数量上进行定量的表示。为了做到既容易分清各种板形缺陷的差别和界限，又能判定板形缺陷的严重程度，因而对板形进行定量的描述就非常必要；此外，对于研究板形控制策略和板形自动控制来说，板形的定量分析就显得非常必要，最常用的方法有以下3种：

⑴相对波峰值表示（急峻度的表示）：

取一段带钢放在一个平台上，带钢的平直部分与平台贴合，如果视该带钢纵向为一直线，则得到如下图的所示波浪表示法。

L h 设这段波浪高为h，波长为L，则相对波高为λ，则有以下公式：λ=h/L 这是一种直观的表示方法，而且有实际可操作性，可以作为成品带钢的静态平直度检查用。

⑵相对延伸差表示（常用I单位表示法）

设定带钢平直部分的标准长度为L0，而宽度方向上任意点X上波浪弧度为 L（x），如下图：

L（x）

急峻度与I的换算：

I＝2.5 *（π*S）2=(π*100H/L)2。 ％陡度（S）＝100H/L＝2/π*（I/10）1/2。

这个公式表示波浪部分的曲线长度相对于平直部分标准长度的相对增长量。最常见的是以带钢宽度方向上最长部分和最短部分的相对长度差来表示，单位为百分数。由于该值很小，则规定相对长度差的10-5为一个I单位。I单位相当于1m长的带钢中有10μm的长度差。

⑶张力差表示方法：

在正常生产当中，带钢是在张力下进行轧制的，表现潜在浪形。在板形不良时，出现的是张力不均匀分布。平直部分受张力大，有浪形部分受张力小，即带钢上单位张力分布与平直度成正比例关系，如下图所示。

假设作用在标准带钢长度上的单位张力为T0，板宽上某一点单位张力T（x），则张力应力差为ΔT（x），有如下公式：ΔT（x）=T0-T（x）

根据张力差延伸差之间的关系，虎克定律，有如下关系式： ΔT（x）=E﹒ε(x) E—带钢弹性模量（KN/mm2） ε(x)= ΔT（x）/E

这就表明延伸差的分布引起的形状不良可以用张力差来描述。 3.4板形控制方法

板形自动控制主要涉及以下两方面的内容： ①板形（平直度）的检测。

②板形控制理论、控制方法以及相应的控制系统。

要实现带钢板形的自动控制，其首要问题是带钢板形的检测。在板形检测手段尚未解决以前，板形只能采用开环控制。只有当板形检测仪在带钢冷连轧机上得到应用以后，才能实现带钢板形在线闭环自动控制。因此，板形检测装置是板

+ — — — + — L0 h L（x）- L0 则相对延伸差为ε（x），有如下公式：ε（x）= L0 形自动控制系统的关键部件之一。

板形控制的方法很多，但基本上可以分为两类：一类是实行最佳控制、即轧制规程的最优化；另一类是通过板形自动控制系统（简称AFC系统）进行在线控制。前者在板形控制技术及其发展中占有较重要的地位，因为轧制规程是否合理，将对轧制过程的特性、产品质量、控制精度、自动控制系统的工作状态及其控制效果均有很大的影响。

AFC系统又可分为开环和闭环两种形式。开环与闭环控制的根本区别是：前者不需对带钢板形质量进行在线检测，而是根据带钢的原始参数（如厚度、宽度、钢种等）、带钢成品厚度等，由计算机通过数学模型的计算或被存入计算机的经验数据，确定各机架的弯辊力等的设定值，以保证预设定的良好板形。

由于板形的开环控制系统只能实行一次性弯辊力等的预设定控制，系统一旦受到扰动，被调量发生变化时，调节系统不能进行自动调节来克服干扰的影响，因此，控制精度不高。

在板形的闭环控制系统中，一旦受到外来干扰产生板形缺陷时，则板形检测装置将所测到的板形偏差信号送给执行机构，如CVC轧辊的轴向移动、工作辊弯辊装置等，来修正轧制过程中轧辊凸度的变化，以校正板形。

