Анализ теоретических основ, технических решений и систем автоматического регулирования профиля и формы металлических полос в прокатном производстве

По данным ведущих производителей металлопроката, достижение ультравысокой планшетности (ровности) и минимальной поперечной разнотолщинности в современных станах холодной прокатки требует контроля параметров с точностью, при которой погрешность измерения толщины не должна превышать 1–3% в рабочем диапазоне, а точность регулирования формы должна быть обеспечена в пределах, где перепад удельных натяжений по ширине полосы минимален. Это обуславливает необходимость применения систем автоматического регулирования, стоимость которых может достигать 30–40% от общей стоимости прокатного комплекса. Эта статистика подчеркивает: качество готовой продукции в металлургии сегодня — это прежде всего результат интеграции точной физики процесса, сложных математических моделей и высокотехнологичных исполнительных механизмов.

Введение: Актуальность проблемы качества проката и цели работы

Современные требования рынка к листовому прокату, особенно в автомобилестроении, производстве бытовой техники и энергетике, диктуют необходимость получения ультратонких полос из высокопрочных марок стали с высочайшими геометрическими характеристиками. Ключевыми показателями качества, определяющими пригодность полосы к дальнейшей обработке (штамповке, сварке), являются ее планшетность (отсутствие дефектов плоской формы) и поперечная разнотолщинность (равномерность толщины по ширине). Несоответствие этим требованиям приводит к браку, снижению производительности последующих переделов и огромным экономическим потерям, поэтому глубокое понимание механизмов их контроля является фундаментом современной металлургии.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью глубокого понимания физико-технологических механизмов, вызывающих дефекты, и систематизацией современных методов и технических средств, направленных на их устранение.

Цель работы: Найти и систематизировать информацию о теоретических основах, методах анализа и современных технологических решениях, используемых для контроля и улучшения формы (планшетности, профиля, разнотолщинности) металлических полос в процессе прокатки.

Задачи:

1. Определить основные причины возникновения дефектов формы и профиля.
2. Проанализировать принципы работы современных измерительных систем (стрессометров, толщиномеров).
3. Детально изучить конструкции прокатных клетей и исполнительных механизмов (CVC, шестивалковые системы).
4. Рассмотреть математические основы и функционал систем автоматического регулирования (САРФП и САРТ).

Структура материала построена по принципу «от теории к практике», начиная с фундаментальных причин дефектов и заканчивая сложными системами автоматического управления.

Теоретические основы возникновения дефектов формы и профиля полосы

Классификация и терминология дефектов

Дефекты формы и профиля полосы являются прямым следствием неравномерного распределения напряжений и деформаций по ее ширине в очаге деформации. Для однозначного описания этих дефектов используется строгая терминология:

• Планшетность (ровность поверхности): Основная характеристика качества, определяющая отсутствие на поверхности полосы дефектов плоской формы. Идеальная планшетность означает, что по всей ширине полосы коэффициент вытяжки одинаков.
• Поперечная разнотолщинность (Профиль): Разница между толщиной полосы по ее краям и в середине. Характеризуется наличием утолщения по центру (выпуклый профиль) или по краям (вогнутый профиль).
• Волнистость: Волнообразная неплоскостность. Возникает в тех областях, где металл оказался вытянут сильнее. Различают кромочную волнистость (избыточная вытяжка по краям), срединную волнистость (избыточная вытяжка в центре) и четвертную волнистость (по середине между центром и кромкой).
• Серповидность: Дефект формы, характеризующийся плавным искривлением полосы в горизонтальной плоскости (в форме дуги). Серповидность возникает, когда одно обжатие по одной кромке значительно превышает обжатие по другой.

Физико-технологические причины нарушения формы

Ключевой причиной возникновения дефектов плоской формы является неравенство коэффициентов вытяжки по ширине полосы. Если коэффициент вытяжки ($\lambda = h_{0}/h_{1}$) в центре полосы больше, чем по краям, возникает срединная волнистость, и наоборот.

Причинами этого неравномерного распределения деформаций являются:

1. Несоответствие профиля рабочих валков профилю раската: Если профиль валков не компенсирует естественный выпуклый профиль входной полосы, это приводит к неравномерному заполнению межвалкового зазора.
2. Прогиб рабочих и опорных валков: Под воздействием огромных сил прокатки (до 97 МН) валки неизбежно прогибаются, что приводит к увеличению зазора в центре и, как следствие, к утолщению полосы в этой зоне.
3. Тепловое расширение валков (бочкообразность): В процессе прокатки происходит нагрев валков. Нагрев более интенсивен в центральной части, что вызывает их тепловое расширение. Это явление, известное как бочкообразность, дополнительно увеличивает выпуклость профиля.
4. Неравномерный подвод смазки и эмульсии: При холодной прокатке неравномерный подвод охлаждающей эмульсии или смазки может локально изменять коэффициент трения и тепловое состояние валков.

