新型不锈钢极薄钢带轧机

zhd1998cn

近年来，随着电子产品小型化和产量的增加，不断地向不锈钢生产企业提出不锈钢产品极薄化和提高质量扩大产能的要求。这就要求相应的轧制设备具有更高的性能。
    为此，日本神户制钢利用硬质材冷轧广泛使用的20辊轧机的特点并吸纳铝箔轧机的极薄带材生产技术，开发出12辊轧机。1984年1号机交货。新开发的12辊轧机的名称是KT轧机，取自于Kobe Twelve-High Mill（神钢12辊高级轧机）的第一个字母。薄板质量最为关注的是板厚质量和板形质量，KT轧机具有良好的板厚自动控制和板形自动控制等各种控制装置（图1）。
    此外，为防止极薄带材轧制时板面产生皱折，KT轧机采取了防止带材和辊子之间滑动产生瑕疵的措施。以下介绍神户制钢最新交货的KT轧机的极薄带材冷轧专有技术。
    1. 最近KT轧机的制造和交货情况
    2007～2009年不锈钢极薄带材用KT轧机的定货和制造情况列于表1。KT轧机是世界独一无二的可以生产宽度700mm、最小板厚为0.01mm的可逆式冷轧机。该轧机采取多种措施确保板厚精度、板形精度和表面质量（皱折和瑕疵）达到最高级别水平。
    此外，神户制钢还制造出生产较厚产品（0.2～0.05mm）的20辊轧机（KST轧机），并于2008年交货到中国山东乾元不锈钢有限公司。
   
            表1   近年不锈钢极薄带材KT轧机的交货情况
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    用户            交货时间年   坯料厚度   成品厚度   轧机马达
                                     mm         mm       kW
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    新日铁材料公司      2007        0.5        0.01    AC150
    HISPEC-1            2007        0.8        0.05    AC200
    （西日本）
    北陆公司     2009（制造中）     1.0        0.03    AC110
    日新制钢     2009（制造中）    0.45        0.01    AC150
    BNG钢铁公司  2009（制造中）     1.0        0.01    AC250
    （韩国）
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    2. KT轧机的结构和特点
    KT轧机是用4个立柱将上下机架支撑连接起来的4柱式机架分离型轧机（图2）。
    2.1 4柱式机架分离型轧机的特点
    4柱式机架分离型轧机有以下特点:
    （1）上机架升降行程大，可增加上下机架的空间，好处是：
    ① 可以在很大范围内选择对于钢种和轧制道次最适宜的工作辊辊径。
    ② 便于换辊作业。
    ③ 通板性良好。
    （2）4个立柱之外，在机架之间没有其他的部件阻挡，因此轧辊冷却剂的排出性良好，好处是：
    ① 容易散发轧制产生的热量，可得到良好的板形。
    ② 轧制中产生的磨损粉末容易随冷却剂一起排出，可减少板面的瑕疵。
    （3）可使上机架倾斜进行轧制，因此可以进行楔型材等非对称形状产品的轧制。
    （4）轧制负荷以拉伸负荷的形式作用在4个立柱上，所以，易于准确检测出轧制负荷，并且根据每个立柱测得的轧制负荷，可以了解负荷的平衡状况（轧制负荷和驱动负荷的差）。
    2.2 工作辊的辊径