板形自动控制是通过板形控制的具体方法与板形在线检测和过程控制技术相结合的自动控制。其具体方法主要有：

⑴人工调节控制法

a、改变压下规程。通过改变某道次的压下率以改变该道次的轧制力，便可改变轧辊的实际挠度。例如，当带钢产生对称边浪时，通过减少压下率以减少轧辊本身的实际挠度，便可得到改善。这种控制方法虽然及时，但改变压下率会影响带钢的轧出厚度，可能使轧制道次增加，降低生产率，显然是不合理的。

b、按经验合理分配各道次（各机架）的压下率。根据工人操作经验统计得到的现场资料，直接分配各道次（各机架）的压下率。对于冷轧机来说，一般的规律是：第一道次压下率不宜过大，主要是考虑第一道次后张力太小，且使热轧送来的冷轧原料板、带钢得到很好的均整。中间各道次（各机架）的压下率，基本上可以从充分利用轧机能力出发来考虑。为了保证良好板形，最后几道一般采用较小的压下率。

c、合理安排产品规格的轧制规程，即采用中宽—宽—窄的轧制顺序。这种轧制程序显然要限制一些产品的产量。

d、通过操作台上的操作开关，控制冷却液的流量或改变弯辊力的设定值来控制带钢的板形。

⑵冷却液控制法

冷却液控制法是通过对轧辊热凸度的控制来改善板形的一种传统的控制方法。

将冷却系统沿工作辊轴向分成若干区段（如某套五机架带钢冷连轧机在1～4机架上设有3段轧制乳化液冷却系统，而在第5机架上则分成5段冷却），每个区段安装有若干冷却液喷嘴。控制各区段冷却液系统喷嘴打开和关闭的数量，调节沿辊身长度冷却液流量的分布来改变轧辊温度的分布，从而调节热凸度的大小，达到控制板形的目的。例如，当出现中间波浪时，加大中间段（或减小两侧）冷却液的流量，以减少轧辊的热凸度；当带钢两边出现波浪时，减小中间段（或加大两侧）冷却液的流量，以加大轧辊的热凸度，使板形得到改善。

当板形检测仪采用测量辊时，冷却系统区段的划分应与测量辊测量区段的划分相对应，将每一测量区段的检测信号来控制冷却系统相应区段的喷嘴。

采用冷却液控制法来调节热凸度可补偿一小部分轧辊的磨损量。但存在调节范围小，功能不稳定，尤其是存在响应速度慢（由于轧辊本身热容量大，温升与温降要有较长的时间）的缺点。因此，仅仅依靠这种缓慢而又不准确的调温控制法，仍不能满足对板形质量的要求。

⑶轧辊倾斜控制法

这种控制方法是借助于轧机两侧压下机构差动地进行轧辊位置控制，使一个工作辊与另一个工作辊相对倾斜，以增加带钢一侧的张力，而同时减小另一侧的张力。这样，带钢在轧制过程中出现的：“镰刀弯”的断面形状将得到校正。 由于可能引起“镰刀弯”的平直度误差通常不大，其两侧的相对差异在10-4以下。因此，在某些情况下，实际并不需要偏摆控制。

⑷液压弯辊法

液压弯辊法是通过液压弯辊系统对工作辊或支承辊端部附加一可变的弯曲力，使轧辊弯曲来控制凸度以校正带钢的板形。

液压弯辊法可使轧辊瞬时凸度量在一定范围内迅速地变化，且能连续完成调整动作，有利于实现板形调整的自动化。但由于需给轧机、轧辊轴承和轧辊本身增加附加载荷，因而影响了轧机能力的充分发挥。

由于这种板形控制方法具有如下所述之优点，故在现代钢冷连轧机上被广泛采用。

无论是新建的或改建的轧机，只要条件允许，都设置液压弯辊装置。 目前液压弯辊装置主要有三种形式：正弯工作辊，负弯工作辊，正弯支承辊和正弯中间辊。

a、正弯工作辊。其弯辊装置安装在工作辊轴承座之间，产生的弯辊力F与轧制力P同向，使工作辊产生的挠曲与由轧制力引起的挠曲方向相反。因此，正

弯辊装置的作用是减少轧制时工作辊的挠度，使轧件在中部有较大的压下量，如在轧制过程中带钢出现对称波浪时，则采用该形式的弯辊装置。轧辊磨损时，辊身中部磨损较边部快，应采用正弯辊装置，增加轧辊的凸度。

