翟 鵬 顧廷權(quán) 王學(xué)敏 李 鶴

(1：東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 遼寧沈陽 110819；2：寶鋼股份有限公司中央研究院 上海 201900)

1 前言

在熱軋板材的軋制過程中，軋輥表面與帶鋼表面存在復(fù)制過程，軋輥的表面質(zhì)量由于磨損等原因逐漸降低；同時(shí)，由于軋輥表面不同部分所軋制帶鋼的總量的不同，會(huì)在軋輥表面由于局部不均勻磨損形成段差；此外，軋輥在軋制了一定量的帶鋼后，表面會(huì)生成氧化膜，破損剝落壓入帶鋼后，會(huì)造成嚴(yán)重的產(chǎn)品質(zhì)量問題。為解決以上問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，便產(chǎn)生了熱軋?jiān)诰€磨輥技術(shù)。在線磨輥裝置安裝在熱軋精軋機(jī)后道機(jī)架內(nèi)，在軋制的間隙或者軋制過程中對(duì)工作輥進(jìn)行在線磨削[1]。

在線磨輥可以減少軋輥離線磨削工作量，延長換輥周期，進(jìn)而提高軋機(jī)作業(yè)率；可以消除各道次軋制中軋輥的段差，提高各種寬度帶鋼軋制計(jì)劃的自由度；可以及時(shí)消除軋輥表面破損氧化膜和輥形異常，提高軋機(jī)板形、板凸度控制功能和帶鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量。因此，開展在線磨輥技術(shù)研究對(duì)提高熱軋產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)能力和自動(dòng)化水平具有重要的意義。

2 在線磨輥技術(shù)

2.1 在線磨輥技術(shù)研究現(xiàn)狀

熱軋?jiān)诰€磨輥技術(shù)是最近30年才興起的新技術(shù)，日本擁有自主研發(fā)的在線磨輥裝置，并處于技術(shù)領(lǐng)先地位。

1-工作輥軸向進(jìn)給油缸；2-磨頭體；3-工作輥徑向進(jìn)給油缸；4-無驅(qū)動(dòng)磨頭

1，5，6-交流伺服電機(jī);2-傳動(dòng)皮帶;3-砂輪;4-滾珠絲杠;7-齒輪齒條;8-測力傳感器

1987年，三菱重工在國際上首次開發(fā)出了與PC軋機(jī)相配套的第一代熱軋機(jī)工作輥在線磨輥機(jī)ORG(On-line Roll Grinder)，磨頭無驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，砂輪端面與工作輥表面接觸，依靠與輥面之間的摩擦力被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磨削，簡稱非驅(qū)動(dòng)式ORG。如圖1所示，該在線磨輥裝置輥形磨削及檢測功能較差，磨頭較多(5-6個(gè))，磨頭整體校正復(fù)雜，單磨頭磨削效率及抗振性較差。

1990年代初期，日立制作所開發(fā)出熱軋工作輥成形機(jī)RSM[2](Roll Shaping Machine)。磨頭為薄片式結(jié)構(gòu)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，砂輪端面與軋輥表面接觸進(jìn)行主動(dòng)磨削，簡稱驅(qū)動(dòng)式RSM。如圖2所示，該裝置無獨(dú)立輥型檢測裝置，依靠伺服電機(jī)軸轉(zhuǎn)過的角位移與傳感器測得的磨頭與工作輥之間的壓緊力綜合計(jì)算出砂輪進(jìn)給量和基體的變形量，實(shí)現(xiàn)間接檢測輥型，該檢測方法對(duì)裝置本身機(jī)械精度要求較高；單磨頭磨削效率較高，因此整體只采用2個(gè)分體磨頭即可滿足要求；磨頭結(jié)構(gòu)抗振性好，砂輪材質(zhì)為CBN超硬砂輪，使用壽命更長。

1990年代后期，三菱推出第二代在線磨輥裝置[2]。為液壓驅(qū)動(dòng)式ORG，磨頭由原來的被動(dòng)式改為由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)式，砂輪數(shù)量減為兩個(gè)，安裝于同一個(gè)磨頭上，而輥形測量手段沒有變化。改進(jìn)型ORG的單個(gè)磨頭磨削效率大幅度提高，砂輪的受力狀況亦有所改善，但抗振性仍然比較差。

2002年，三菱重工與日立制造所合資成立的三菱日立冶金機(jī)械公司MH(Mitsubishi-Hitachi Metals Machinery, Inc.)，融合了第二代ORG與RSM各自的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)出第三代在線磨輥機(jī)ORP(On-line Roll Profiler)。ORP為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式在線磨輥，可通過計(jì)算磨頭變形量方式間接檢測輥形，輥形磨削功能比較成熟，但是輥形檢測精度低。