    KT轧机的上机架升降行程很大，所以可在很大范围内无级差地使用直径从小到大的工作辊（图3），因此，可以选择对于钢种和轧制道次最适宜的工作辊辊径。
    随着工作辊辊径的变化，轧制线的高度也发生变化。KT轧机配置了独有的用于导向装置的轧制线自动调整器和保持工作辊端面位置的止推滑座自动升降器，可以使轧制线高度发生变化时保持水平状态。
    表1中的5架KT轧机的工作辊辊径可以从28mm到60mm，甚至到80mm进行无级差的变换，因此，可以选用40mm、50mm辊径这种中间尺寸的工作辊，这样，就可以在一架轧机上实现注重生产效率（强压下）的小辊径轧辊轧制和注重板形的大辊径轧辊轧制。
    3. 板厚和板形控制装置
    KT轧机板厚和板形控制装置的配置见图4。
    3.1 板厚控制装置
    KT轧机配置了与伺服控制阀门直接的斜铁油压压下系统。该系统做为专用的板厚控制装置（图5）。轧制负荷通过斜铁直接传送到机架，具有很高的刚性。在机架立柱配置油压室的多辊轧机和配置上推式液压缸或下推式液压缸的4辊/6辊轧机，由于油压缸的开闭直接变成辊缝的开闭，使油压缸内油的压缩性直接影响到辊缝，造成轧机常数降低。与此不同，KT轧机的上述结构，使轧机常数几乎保持不变。并且由于以下的措施，使轧机实现了不到0.01s的快速响应性。
    （1）在斜铁端部油压缸安装直接动作式伺服控制阀门，使侧管路内油的压缩引起的控制滞后现象最小化。
    （2）在斜铁两面有滑动滚针轴承以减少摩擦阻力。
    （3）控制的只是轧辊，因此控制的重量很小，不到上机架整体动作控制方式的1/100。
    3.2 板形控制装置
    KT轧机有以下4个板形控制装置。
    3.2.1 轧辊凸度控制装置
    利用轴承和滑座，由AC伺服电机驱动，分别推动上支撑辊两侧的滑座，因此，可以在轧制过程中随意调整工作辊的凸度。该装置对修正开始轧制时轧辊热凸度引起的板形变化十分有效。
    KT轧机（12辊）工作辊凸度控制的作用是通过支撑辊，经过中间辊和工作辊作用到轧件。KST轧机（20辊轧）工作辊凸度控制作用是通过支撑辊，经过第2中间辊、第1中间辊和工作辊作用到轧件。
    KT轧机与KST轧机相比，KT轧机轧辊间的接触点比KST轧机少，所以，KT轧机不易受轧辊弹性压扁的影响，轧辊凸度调整装置的效果好，板形的控制能力更强。极薄带钢轧制时板形是很重要的，所以，应采用KT轧机做极薄带钢轧机。KT轧机轧制不锈钢和KST轧机轧制不锈钢时的凸度控制效果的比较见图6。图6的纵轴是使带钢中间凸度控制发生单位（1mm）变化时对带钢板形的影响（I-单位）。从图6可以看出，KT轧机带钢中间的伸长量约为220I/mm，而KST轧机约为90I/mm。KT轧机的凸度控制效果约为KST轧机的2.5倍。
    此外，神户制钢还有KT轧机和KST轧机用的板形模拟系统。该系统以轧辊变形模型和材料变形模型为基础，根据力的平衡和轧辊表面变位，计算出各轧辊的挠度，求出工作辊的表面变位，对带钢板形进行计算。
    在各种条件下的计算机模拟计算结果也证明了KT轧机和KST轧机的凸度控制能力的差异。
    3.2.2 横向调整装置
    横向调整装置是在中间辊轴向端部设有锥型喇叭口，使上下中间辊做轴向移动的装置。根据带钢宽度调整锥型的起点，可有效地修正带钢的端部形状。
    横向调整装置由大转矩油压马达驱动，在力的传递路径上采用球型螺栓降低摩擦阻力，提高了装置的效率。相同的标准工作辊辊径的KT轧机和KST轧机相比，有横向调整装置的KT轧机的中间辊的辊径比KST轧机第一中间辊的辊径大，所以，可以使用负荷大的止推轴承。KT轧机中间辊轴向移动力约为KST轧机的2倍。其结果是，KT轧机利用横向调整装置对板形进行的修正速度快于KST轧机对板形进行的修正速度。
    3.2.3 倾动装置
