Teknologi Pengendalian Bentuk Canggih untuk Pabrik Strip Panas

Teknologi Kontrol Bentuk di Pabrik Strip Panas

Bentuk strip yang digiling ditandai oleh profil penampang melintang (crown) dan oleh kecekatan. Akurasi bentuk strip adalah parameter penting yang menentukan kualitas strip yang digiling panas. Bentuk strip adalah faktor yang tidak tergantikan dalam menentukan daya saing pasar strip yang digiling. Karena bentuk strip adalah indikator kunci kualitas, teknologi kontrol bentuk adalah teknologi inti produksi strip panas. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi bentuk strip yang digiling di pabrik strip panas (HSM).

Salah satu tujuan kunci dalam giling strip di HSM adalah untuk mencapai ketebalan target dengan kualitas optimal dalam hal crown dan kecekatan strip keluar. Saat pengurangan ketebalan, sangat penting untuk memiliki pengurangan yang konstan di seluruh lebar strip untuk memiliki elongasi yang seragam antara pusat dan tepi strip. Jika kondisi ini tidak terpenuhi, kondisi tekanan internal dihasilkan, yang menyebabkan cacat kecekatan (centre buckles atau wavy edges). Gambar 1 menunjukkan konsep kecekatan sempurna dan cacat kecekatan.

Gambar 1: Konsep kecekatan sempurna dan cacat kecekatan.

Dengan permintaan yang meningkat terhadap toleransi dimensi strip yang lebih tinggi, kebutuhan untuk mempertahankan crown strip yang seragam dan bentuk datar selama giling strip panas telah menjadi salah satu tugas teknis yang paling menantang di HSM. Teknologi kontrol bentuk yang mempengaruhi kualitas bentuk strip yang digiling panas terbagi menjadi tiga kategori yaitu (i) perangkat penggerak kontrol bentuk untuk rol, (ii) model kontrol bentuk, dan (iii) sistem proses giling. Teknologi kontrol bentuk juga berkembang dalam arah integrasi. Dalam artikel ini, perangkat penggerak kontrol bentuk untuk rol dijelaskan.

Perangkat Penggerak Kontrol Bentuk untuk Rol

Selama giling di HSM, crown dan kecekatan strip keluar dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti profil termal rol, gaya giling, aus rol, dan lebar strip, dll. Faktor-faktor ini berubah selama kampanye giling. Untuk kompensasi faktor-faktor ini dan untuk mengontrol crown dan kecekatan strip, penting untuk memasang serangkaian perangkat penggerak yang dapat secara kontinu memodifikasi bentuk gigitan rol. Tiga teknologi penggerak rol yang paling populer adalah (i) teknologi bending rol, (ii) teknologi shifting rol, dan (iii) teknologi continuously variable crown (CVC).

Teknologi Bending Rol – Rentang kontrol profil yang tersedia tanpa cacat kecekatan yang terlihat (centre buckle dan edge waves) dikorelasikan dengan ketebalan strip keluar. Semakin tinggi ketebalan strip keluar, semakin tinggi kemampuan profil untuk berubah tanpa menghasilkan cacat kecekatan. Diagram tipikal dengan keterbatasan perubahan rasio crown terhadap ketebalan strip ditunjukkan dalam Gambar 2. Faktor penting dalam desain sistem bending adalah rentang dampak perangkat penggerak bending pada kontrol crown dan kecekatan. Ketika material yang digiling tebal, dampak bending pada rasio crown strip terbatas, sedangkan ketika tipis, dampaknya sangat tinggi.

Gambar 2 menunjukkan contoh rentang kontrol bending yang merupakan kemampuan pabrik untuk mengontrol rasio crown tanpa cacat kecekatan. Rentang kontrol bending bergantung pada dua faktor utama yaitu (i) daya perangkat penggerak kontrol crown yang digunakan pada stand, dan (ii) posisi di sepanjang stand pabrik di mana perangkat penggerak ini dipasang. Untuk meningkatkan kemampuan kontrol crown dan kecekatan HSM, perlu memasang perangkat penggerak pada posisi yang tepat untuk mengoptimalkan efisiensinya.

Gambar 2: Rentang kontrol bending.

Perangkat work roll bending (WRB) karena kegunaannya dan struktur yang mudah dipasang, adalah mekanisme penggerak kontrol bentuk yang paling umum digunakan untuk giling strip panas. Meskipun kapasitas beban WRB ideal sedikit kurang dari separuh dari beban giling, dalam banyak kasus sulit untuk dicapai bahkan jika WRB digabungkan dengan negative bending untuk meningkatkan total beban WRB.