当使用正弯工作辊方式时，常将工作辊做成不带凸度或微带凸度的辊形。轧制时工作辊产生的挠度主要由弯辊来补偿。

b、负弯工作辊。该种形式的弯辊装置安装在工作辊轴承座和支承辊轴承座之间，对工作辊轴承座附加一个与轧制力方向相反的作用力F，使工作辊产生的挠曲与由轧制力引起工作辊的挠曲方向相同。故负弯辊装置的作用是增加轧制时工作辊的挠度，使带钢在中部有较小的压下量，如带钢横断面出现中间波浪时，则采用负弯辊装置来校正板形。

在轧制过程中，轧辊受热膨胀，辊身中部散热较慢，使辊径膨胀较大。因此，应采用负弯工作辊来减小轧辊凸度，以改善带钢的板形。

c、正弯支承辊。此方法是把支承辊两端加长，在支承辊的外伸辊端之间设置液压弯辊装置。弯辊力的作用方向与轧制力方向相同，使支承辊产生的挠曲与由轧制力引起的挠曲方向相反，以减小支承辊的挠度来减小工作辊的挠度。

采用支承辊正弯法需要延长支承辊颈（安装液压缸），因而弯辊装置结构复杂，另外，这种弯辊方式需要较大的弯力，增加了压下系统的负担，同时液压缸的位置还会影响工作辊的换辊。因此，只有在轧辊辊身特别长的宽厚板轧机上才被采用。在热轧与冷轧薄板轧机上不采用这种弯辊方式。

d、弯中间辊。弯辊装置产生的弯辊力与轧制力方向相同，使中间辊产生的挠曲与由轧制力引起的挠曲相反，因而减少了中间辊的挠度，也就是减少了支承辊可能对工作辊产生的挠度，这种弯辊装置主要用于硅钢板带的生产，以解决轧制时的边缘降问题。采用液压弯辊装置作为一种滞后的板形控制手段，虽然具有上述的许多优点，在板、带钢的板形控制中被广泛应用，但是，如果单独采用液压弯辊装置来控制板、带钢的板形，并不完善，有其局限性。例如，它要受到液压油源最大压力的限制[弯辊油缸使用油源最大压力一般为20.265～32.424Mpa（200～300大气压）]，其调整范围难以完全满足实际板形调节的需要；其次，轧制宽、薄板带钢时，效果不佳；另外，液压弯辊系统的能力还要受到轧辊轴承的承载能力和辊颈强度的限制等。因此，就目前的水平来说，它只有同上述其它的板形控制方式配合使用，才能取得较为满意的效果。不过液压弯辊控制是板形控制的基础。

⑸新型轧机控制法。

如HC轧机、CVC轧机、VC轧辊系统等这些新型轧机属于挠曲补偿型的板形控制技术，具有良好的板形控制能力。它们的出现是板形控制的一个突破，可

使液压弯辊系统的可控范围大为扩大，实现在最大弯辊力的允许范围内满足工作辊缝更大幅度变化的要求。 4、张力主动控制

在带钢连轧生产过程中，由于开卷、卷取机与主机以及轧机之间存在速度偏差而产生了带钢张力。

机架间带钢所受的张力分前张力和后张力两种。按照习惯规定，作用方向与轧制方向相同的张力叫做“前张力”，而作用方向与轧制方向相反者则称之为“后张力”。

张力轧制（既轧件在轧辊中的轧制变形是在一定的前张力与后张力作用下进行的）是冷连轧生产的一个重要特点。张力控制是连续生产过程中的关键问题，尤其是带钢冷连轧机，带钢张力的控制精度对轧制稳定性和成品带钢的质量有着极大的影响。因此，张力控制系统也属于产品参数控制的范畴。

张力控制基本上可以分为直接张力控制和间接张力控制两大类。前者是用张力计直接检测出张力的实际值，经张力控制器送入系统中进行闭环控制；后者是控制一些与张力有关的电气量来达到控制张力的目的。