    倾动装置是利用4柱式机架分离型轧机的特点，使上机架的工作部和驱动部同时向相反方向动作，从而使上机架倾斜的装置。该装置的作用是，在保持轧制总负荷不变的同时，对控制板形的工作部和驱动部的不平衡状态进行修正（图7）。
    3.2.4支撑辊偏心装置
    支撑辊偏心装置是配置在下支撑辊两侧的，调整板宽方向上的轧辊总凸度的装置。与分别推动各个滑动座架的凸度控制方式不同，各个滑动座架内装有偏心量不同的偏心轮，通过使支撑辊轴的转动，来改变两侧下支撑辊的总凸度量。由于配置了该装置，KT轧机使用的是普通的平工作辊（无凸度工作辊）。
    4. 电气控制系统
    电气控制系统由主控制系统、板厚自动控制系统（AGC控制系统）、板形自动控制系统（AFC控制系统）、人工智能机械接口系统（HMI系统）和马达驱动装置组成。
    （1）主控制系统是KT轧机控制系统的中枢，具有输出速度控制指令、张力控制指令及输入输出其他各种指令的功能。
    （2）AGC控制系统可以在最快0.001s内对板厚控制装置的油压压下斜铁进行控制，阶跃响应小于0.01s，辊缝位置确定精度在±0.1μm以下，从而实现了产品厚度的高精度化。
   
    （3）AFC控制系统接受板形检测装置的检测数据，分别对各板形控制器输出最佳控制量，使检测出的板形与目标板形的偏差达到最小化，从而使产品具有良好的板形。
    （4）HMI系统对轧机的轧制制度、数据自动记录、轧机运转情况、故障记录等进行管理，使轧机操作便捷化和标准化。神户制钢的HMI系统叫做KOS（神钢操作支持系统）系统。
    （5）马达驱动装置。2007年交货的2架KT轧机在世界上首先采用了AC矢量反相器驱动装置。过去，在高表面质量不锈钢极薄带钢轧制中，没有使用这种驱动装置，其原因是担心因交流驱动转矩凸缘引起的转速波动，使带钢表面产生震颤纹。对神户制钢的AC矢量反相器驱动装置的技术进一步进行了评价，确定该驱动装置可以进行精确的速度控制和张力控制，因此在KT轧机采用了便于维护维修的AC驱动。
    5. 板厚和板形的自动控制系统
    板厚自动控制的方式有BISRA-AGC、监控AGC、FF-AGC、大断面AGC、张力AGC等。板形自动控制采用的是，神户制钢自主开发的多变数控制模型的控制系统。
    5.1 板厚自动控制系统
    在不锈钢极薄带钢轧制采用的各种AGC中，大断面AGC和张力AGC起着特别大的作用
    5.1.1 大断面AGC
    大断面AGC根据带钢在轧机入口和出口的速度及入口时的板厚，推算出出口时的板厚预测值，并按照出口板厚偏差为0的要求变化辊缝。大断面AGC对提高带钢头尾部和加减速部位的厚度精度特别有效。此外，当板形控制装置动作时会发生板厚控制量的变化从而对板厚有影响，大断面AGC会根据轧材速度的变化实时捕捉到板厚控制量的变化量，及时使油压压下斜铁动作，消除板厚的变化量。
    在大断面AGC中，带钢速度检测精度是一个关键问题。用激光多普勒非接触式板速测量仪进行控制时，对于厚度是0.05mm带钢，稳定轧制部板厚控制精度小于±0.5μm，加减速部板厚控制精度小于±1μm。
    5.1.2 张力AGC
    张力AGC是一种板厚自动控制方法，其作用是，根据带钢厚度变化增减卷筒的张力对板厚进行控制，使带钢在轧制时即使轧机辊缝发生变化，带钢厚度也保持不变的状态。此外，张力AGC还具有通过控制张力量和轧制速度起到稳定轧制的作用。
    5.2 板形自动控制系统
    轧机的板形自动控制系统采用了神户制钢自主开发的使用影响系数的多变数控制模型。影响系数是各板形控制装置发生单位变化量时的板形变化量，它是轧机固有的运行特性。
    KT轧机的板形控制装置有轧辊凸度控制装置、横向调整装置和机架倾动装置等作用不同的控制装置。板形自动控制系统为使板形最佳化，根据各控制装置的特点向各控制装置发出最适宜的操作指令。