Влияние температуры на механические свойства

При горячей прокатке процесс деформации усложняется прямой зависимостью механических свойств металла от температуры, что является критическим фактором в образовании дефекта серповидности. Неравномерный нагрев сляба, например, когда сторона, обращенная к приводу, оказывается горячее, приводит к следующей цепочке событий:

1. Неравенство предела текучести ($\sigma_{\text{Т}}$): При высоких температурах (свыше 500 °C) предел текучести стали очень чувствителен к изменению температуры. На более горячей стороне сляба $\sigma_{\text{Т}}$ резко снижается.
2. Разное сопротивление деформации: На той стороне полосы, где температура выше, сопротивление деформации ниже.
3. Неравномерное обжатие и вытяжка: При одинаковом растворе валков, на более мягкой (горячей) стороне происходит большее обжатие и, соответственно, большая вытяжка металла.
4. Серповидность: Избыточный наплыв и вытяжка металла по одной кромке заставляет полосу искривляться в горизонтальной плоскости, принимая форму серпа.

Таким образом, контроль температуры в очаге деформации и по ширине полосы является не менее важным, чем контроль механических параметров, и требует активного регулирования, поскольку малейшее изменение теплового режима может радикально изменить геометрию готового проката.

Принципы и современные технические средства измерения качества полосы

Точность контроля и регулирования качества полосы напрямую зависит от адекватности и скорости получения информации о фактическом состоянии проката. Современное производство использует как косвенные, так и прямые методы измерения.

Косвенное измерение планшетности: Контактные стрессометры

На станах холодной прокатки планшетность полосы определяется косвенно – по распределению удельного натяжения по ее ширине. Полоса с дефектом плоской формы (например, срединной волнистостью) имеет избыточную длину в деформированной зоне, что приводит к концентрации внутренних напряжений.

Основным прибором для этого является датчик планшетности (стрессометр), который представляет собой отклоняющий ролик.

Принцип действия:

1. Ролик разделен на множество независимых секций или зон. Типовая ширина измерительной зоны составляет 25–52 мм. Для широких полос (например, 1500 мм) число зон может достигать 60.
2. Полоса проходит через ролик, создавая радиальное усилие в каждой зоне.
3. В каждой зоне установлен чувствительный элемент, измеряющий усилие. Одним из наиболее распространенных является магнитоанизотропный (магнитоупругий) принцип. Он основан на эффекте Виллари: при механическом напряжении (деформации от усилия прокатки) изменяется магнитная проницаемость ферромагнитных материалов валка. Это позволяет бесконтактно и с высокой точностью измерять локальную силу.
4. Полученные радиальные усилия пересчитываются в удельные натяжения ($\sigma_{\text{i}}$).

Система автоматического регулирования формы полосы (САРФП) получает эти данные, сравнивает их со средним натяжением и выдает управляющее воздействие на исполнительные механизмы для выравнивания распределения $\sigma_{\text{i}}$ по ширине.

Бесконтактный контроль профиля и разнотолщинности

Контроль поперечного профиля (разнотолщинности) полосы осуществляется с помощью высокоточных бесконтактных толщиномеров, установленных после последней клети или на выходе из стана.

Технологии измерения:

• Рентгеновские толщиномеры: Используются для измерения толщины полосы на основе ослабления пучка рентгеновского излучения при прохождении через металл.
• Радиоизотопные толщиномеры: Принцип аналогичен, но используются изотопы.

Преимущества и характеристики:
Современные сканирующие рентгеновские толщиномеры обеспечивают высокую точность, поскольку их показания не зависят от колебаний температуры полосы и скорости прокатки.

Технический факт: Погрешность измерения толщины проката в современных рентгеновских системах составляет порядка 1–3% в широком диапазоне толщин, что соответствует самым жестким требованиям отраслевых стандартов.

Для получения информации о поперечном профиле, датчик может быть стационарно установлен в нескольких точках по ширине, либо перемещаться (сканировать) по всей ширине полосы, оперативно передавая данные в САРТ (Систему автоматического регулирования толщины).