Perangkat double chock bending (DCB), dilengkapi dengan dua chock pada leher rol work roll, adalah metode WRB yang efektif yang mampu dengan mudah mencapai desain yang seimbang di antara tiga kondisi batasan kekuatan (kekuatan rol, kekuatan bearing, dan kekuatan chock) dan mencapai kapasitas bending yang besar dalam ruang yang terbatas. Namun, tipe rol ini memiliki ujung sumbu rol yang sedikit meluasi dan tidak dapat dengan mudah dipasang dengan mengkonversi pabrik yang ada.

WRB memiliki struktur yang relatif sederhana, dan sering dipasang bersama dengan perangkat penggerak kontrol bentuk lain. Gambar 3 menunjukkan contoh karakteristik kontrol yang dicapai ketika DCB dipasang dengan variable crown (VC roll). Dalam gambar, nilai crown senter mekanis yang menunjukkan pada sumbu vertikal mewakili perbedaan ketebalan strip antara pusat strip dan tepi strip ketika gaya giling didistribusikan secara merata dalam arah lebar, sementara nilai crown kuartal mekanis yang menunjukkan pada sumbu horizontal mewakili perbedaan ketebalan strip antara pusat strip dan posisi lebar kuartal strip.

Gambar 3: Metode bending work roll untuk kontrol bentuk.

Karena sistem hidrolis yang sangat responsif diperlukan untuk menerapkan beban bending, direct-drive servo valve diadopsi dalam beberapa kasus. Meskipun sulit untuk menggunakan negative bending dengan banyak pabrik giling yang sering memerlukan threading dan tailing out, kegunaan negative bending dalam threading dan tailing out dapat ditingkatkan dengan mengadopsi servo valve yang sangat responsif dengan panjang pipa yang pendek antara valve dan silinder.

Rol kerja diameter kecil efektif dalam mengurangi beban giling pada giling strip sangat tipis dan material keras. Namun, dalam perangkat WRB, di mana rol dibengkokkan di ujungnya, efek bending tidak ditransmisikan dengan baik ke wilayah senter rol. Memungkinkan untuk memasang tambahan support rolls, yang bersentuhan dengan work roll, untuk mendukungnya pada panjang barrel rol, untuk memberikan efek bending dan support. Salah satu jenis bending (support) roll, selain support roll utama yang mendukung beban giling secara vertikal, dirancang untuk mendorong work roll dalam arah miring atau horizontal. Dalam beberapa kasus, metode kontrol bentuk diadopsi di mana bagian tertentu dari barrel work roll secara hidrolis dan selektif didorong (FFC method) oleh bending rolls, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.

Untuk pabrik giling dengan barrel panjang, sebagai metode untuk membengkokkan work roll, outboard bending mechanism dipasang pada back-up roll untuk membengkokkan back-up roll diameter besar dan secara tidak langsung membengkokkan work roll barrel panjang. Efek kontrol crown senter mekanis yang diperkirakan dari setiap lebar strip yang digiling dengan outboard back-up roll bending (BURB) device untuk giling baja plate di pabrik plate (diameter work roll 1.020 mm, diameter back-up roll 1.830 mm, dan panjang barrel 4.700 mm) ditunjukkan dalam Gambar 3. Gambar juga menunjukkan efek kontrol crown senter mekanis dari setiap lebar digiling dengan WRB. Dari gambar dapat terlihat bahwa ketika lebar strip besar, efek kontrol WRB lebih besar dari pada BURB. Namun, ketika lebar strip kecil, efek kontrol BURB lebih besar dari pada WRB.

Di pabrik giling multi-high (seperti pabrik giling enam-tinggi), memungkinkan untuk melengkapi intermediate roll diameter besar dengan fungsi bending vertikal untuk secara tidak langsung membengkokkan work roll. Intermediate roll bending method dan back-up roll bending method dapat digunakan tanpa terpengaruh oleh kontrol tekanan WRB yang rumit yang diperlukan untuk mengubah work rolls, strip threading dan tailing out.