张力调节方式有二种，一种是调节轧辊的速度，即所谓调速调张法；另一种是通过调节压下量来调节带钢张力，而压下量的控制又可分为轧制力控制和辊缝位置控制两种方式。 4.1张力的作用

大张力轧制是冷连轧与热连轧的根本区别。

冷轧中采用张力轧制既可以防止带钢在轧制过程中跑偏，改善板形；又可降低金属的变形抗力和轧制压力；还可通过机架间的带钢的张力将整个冷连轧机组联成一个整体；另外，张力也可作为带钢厚度精调的一种手段。

⑴防止轧件跑偏

防止轧件跑偏（即保证正确对中轧制）控制是保证冷连轧生产能否正常进行的一个重要问题。跑偏将破坏正常板形，引起操作事故甚至设备事故等。特别是在开坯时，需耗费很多时间，甚至采用停机、抬辊等办法来纠偏，直接影响生产率。因此，在轧制过程中必须尽量地防止带钢跑偏现象的发生。

造成带钢跑偏的主要原因主要有： a、来料锲形

b、轧辊地原始辊缝不平行，一边大，一边小。

c、由于安装不准或轴承（铜）的磨损，使上、下两个工作辊的中心线不在同一个平面。

d、喂钢时，未准确对中，引起轴承反力不对称，使机架左右弹跳不一致，

导致沿轧件宽度方向的延伸率不均。这时，即使是在绝对平行的原始辊缝的轧辊中轧制断面绝对平行的轧件，也会造成轧件跑偏。

防止轧件跑偏的方法主要有： a、严格控制来料的厚度偏差。

b、利用操作防偏和纠编。调压下时尽量避免调成偏压；当出现跑偏现象时，通过压或抬轧辊的方法来纠偏，如带钢往传动侧跑，则压轧辊的传动侧或抬轧辊的操作侧，否则反之。

c、采用凹形辊缝防止带钢跑偏。凹形辊缝主要起到轧件自动地对中的作用，该方法有一定的延时，即轧件沿轧辊轴线横移需要一定的时间，难免会使轧件产生一定程度的“蜿延蛇形”。另外，轧轴凹度的大小要适当，若太大，会影响带钢横向厚度的均匀性；而太小，则防止轧件跑偏的作用不太显著。因此，这种防止轧件跑偏的方法有一定的缺点。

d、采用导板夹正的方法。此方法实质上是用改变轧件内部应力分布的办法来防止轧件跑偏。该方法也有一定的缺点，它仅适用于较厚较硬的轧件，而对较薄较软的轧件则往往会因作用于轧件上的侧压力，而导致带钢产生压折。同时，由于轧件与导板之间有一定的间隙，因而在控制过程中也会有一定的时滞。

e、采用带钢边缘控制和中心线位置控制装置防止带钢跑偏。

f、采用张力跑偏。在轧制过程中，若轧件出现不均匀延伸，则沿轧件宽度上的张力分布将会发生相应的变化，即延伸较大的一侧张力减小，否则反之。这样便起到了对带钢进行自动纠偏的作用。

这种张力自动纠偏的方法，反映灵敏，无时滞，有利于提高成品带钢的质量，同时还可以使操作简化。因此，采用张力控制是冷连轧在轧制过程中防止轧件跑偏的有效方法。但所选用的张力不宜过大，以免产生拉窄变形或断带事故。

⑵“自动调节”作用

在轧制过程中如存在速度偏差，平衡状态破坏，机架间便出现带钢张力，并按下图所示曲线逐渐增加；当机架间的带速偏差为零时，则机架间带钢张力恒定不变。

单 位 面 积 张 力 σf σfo 时 间 t 张力动态过程图 例如，由于某种原因，使第i+1机架的入口速度V（i+1）大于第i机架的

出口速度V（iho），即出现带速度变化偏差。此时，张力增加，而张力增加又使前滑值fi增加，使得V（iho）增加，故张力增加变缓。这样，直到某一时刻，轧制过程又在一定的张力条件下达到新的平衡，这就是张力的“自动调节”作用。但这种调节作用是有条件的，即当t=∞时，该渐近线表示轧制过程达到新的平衡状态时的新的张力值，此值应当小于金属的屈服极限，即，σfo<σs否则，轧制过程还没有达到新的平衡状态之前，轧件已经达到屈服极限甚至已被拉断，在这种情况下，张力是不可能达到新的平衡的。