Исполнительные механизмы и конструкции прокатных клетей для активного регулирования

Современные прокатные станы оснащаются сложными конструкциями клетей и исполнительными механизмами, которые позволяют активно управлять геометрией межвалкового зазора, компенсируя упругие деформации станины и валков, а также тепловые эффекты.

Многовалковые клети повышенной жесткости

Традиционные четырехвалковые клети («кварто») эффективны, но для производства особо тонкого проката из высокопрочных сталей требуются системы с принципиально более высокой жесткостью. Несмотря на то, что высокие капитальные и эксплуатационные затраты они предполагают, 6-валковые клети являются стандартом для производства высококачественного холоднокатаного проката.

Шестивалковые клети (6-Hi):

Конструкция включает два рабочих валка и четыре опорных валка, расположенных в два яруса.

• Преимущество: Шестивалковые клети обладают существенно повышенной жесткостью по сравнению с четырехвалковыми, так как уменьшается пролет между точками приложения силы к опорным валкам. Это минимизирует прогиб опорных валков и, соответственно, рабочих.
• Применение: Они незаменимы для прокатки тонких полос толщиной менее 0,2–0,3 мм, где требуется исключительная точность размеров и планшетности.
• Жесткость: Коэффициент жесткости клети ($C_{\text{к}}$) типовой четырехвалковой клети чистовой группы может составлять около $2,22 \text{ МН}/\text{мм}$. Шестивалковые клети позволяют добиться еще более высоких показателей, что критически важно для САРТ.

Системы осевой сдвижки и профилирования валков (CVC/HVC)

Для непрерывного и точного регулирования профиля межвалкового зазора были разработаны технологии, основанные на изменении геометрии валков.

Технология CVC (Continuously Variable Crown):

Система использует рабочие валки со специальной S-образной (выпукло-вогнутой) профилировкой.

• Профиль: Изменение диаметра валка по длине бочки в рамках S-профилировки обычно составляет 0,3–0,5 мм.
• Принцип регулирования: Путем осевой сдвижки рабочих валков относительно друг друга (HVC – Horizontal Variable Crown) происходит изменение эффективного профиля межвалкового зазора. Сдвигая валки, оператор или САРФП может «выбрать» ту часть S-образного профиля, которая наилучшим образом компенсирует прогиб валков, тепловое расширение и износ.
• Диапазон сдвижки: Осевая сдвижка может достигать 100–150 мм и используется, в том числе, для распределения износа валков по длине бочки.

Система CVC позволяет динамически подстраивать профиль под конкретные условия прокатки (ширина полосы, марка стали, температура), обеспечивая высокую планшетность. При этом, насколько часто мы задаемся вопросом, действительно ли существующие модели износа валков адекватно прогнозируют необходимость такой сдвижки?

Гидравлический изгиб и многозонное охлаждение валков

Эти механизмы служат для точечного и оперативного воздействия на профиль валков.

1. Гидравлический изгиб (Противоизгиб/Дополнительный изгиб):
   • Назначение: Тонкая компенсация прогиба рабочих и/или опорных валков, вызванного силой прокатки.
   • Принцип: Гидравлические цилиндры прилагают усилие к концам валков. Противоизгиб направлен против прогиба (уменьшает выпуклость), а дополнительный изгиб — на увеличение прогиба (увеличивает выпуклость).
   • Усилие: Усилие изгиба относительно невелико по сравнению с общим усилием прокатки (которое может достигать 97 МН), но оно является ключевым для обеспечения планшетности.
2. Многозонное охлаждение бочек валков:
   • Назначение: Регулирование теплового расширения (бочкообразности) валков для коррекции их профиля.
   • Принцип: На бочку валка через специальные форсунки подается охлаждающая жидкость. Ширина бочки валка разделена на множество независимых зон регулирования расхода (обычно их количество соответствует числу измерительных зон на стрессометре).
   • Управление: Если стрессометр фиксирует срединную волнистость (избыточная вытяжка в центре), САРФП усиливает подачу охлаждения в центральные зоны, уменьшая тепловое расширение и сужая межвалковый зазор в этой области, тем самым выравнивая профиль.

Математическое моделирование и системы автоматического регулирования профиля и формы (САРФП и САРТ)

Высокоскоростная прокатка требует немедленного реагирования на малейшие изменения параметров. Это достигается за счет интегрированных систем автоматического регулирования, основанных на точных математических моделях.

Структура и функционал САРФП

САРФП (Система автоматического регулирования формы полосы) — это система верхнего уровня автоматизации, которая интегрирует данные от стрессометров и управляет всеми исполнительными механизмами, влияющими на форму полосы.