韓國POSCO有6條熱連軋機(jī)組安裝了在線磨輥設(shè)備，通過持續(xù)的應(yīng)用技術(shù)研究，成為國際上應(yīng)用熱軋?jiān)诰€磨輥取得最佳效果的鋼廠之一。POSCO光陽No.2 HSM應(yīng)用三菱日立在線磨輥ORP，在前50km不投入ORP的情況下，同寬公里數(shù)達(dá)到120km，總軋制公里數(shù)達(dá)到183km(177卷，3532噸)。POSCO應(yīng)用ORG的熱軋機(jī)與傳統(tǒng)熱軋機(jī)(未用ORG)的帶鋼氧化鐵皮缺陷和表面缺陷發(fā)生卷數(shù)，分別為58卷/2月和270卷/2月。

日本KSC Chiba應(yīng)用ORP，實(shí)現(xiàn)了軟鋼300mm以上寬度反跳，總軋制公里數(shù)達(dá)到207km(210卷，3866噸)。日本NSC Hirohata熱軋廠在F5、F6機(jī)架應(yīng)用三菱日立在線磨輥ORP，換輥周期延長了2～3倍，單個(gè)換輥周期總軋制量超過4200t。

國內(nèi)鞍鋼1780熱連軋機(jī)組、唐鋼連鑄連軋機(jī)組等先后安裝了第二代ORG。據(jù)了解，鞍鋼ORG目前投用情況較好。寶鋼三熱軋1880熱連軋機(jī)組后3個(gè)精軋機(jī)架(F5、F6、F7)上使用了ORP。與ORG相比，ORP設(shè)備在磨削能力和磨削精度上都有了很大的提高。對(duì)于改善高牌號(hào)無取向硅鋼邊部減薄等效果明顯。

總結(jié)以上在線磨輥裝置及應(yīng)用情況，見表1。

表1 三菱、日立三代在線磨輥裝置基本規(guī)格參數(shù)與應(yīng)用情況

1996年德國SMS公司提出了驅(qū)動(dòng)式在線磨輥裝置專利[3]，但未見工業(yè)化應(yīng)用報(bào)道。與三菱、日立推出的在線磨輥裝置顯著不同的是：其砂輪軸線與軋輥軸線平行，采用砂輪外圓磨削方式。磨削裝置直接安裝在軋機(jī)機(jī)架上，結(jié)構(gòu)簡單，占據(jù)的空間小。但該裝置由于采用外圓磨削，與端面磨削方式相比，磨削力小，磨削效率低且系統(tǒng)抗振性差；系統(tǒng)采用嵌套結(jié)構(gòu)復(fù)雜且沒有配套的輥型在線檢測裝置。

與國外相比，我國目前還沒有成熟的在線磨輥裝置推廣使用，相關(guān)技術(shù)目前還處于從國外引進(jìn)、消化階段，相關(guān)研究目前尚少。2001年開始，寶鋼集團(tuán)與東北大學(xué)合作，對(duì)引進(jìn)的第一代三菱在線磨輥裝置做了相關(guān)分析與新型ORG的相關(guān)設(shè)計(jì)研究工作。范群[4]在分析了寶鋼1580熱軋?jiān)蠴RG問題的基礎(chǔ)上，做了新型ORG總體方案設(shè)計(jì)；潘賢君[5]對(duì)三菱第一代ORG由磨削幾何學(xué)方法做了磨削機(jī)理分析；武曉蘭[6]針對(duì)新型ORG設(shè)計(jì)了電力控制和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；鄧華波[7]針對(duì)寶鋼1580熱軋ORG磨削存在的問題，對(duì)CBN砂輪端面磨削做了實(shí)驗(yàn)研究；周勝、蔡光起[8]建立了新型ORG的虛擬樣機(jī)并做了抗振性分析。張成瑞、張伍軍[9]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了ORG的應(yīng)用效果；李紅雨、史乃安[10]結(jié)合鞍鋼實(shí)際，推導(dǎo)了ORG磨削力與磨削比的計(jì)算公式；C.H.Li等[11]提出了熱軋?jiān)诰€磨輥檢測的數(shù)學(xué)模型；B.F.Feng等[12]對(duì)ORG磨削采用的杯型砂輪作了幾何分析。

熱軋?jiān)诰€磨輥裝置直接安裝在熱軋精軋機(jī)機(jī)架內(nèi)，工作在惡劣的環(huán)境下，例如：溫度較高(70(C左右)且波動(dòng)范圍大，電磁干擾，軋輥表面被流動(dòng)的冷卻水覆蓋且存在氧化鐵皮、工作環(huán)境中有水蒸汽、安裝臺(tái)架振動(dòng)、限定在特定狹窄的安裝空間中等。由于在線磨輥裝置工作的工況環(huán)境惡劣，技術(shù)難度大，工作精度要求高，涉及多學(xué)科綜合應(yīng)用。目前相關(guān)技術(shù)被日本等國壟斷，技術(shù)應(yīng)用也趨于完善；國內(nèi)開展相關(guān)研究工作還停留在10年前，且相關(guān)研究尚未推廣應(yīng)用。