由此可见，张力在一定的范围内，具有自动调节作用，使轧制过程恢复到新的平衡状态，但如果外扰量太大而引起过大的张力时，则可能难以恢复到新的平衡状态。

⑶降低轧制压力和变形功

张力对轧制压力的影响极大，前、后张力均使轧制压力大大降低。张力越大，单位压力降低也越显著，而且后张力σb比前张力σf的影响大。

采用张力轧制时，张力不仅可以使水平方向的压应力减小，而且也能使垂直方向上的压应力降低，故张力能使轧制压力变小。如当前、后张力足够大时，还可使水平方向的应力由原来的压应力变为拉应力，使得垂直方向的压应力更小，因而轧制压力降低更为显著。由于变形区中性面偏向带钢出口即前滑区，故后张力对降低单位压力和轧制压力的效果有更明显的作用。

另外，由于张力的作用，使轧制压力降低，因而金属变形时所需要的功耗自然也就少了。

⑷在机架间起着传递能量的作用

连轧生产时，轧件在某一瞬间同时位于两个以上顺序布置的轧件上进行轧制，通过带钢的张力将整个机组联成一个整体，亦即张力在机架间起着传递能量的作用。

根据轧制理论所述，对于每一机架轧件和轧机相互作用中能量守恒定律可写成如下形式：

NΣ=N+Nμ-Nσf+Nσb

式中：NΣ—电动机所提供的功率；

N—作用于轧件的能量消耗； Nμ—摩擦之能量消耗； Nσf 、Nσb—前、后张力功率。

⑸可使带钢有较好的板形

在前面提到，板形是衡量板、带钢质量的重要指标之一。冷轧带钢的板形不良（各种浪形），其主要原因是沿带钢宽度方向上各点的张应力分布不均，轧件

中的残余应力超过了稳定时所允许的压应力而造成的。如果在轧制过程中给轧件施加一定的单位张力，使板、带钢沿宽度方向上的压应力不至超过所允许的压应力，便可获得具有较好板形的成品带钢产品。

⑹可提高产量

由于张力的作用，降低了轧制时的压力（可减少25%左右），减少了轧辊的弹性弯曲和压扁，从而减轻了设备和电机的负荷，有利于增大道次（或机架）的压下量，减少轧制道次（或机架数），提高劳动生产率。

另外，采用大张力的卷冷轧，可以增加卷重，减少带钢切头、切尾数量，降低金属的消耗量、提高成材率。同时，还可增大轧制速度（约10-15m/s），从而大大提高了产量。

⑺作为精调AGC的调节手段

冷连轧的精调AGC，一般采用张力作为其调节手段。

在轧制过程中，由于某一工艺参数的波动，使相邻两机架间存在带速偏差，产生带钢张力。当张力增加时，轧件塑性曲线的斜率减小，使带钢轧出厚度减薄。 4.2张力大小的选择

轧制过程中张力的选择主要是指选择单位面积上的平均张力σT，即：

σT = FT/B

式中σT —单位面积上的平均张力，N/㎡；

B —带钢的横截面积，㎡；

FT —作用于带钢横截面B上的张力，N。

从理论上讲，单位张力似乎应当尽量选高一些，但是不应超过带钢的屈服极限σs 。σT的值一般选为：σT=（0.1～0.6）σs

不同的轧机，不同的轧制道次，不同的品种规格，甚至不同的原料，要求有不同的σT值。

当被轧金属强度较高和希望变形均匀时，可取较大的σT值，否则可取小值，其次，操作经验不足时可取小值，操作熟练后可取大些。另外，压下量大时，适当增加张力，否则，反之。