Алгоритм работы САРФП:

1. Сбор данных: САРФП непрерывно собирает данные о распределении удельных натяжений по ширине полосы от стрессометра.
2. Расчет отклонений: Система рассчитывает отклонение удельного натяжения в каждой зоне от среднего значения.
3. Моделирование: Используя математические модели влияния исполнительных механизмов (изгиб валков, осевая сдвижка, охлаждение) на профиль, САРФП определяет необходимое управляющее воздействие.
4. Координация: Система координирует работу локальных регуляторов:
   • Корректирует усилие гидравлического изгиба валков (быстрое, грубое воздействие).
   • Регулирует расход охлаждающей жидкости в многозонной системе (медленное, точное воздействие на тепловой профиль).
   • Управляет осевой сдвижкой CVC-валков.

Цель САРФП — поддерживать распределение удельных натяжений максимально равномерным, что соответствует идеальной планшетности полосы.

Математическая основа САРТ

САРТ (Система автоматического регулирования толщины полосы) отвечает за поддержание постоянной продольной толщины готового проката. Эта система критически зависит от упругой деформации клети. Её эффективность в конечном счете определяет стабильность всего производственного процесса.

Фундаментальная зависимость, описывающая взаимосвязь между силой прокатки, жесткостью клети и толщиной на выходе, — это Зависимость Головина–Симса.

Толщина полосы на выходе ($h_{\text{1}}$) определяется как:

h₁ = S₀ + P / Cₖ

Где:

• $h_{\text{1}}$ — фактическая толщина полосы на выходе из клети;
• $S_{\text{0}}$ — установленный раствор валков (зазор между валками в ненагруженном состоянии);
• $P$ — фактическая сила прокатки (усилие);
• $C_{\text{к}}$ — коэффициент жесткости прокатной клети.

При прокатке сила $P$ может колебаться из-за неравномерности толщины входного раската или изменения механических свойств металла (температуры).

Если сила $P$ увеличивается, то увеличивается и упругая деформация клети ($P/C_{\text{к}}$), и толщина $h_{\text{1}}$ возрастает. Задача САРТ — компенсировать это изменение. Для поддержания постоянной толщины $h_{\text{1}}$ при изменении силы прокатки на $\Delta P$, необходимо изменить раствор валков $S_{\text{0}}$ на $\Delta S$:

ΔS = ΔP / Cₖ

Численный расчет компенсации разнотолщинности

Для иллюстрации принципа САРТ используем типовые численные данные, характерные для стана холодной прокатки:

Исходные данные:

• Типовой коэффициент жесткости клети: $C_{\text{к}} = 2,22 \text{ МН}/\text{мм}$.
• Сила прокатки внезапно возросла на: $\Delta P = 1 \text{ МН}$ (например, из-за появления более твердого участка полосы).

Требуется: Определить, на какую величину ($\Delta S$) необходимо уменьшить раствор валков, чтобы сохранить толщину проката $h_{\text{1}}$ постоянной.

Расчет:

ΔS = 1 МН / 2,22 МН/мм ≈ 0,45 мм

Вывод: Для компенсации увеличения силы прокатки на 1 МН (что приведет к увеличению толщины на 0,45 мм, если не вмешиваться), САРТ должна немедленно уменьшить раствор валков на 0,45 мм. Это достигается с помощью высокоскоростных гидравлических нажимных устройств, которые являются основой современной САРТ. Таким образом, только точное знание коэффициента жесткости клети и оперативное управление раствором валков позволяют обеспечить минимальную продольную разнотолщинность.

Заключение

Контроль и регулирование формы и профиля металлических полос являются одними из наиболее сложных и критически важных аспектов современного прокатного производства.

Основные выводы:

1. Теоретическая база: Дефекты формы (волнистость, серповидность) являются результатом неравномерного распределения коэффициентов вытяжки по ширине полосы. При горячей прокатке этот эффект многократно усиливается из-за высокой чувствительности предела текучести ($\sigma_{\text{Т}}$) стали к перепадам температуры, что прямо ведет к усилению серповидности.
2. Измерение: Точность регулирования достигается благодаря высокочувствительным измерительным системам. Планшетность измеряется косвенно — контактными стрессометрами (с магнитоупругим принципом) с множеством зон (до 60), а профиль — бесконтактными рентгеновскими толщиномерами с погрешностью до 1–3%.
3. Технические решения: Современные прокатные клети используют комплекс активных механизмов. Шестивалковые клети обеспечивают повышенную жесткость для работы с ультратонким прокатом (менее 0,3 мм). Системы CVC (с осевой сдвижкой S-образных валков до 150 мм) позволяют динамически менять профиль зазора. Гидравлический изгиб и многозонное охлаждение служат для оперативной компенсации прогиба и теплового расширения валков.
4. Автоматизация: САРФП координирует все исполнительные механизмы для устранения дефектов формы. САРТ обеспечивает постоянство толщины, опираясь на фундаментальную зависимость Головина–Симса ($h_{\text{1}} = S_{\text{0}} + P / C_{\text{к}}$). Численный анализ показал, что для компенсации колебаний силы прокатки на 1 МН при типовой жесткости клети требуется оперативное изменение раствора валков на 0,45 мм.

Перспективы развития: Дальнейшее развитие систем САРФП и САРТ будет направлено на повышение скорости реакции, интеграцию элементов искусственного интеллекта для прогнозирования теплового профиля валков и повышение надежности бесконтактных систем измерения формы полосы. Цель остается неизменной: достижение ультравысокой планшетности и минимальной разнотолщинности при максимально возможных скоростях прокатки.

Список использованной литературы

1. Василев Я. Д., Сафьян М. М. Производство полосовой и листовой стали. Киев: Вища школа, 1975. 192 с.
2. Генкин А.Л. Моделирование и оптимизация процесса горячей прокатки полос. Москва, 2012. 168 с.
3. Зотов В.Ф. Производство проката. Москва: Интермет Инжиниринг, 2000. 352 с.
4. Коновалов Ю.В. Справочник прокатчика. Справочное издание в 2-х книгах. Книга 1. Производство горячекатаных листов и полос. Москва: Теплотехник, 2008. 640 с.
5. Максимов Е.Л. Использование прокатных клетей с регулируемым профилем межвалкового зазора для получения полос с минимальной поперечной разнотолщинностью и волнистостью // Оборудование. 2006. №4. С. 60–65.
6. Максимов Е.Л. Новый кинематический критерий планшетности // Оборудование. 2005. №4. С. 13–16.
7. Максимов Е.Л. Повышение эффективности холодной прокатки нержавеющей стали при кинематической асимметрии очага деформации // Оборудование. 2008. №5. С. 41–43.
8. Максимов Е.Л. Улучшение планшетности и поперечной разнотолщинности прокатываемых полос // Оборудование. 2005. №3. С. 11–15.
9. Технология прокатного производства / С. А. Машков [и др.]. Алматы: Тетарпш, 2007. 334 с.
10. Улучшение планшетности прокатываемых полос // Национальная Металлургия. 2001. №5. C. 13–16.
11. Водопьянов Е.А. Дефекты. Горячекатаные полосы и листы. Отклонения размеров и формы. Дефекты формы поперечного сечения. 2013.
12. Атлас дефектов стали. Пер. с нем. Отклонения размеров и формы по длине [Электронный ресурс]. URL: markmet.ru.
13. О закономерности образования на одной из сторон дефекта формы полосы – серповидность – (2017) [Электронный ресурс]. URL: imet.ac.ru.
14. Бельский С. М., Стоякин А. О. Регулирование серповидности горячекатаной полосы в черновой группе // Rudmet.ru. 2017.
15. Шалаевский Д.Л. Методика расчета плоскостности стальных холоднокатаных полос // Misis.ru. 2021.
16. Бажанюк В.М. Система регулирования планшетности полосы: автореферат // Donntu.ru.
17. Системы автоматического регулирования плоскостности полосы на станах [Электронный ресурс]. URL: urfu.ru.
18. Система автоматического регулирования плоскостности полосы непрерывного стана холодной прокатки [Электронный ресурс]. URL: bmstu.ru.
19. Глава 12. Автоматизация листопрокатного производства [Электронный ресурс]. URL: kstu.kz.
20. Системы регулирования толщины полосы в чистовой группе клетей [Электронный ресурс]. URL: bmstu.ru.
21. Классификация прокатных станов. 2025 [Электронный ресурс]. URL: studfile.net.
22. Аналитический метод расчета упругих деформаций шестивалковых клетей [Электронный ресурс]. URL: imet.ac.ru. 2013.
23. Моделирование и исследование упругих деформаций шестивалковых клетей [Электронный ресурс]. URL: dslib.net.
24. Совершенствование методов охлаждения и профилирования валков широкополосных станов [Электронный ресурс]. URL: dissercat.com. 2013.