2.2 熱軋輥形在線檢測技術(shù)難點(diǎn)分析[13,14]

與熱軋磨輥技術(shù)配套發(fā)展的是熱軋輥形在線檢測技術(shù)。根據(jù)熱軋輥工作環(huán)境要求，接觸式測量(如用電感式位移傳感器)就難以適用，主要是因?yàn)椋?/p>

接觸式傳感器的測頭為運(yùn)動(dòng)部件，密封難度大；測頭與快速旋轉(zhuǎn)的軋輥表面直接接觸磨損再所難免，如采用滾動(dòng)測頭的話，又增加了運(yùn)動(dòng)部件，在此環(huán)境下相當(dāng)不利；由于軋輥表面磨損的非均勻性，軋輥表面存在著“臺(tái)階”，給檢測過程中測頭沿軋輥軸向的運(yùn)動(dòng)帶來難度。如前所述的日立公司集磨削與測量功能于一體的在線磨輥機(jī)RSM，通過檢測磨頭的變形量獲得輥形，實(shí)際上整個(gè)RSM同時(shí)作為接觸式輥形檢測傳感器，對(duì)整個(gè)磨輥機(jī)的設(shè)計(jì)制造精度要求高，但最終測量精度并不高。

根據(jù)測量環(huán)境的要求，非接觸式測量方法相對(duì)比較可行，方法主要有：電渦流測距法、激光測位移法、CCD成像法以及超聲波測距法等[15,16]。對(duì)于大多數(shù)非接觸式測量方法，如果在常規(guī)的工作條件下，實(shí)現(xiàn)以上檢測精度并不難。但由于輥形在線檢測裝置特殊的工作環(huán)境，一方面，各干擾因素必然給檢測系統(tǒng)帶來系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差；另一方面，對(duì)裝置的穩(wěn)定性、可靠性是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。無論對(duì)于哪一種檢測方法，需要解決的關(guān)鍵問題有兩個(gè)：為了確保裝置長期穩(wěn)定、可靠地工作，必須建立有效的抗干擾措施；為提高裝置的檢測精度，需要建立有效的測量誤差分離補(bǔ)償方法。

迄今為止，國內(nèi)外還沒有成熟的熱軋輥形在線檢測系統(tǒng)投入工業(yè)應(yīng)用報(bào)道。熱軋輥形在線檢測技術(shù)是一個(gè)難點(diǎn)。從檢測方法的可靠性來看，接觸式優(yōu)于非接觸式，但要獲得比較理想的檢測精度，宜優(yōu)先選擇非接觸式。

3 其它磨輥技術(shù)分析

電解在線磨輥技術(shù)[17,18]。利用電解作用和機(jī)械磨削作用相結(jié)合的加工方法，在線對(duì)鋼質(zhì)軋輥進(jìn)行鏡面磨削。該裝置采用鑄鐵粘接的CBN砂輪及其端面磨削方式，砂輪同時(shí)也作為電解電極的正極。電解磨削可顯著提高軋輥表面的光滑程度。但與ORP相比裝置的磨削效率低，抗干擾能力較差。

磨料噴射法在線修磨技術(shù)[19,20]。日本住友金屬開發(fā)可用于寬厚板軋機(jī)的磨料噴射軋輥在線修磨裝置。該裝置的原理是：將粉狀磨料(鐵砂)混入高壓水中，并一起噴射到軋輥表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)輥面的在線修磨。該裝置應(yīng)用于鹿島制鐵所厚板廠，取得比較明顯的效果，可使一次換輥軋制量提高一倍。

異速軋輥?zhàn)匝心?。將兩個(gè)磨損的軋輥以較小的壓下力相互靠緊，軋輥表面未磨損或磨損少的突出部分相互接觸，而磨損較多的部分不接觸。上、下軋輥以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，兩軋輥表面之間由于存在相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生自研磨，突出部分先被研磨掉，輥形逐漸趨于平滑。軋輥?zhàn)匝心シ椒ǖ玫降妮伱姹容^粗糙，難以保證磨削精度，磨削效率低。

4 結(jié)語

結(jié)合目前ORP的特點(diǎn)，在線磨輥裝置的發(fā)展急需解決以下問題：

提高砂輪的磨削能力并延長砂輪在線使用壽命，開發(fā)單磨頭在線磨輥裝置，現(xiàn)有的ORP為雙磨頭結(jié)構(gòu)，存在著輥面兩側(cè)磨削差異、協(xié)調(diào)控制難度較大等先天不足之處；研制柔性磨頭的結(jié)構(gòu)，提高磨頭的抗振效果，以避免軋輥表面因振動(dòng)產(chǎn)生輥面缺陷；研制與在線磨輥裝置相配套的輥形檢測裝置，以適應(yīng)狹小空間惡劣環(huán)境下高精度磨削的要求；開展在線磨輥裝置特有的端面磨削動(dòng)力學(xué)分析，以獲得更優(yōu)的磨削工藝參數(shù)避免磨削顫振的發(fā)生。