    5.3 板厚-板形无干扰控制系统
    板形控制装置，特别是轧辊凸度控制装置在工作时，不仅板形发生变化，而且有时板厚也发生了变化。所以，为获得高精度的板形和板厚，必须防止板形控制和板厚控制之间的相互干扰。
    KT轧机具有神户制钢独自开发的板厚-板形无干扰控制系统，该系统可预测板厚的变化并将其控制在最小程度。该系统编入板形自动控制算法，可实现板形控制和板厚控制之间的互不干扰。
    在轧制过程中，当一个板形控制装置发生变化时，板厚-板形无干扰控制系统预先将板厚的微小变化量作为板厚影响系数输入每个板形控制装置，然后对各控制装置发出一组控制指令，进行板形自动控制，以实现对板厚的影响最小化。这种控制方式叫做上位无干扰控制。然后用板厚控制装置专用的油压压下斜铁，对上位无干扰控制后尚存的板厚微小变化进行补偿。这种控制方式叫做下位无干扰控制。KT轧机的板厚-板形无干扰控制系统采用了上述两种无干扰控制系统。
    为确认无干扰控制系统的效果，对采用（ON）和不采用（OFF）无干扰控制系统时轧机出口处的板厚变化量进行了比较。结果显示，在不采用无干扰控制系统的情况下，轧辊凸度控制装置动作时，板厚有几个μm的变化，而在采用无干扰控制系统的情况下，板厚没有发生变化。
    6.带钢表面质量
    6.1 防止表面皱折
    在极薄带钢轧制过程中，由于板厚很薄，所以带钢本身的刚度很小，带钢表面容易产生皱折。极薄带钢KT轧机在压直辊和张力卷取机之间配置了支撑辊（图8），缩短了带钢约束点之间的距离，防止表面皱折的发生。
    支撑辊在轧机轧制中，随着被卷取钢卷直径的变化可以移动，从而可在最佳位置对带钢进行约束。此外，在张力卷取机的卷取点附近配置有重力辊，可对张力卷取机卷取的带钢表面施加一定的压力，防止在卷取时由于空气的带入引起表面皱折。
    随着卷取钢卷的直径变化，重力辊的自重方向矢量也发生变化，所以对带钢的压力也发生变化。但由于对重力辊压紧力进行了补正，使带钢压力的变化得到修正，这样，对带钢施加的压力与钢卷的直径无关，从卷取开始到卷取结束始终保持恒定。
    如上所述，支撑辊和重力辊在提高带钢表面质量方面起着重要的作用。但是另一方面，由于与带钢接触的辊子数目增多，就增加了带钢表面滑伤的可能性。
    6.2 表面滑伤的防止对策
    极薄带钢常用作电子装备的材料，所以对表面滑伤的要求比一般用途的带钢要严格。但是极薄带钢轧制时的张力，又比普通带钢小，因此，极薄带钢容易产生因各种辊类与带钢表面接触而产生的滑伤。
    KT轧机防止滑伤的方法是，与带钢接触的所有辊子都装有驱动装置，用激光多普勒速度计测定带钢速度，以该速度为基准，调节各个辊子的速度与之同步就可以防止滑伤的产生。这种方式调节速度同步的精度小于0.5%。
    一般的辊子驱动机构的形式是驱动马达安装在辊子的端部。但是支撑辊和重力辊要适应张力卷取机上钢卷直径的不断变化发生位置移动，所以若在支撑辊和重力辊轴的端部安装AC马达，AC马达也要移动。神户制钢对上述传动机构进行了研究，将AC马达安装在固定部位，这样就消除了来自马达振动对支撑辊和重力辊移动的影响。此外，由于固定配置，减少了故障的发生并提高了可维修性。
    7. 小结
    近年来，KT轧机作为不锈钢极薄带钢高质量、高性能轧机受到用户的好评。今后不锈钢极薄带钢生产的研究课题是产品进一步极薄化和提高产量。此外，不锈钢极薄带钢轧机的操作人员逐渐老龄化，因此必须重视熟练操作技能的传承问题。
    在带钢极薄化时，需要解决轧辊接触轧件时防止带钢破断和提高板形精度的问题。为提高生产效率，应提高轧制速度和实现带钢的宽幅化。在技术传承方面，应在HMI系统（KOS系统）中编入资深操作者关于设备维护和预测故障的技术诀窍，并且不断扩充这些内容。