带钢通过轧制，不断变薄，它的截面积也随之减小，另一方面，因带钢产生了加工硬化现象，使屈服极限升高，所选择的张应力相应增加。但由于屈服极限升高的速度比带钢面积减小的速度要小，即带钢截面积减小是主要的影响因素，所选用的张力应当逐渐减小。一般情况下，厚的带钢使用的张力大些，薄的带钢可相应小一些。

张力值合理选择，对保证轧制过程的顺利进行和成品带钢的质量有着重要的意义。例如，开卷机张力过大，便无法穿带；若张力过小，则会产生堆钢。

对卷取机来说，当张力过小时，会造成卷得不紧，钢卷从卷取机上卸下后，会因钢卷的自身重而导致钢卷变成椭园形，长时间堆放后可能产生严重的塌卷。另外，卷得太松的钢卷，即使不发生变形，在后工序的开卷机上也会出出现开卷打滑的现象（在钢卷内圈之间产生层间搓动）。但如果卷取张力过高，从卷取机上卸下钢卷的内圈常会产生扭折，退火后可能会由于表面压力高产生粘贴结而造成报废。冷轧卷取机的张力一般选用4.9×107 Pa (5kg/mm2)左右。

另外，连轧机各机架张力的选取，还需考虑主电机之间及主电机与卷取电机之间的合理功率负荷分配。一般的做法是：先按经验范围选择适当σT的值，然后再进行其它方面的校核。

4.3机架间张力自动控制基本原理和方法。

张力是连轧过程中的一个极其重要的参数。机架间带钢所承受的张力σT =C（常数），即为连轧过程处于平衡状态下的基本方程之一。

当连轧过程处于稳定时，各参数之间保持着相对的稳定关系。但如某两个机架间的带钢张力发生微小变化，将不仅导致本机架平衡状态的破坏，而且还会通过机架间带钢张力变化的影响，“顺利”地传送给前面各机架，并同时“逆流”地传送给后面各机架，从而使整个连轧机组的平衡遭到破坏。因此，维持冷连轧机的张力恒定，对保证连轧过程顺利进行以及提高成品带钢厚度精度都有十分重要的意义。故在现代带钢冷连轧机架之间均设置有张力检测仪和张力自动控制系统，使机架间带钢的张力在允许范围之内保持恒定。

机架间张力恒定控制是利用张力仪直接测出张力的实际值，经张力调节器送入系统中进行闭环控制，下图1.2为机架间张力T1控制系统原理框图。 TC1 带钢张力检测，一般采用测量辊，有单辊、两辊和三辊式。

在稳态时，机架间带钢张力与第1机架的出口速度V1h和第2机架带钢的入口速度V2h之差正比；对于动态情况，经过详细的理论分析可以证明，当速度V1h和V2h突变而产生速度偏差ΔV=V2h-V1h 时，其带钢张力是按指数规律变化的。因此，可以将张力调节看成是一个惯性环节，由转速差ΔV至张力T之间的传递函数为：

KB 1（s） GB（S）= T = δT1 张 力 调节器 SC2 2# 机 架 压力系统 S2 2# 机架 辊 缝 T1 T1

ΔV（s） TBS+1 式中：TB—张力变化的时间常数，TB=L0/V

L0—机架间的距离； V—带钢速度； KB—传递系数。

由于机架间的距离L0为常值，故时间常数TB与带的速度V成反比。 由1机架后面的测张仪的测得的张力实际值T1，再与计算机送来的张力给定值TC1相比较，得张力偏差值δT1。若δT1超过张力允许范围，张力调节器便输出一个给定的辊缝调节量SC2给第2机架的压下系数，调节第2机架的辊缝来调节机架间的带钢张力T1。也可通过调节第2机架的轧制压力来调节张力T1。

当T1-TC1>0时，应减小辊缝，使张力减小，直到T1-TC1=0为止；当T1-TC1<0时，应增大辊缝，使实际张力增辊，以消除张力偏差。

现代带钢冷连轧机机架间张力控制方式随轧机类型及AGC方式的不同而异，一般有按张力偏差值调下一机架的压下量和相应机架速度两种形式。大约张力变化超过给定值±30%时进行压下量的调整；如张力给定值与实际值之差在给定值±30%范围内（称为张力控制误差的不灵敏区）时，可以通过速度控制来调节。调压下量的方式，主要用在厚板轧机上，特别是前面的几个机架上；调速度的方式主要用在平整机和薄板冷连轧上；在有的厚度自动控制系统中，调压下量和调速度两种调张方式同时采用。 5、工艺冷却和润滑

在冷轧过程中，由于金属的变形以及金属与轧辊之间的摩擦产生的变形热及摩擦热，使轧辊以及轧件表面产生大的温升。如果轧辊辊面温度过高，会造成轧辊爆裂，同时由于温度过高，轧件与轧辊表面之间的油膜造成破坏，局部地区发生轧件与轧辊相互焊合，使轧辊表面受到损伤，轧件表面也留下了缺陷，称为“热划伤”。因此，冷轧过程必须对轧辊和轧件进行润滑和冷却。另外，为了降低轧制过程中变形区内带钢和轧辊接触面上的摩擦力，降低轧制力，使得轧制顺利，并保证带钢表面质量，要使用到润滑剂，而同时解决这两个问题最为有效的办法是轧制油的应用。

近年来，冷轧薄板的制造技术发生巨大的进步，特别是高效率化，轧机的全连续化，酸洗和轧机的连续化，轧机和退火之间的前后工序的全连续化都在发展中，此外，轧制的板厚趋向于薄的要求增加，因此，对轧机提出了轧制高速化和轧制变化大压下量的要求。

在此基础上，对钢板板面的清洁要求也越来越高，轧制后的钢板通过清洗机组后进入罩式退火或通过配备有清洗设备的连续退火机组也就越来越多了。 在这种条件下，提高冷轧的润滑技术就成为重要任务，通常上讲，润滑的主要目的在于：

⑴降低轧制力；

⑵获得好的表面的钢板，防止产生钢板的表面缺陷； ⑶减少轧辊磨损，延长轧辊的使用寿命。

从以上几点来讲，轧制油在冷轧轧制当中的应用就变得越来越重要了。 5.1轧制油的基本组成

一种轧制油的组成通常包括以下几个部分：轧制基油、油性剂、极性剂、抗氧化剂、防锈机以及乳化机等。其中作为轧制油当中最为重要的部分是基油本身的性能。基油通常有三种形式：矿物油、（动、植）物脂肪、合成脂。

三种基油的物理性能参数比较如下表： 性能指标 润滑性 熔点 轧机清洁性 闪点 可操作性 抗氧化性 基油类型 矿物油 差 < 0℃ 中等 < 200℃ 好 好 （动、植）物脂肪 好 30℃左右 差 250℃左右 好 差 合成脂 好 < 0℃ 好 250℃ 好 好 从基油上讲，在以前，矿物油作为轧机清洁性好的油而广泛使用，在轧机清洁性好的基础上，为了提高油的润滑性，则在矿物油中添加（动、植）物脂肪或合成脂作为轧制用油而使用。合成脂有良好的润滑性能，作为高速轧制以及大压下轧制用油而使用。合成脂，它可以有许多种类，它可以按照人们所希望方式进行合成，成为稳定的基油。这种基油可对润滑性能和乳化性能很好地控制，从而，在近来的冷轧生产当中，越来越广泛地使用。

当然，在基油当中，为了达到我们所需要的性能要求，常常要添加各种添加剂，这也是轧制油发展的一种趋势，添加剂是直接对乳化液起作用的一种化学试剂。

在轧制基油中，添加油性增强剂，它可以用来减少轧制摩擦力，防止轧辊和钢板之间的热划伤，作为油性增强剂，用得比较多的是脂肪酸，脂肪酸添加量增加，冷轧润滑性得到很大的提高，但是带钢负面影响是退火后板面的清洁度降低了。

在轧制当中，轧辊由于有局部接触，产生局部温度过高，作为极性剂，添加入乳化液当中，在这种高温状态下，极性剂首先发生分解，形成无机的氧化膜，防止热划伤的形成。在冷轧当中，最常用的极性剂是磷酸系的制剂，它还有耐腐蚀的功能。

在通常的条件下，油和水是分离成油滴状的，不能形成稳定分布的乳化液，不利于轧制过程的要求，添加入乳化剂到乳化液当中，促进油和水很好地融合，形成很好的稳定分布的乳化液，从而维持乳化液的正常性能要求，目前，常用的乳化剂是高分子凝聚剂。

抗氧化剂也广泛地添加到乳化液当中，主要用于防止轧制油的劣化，以及退火后斑迹的形成，也是一种极其重要的添加剂。 5.2轧制油的性能要求

评价一种轧制油的好坏，要考虑到的因素很多，根据使用的机组的特性和生产产品角度着重突出几个方面的要求是否满足。

在通常上讲，最常考虑的几个指标是：

①轧制润滑性：通常是以摩擦力的大小以及热划伤有无进行判定或可以对比轧制力下降进行表示，这是最重要的指标之一。

②挥发性：以轧制后钢板表面油的附着量多少来表示，轧制油附着量增加，轧制力将会相应降低，但也会带有负面影响，轧机打滑或振动形成，油污板以及乳化液斑迹的形成。

③乳化性：乳化性好坏常以乳化液的稳定性即颗料度的分布来表示。最常用的方法是：乳化液静止一段时间待油水分离后，油层的含量来表示，并且测定颗粒度的分布。

④轧机清洁性：检测退火后钢板表面残留物多少来表示。除此之外，还有其他的评价指标，如：脱脂性、防锈性、抗氧化性等。我们对比不同的油性能指标，来选择适合我们机组的轧制油。

根据生产产品的不同，轧制油各种性能要求和重要程度对比如下： 轧制油性能概况 润滑性 轧机清洁性 防锈性 斑迹抑制性 乳化液稳定性 钢板表面清洁性 铁粉易去除性 表面均匀性 易于维护操作性 产品分类 薄板 极重要 重要 重要 重要 重要 极重要 重要 极重要 重要 中、厚板 重要 重要 重要 重要 重要 极重要 重要 重要 重要 随着钢铁生产技术的发展，虽然进行后道工序清洗机组或清洗设备的应用，

但是对于轧制后钢板表面的清洁度要求却是越来越严格了，因此，对于轧制油的清洁性能要求就变得更为重要了，同时，极薄板的大量生产，轧制油润滑性也将要有大的提高。

5.3轧制油产生的不良影响

⑴润滑不良的影响 a、热划伤的形成

单从轧制油的角度上讲，由于轧制生产当中润滑不足，带钢表面和轧辊之间形成的油膜被破坏，轧辊和带钢直接接触，就在板面上产生划痕，这是一种常见的缺陷，特别对于极薄板的生产，这一点成为突出的问题，是质量方面的主要矛盾之一。

b、轧机打滑现象

乳化液浓度过高或润滑效果过好是易于打滑振动的主要原因之一，在生产实践当中这是一种较为常见现象之一，尤其是在高浓度高速度条件下轧制极薄板的生产当中显得尤为突出，通常在这种情况下，最主要的手段是降低轧制速度。此外，提高轧辊粗糙度，降低乳化液浓度也是手段之一。

⑵钢板表面清洁的影响 a、油污板的形成

轧制当中产生的铁粉和轧制油起反应，生成的铁皂粉粘附在钢板表面上，板面油污增加形成油污板，这是汽车生产当中的主要矛盾。

b、乳化液锈斑

轧制后，残留在板面上的油和水，经过化学反应形成锈迹。 c、乳化液斑迹

残留在轧制后钢板表面的乳化液，在退火后，轧制油发生分解。易于在退火后的钢板表面、边部形成斑迹。 5.4轧制油的主要技术指标

皂化值 198-216 mg KOH/g 酸值 18.2-19.4 mg KOH/g 稳定指数 47-53 % PH（5%浓度乳化液）值 3.5-4.1 粘度（100℃ 时） 8.7 mm2/s 粘度指数 140 密度（50℃ 时） 0.899 g/cm3 闪光点 222 ℃ 电导率（5%浓度，20℃） 51μs/cm

折射指数（Nd20） 1.4653