Work roll double jack heavy bending system – Untuk mencapai profil ketebalan yang diinginkan di roll gap dan untuk mengontrol celah tersebut selama giling seluruh coil, meskipun ada variasi termal dan geometri yang mungkin pada work piece masuk, sistem bending positif dan negatif heavy untuk semua stand finishing telah dikembangkan. Work roll bending biasanya digunakan dalam kontrol crown dan kecekatan strip secara dinamis dan kontinu selama giling. Ketika gaya bending roll diterapkan dalam arah gaya giling, bending adalah positif (crown in); ketika gaya bending diterapkan dalam arah berlawanan dengan gaya giling, bending adalah negatif (crown out) seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4.

Gambar 4: Work roll bending system.

Model kontrol online menghitung jumlah gaya bending work roll sebagai fungsi dari gaya pemisah rol, lebar strip, diameter rol, mechanical crown work roll, thermal crown work roll, aus work roll, dan profil strip entri. Ini berarti pengaturan sistem bending work roll dapat diubah dengan cepat di bawah beban (kontrol dinamis) untuk mencapai crown strip dalam toleransi target dan kecekatan strip yang optimal. Perangkat penggerak bending positif terletak di 'Mae West' blocks, sementara silinder bending negatif terletak di dalam chock back-up roll (BUR) (Gambar 4). Sistem ini mampu mencapai performa teratas tanpa gangguan dengan kontrol pabrik lainnya, dan tanpa peningkatan pemeliharaan. Heavy bending positif hingga 200 ton/chock dan heavy bending negatif hingga 120 ton/chock dapat dicapai. Gaya ini dapat dicapai tanpa mempengaruhi umur bearing karena sistem bending work roll double-jack, yang menjaga gaya bending terpusat dengan respecto terhadap garis tengah bearing, terlepas dari posisi aksial rol, sesuai dengan prosedur shifting sisi.

Teknologi Shifting Rol – Berbagai teknologi kontrol bentuk shifting rol telah dikembangkan. Teknologi ini pada dasarnya terdiri dari (i) metode di mana efek kontrol bentuk dapat ditingkatkan dengan menggeser rol, mengurangi bagian kontak antara rol di luar lebar strip dan sebagai hasilnya untuk meningkatkan defleksi rol, dan (ii) metode di mana efek kontrol bentuk dapat ditingkatkan dengan menggeser rol dengan bentuk khusus, dan menghasilkan efek distribusi celah giling geometrik dalam arah lebar. Ini ditunjukkan dalam Gambar 5. Di antara berbagai metode shifting rol, metode berdasarkan efek dari geometrically shaped shift rolls memiliki keuntungan dalam hal efek kontrol bentuk dapat ditetapkan secara bebas oleh bentuk geometrik. Mesin gerinda roll numerik control (NC) memungkinkan untuk menetapkan kurva gerinda roll dengan lebih bebas, dan dengan lebih mudah meningkatkan efek dari kurva roll yang dioptimalkan.

Gambar 5: Roll shift methods for shape control.

Pada dasarnya, mekanisme shifting yang sama digunakan dalam kedua metode di atas tetapi geometrically shaped shift rolls lebih efektif. Geometrically shaped shift rolls memiliki profil rol yang terdiri dari kurva gabungan concave dan convex sederhana (kurva S-shaped). Profil shift roll dapat dioptimalkan dan shift roll yang optimal juga kadang disebut sebagai 'combined numerical profile' (CNP) roll. Roll shift method ditambal oleh sistem pengaturan otomatis yang secara bersamaan menghitung nilai pengaturan untuk posisi shift dan tekanan bending rol dan memberikan perintah, sesuai dengan bentuk rol.

Selanjutnya, bentuk shift roll dapat dioptimalkan untuk setiap pabrik giling atau stand pabrik giling dapat dioptimalkan, dan bentuk shift roll dari stand pabrik giling dapat dioptimalkan satu per satu sehingga efek kontrol untuk lebar strip dengan rasio produksi yang lebih tinggi menjadi lebih tinggi. Untuk mengoptimalkan bentuk rol secara menyeluruh, bentuk seringkali ditentukan bukan dengan menggunakan fungsi tertentu, tetapi dengan menggunakan data numerik. Work roll shift method juga dapat digunakan untuk dispersi aus roll untuk mengurangi aus tidak merata bertahap pada rol dalam giling panas strip baja.

Perangkat shifting dapat dipasang di sisi operasi atau sisi penggerak, tergantung pada daya olah dan keterlayanan yang diperlukan di pabrik giling. Perangkat penggerak kontrol bentuk roll shift digunakan lebih sering dari sebelumnya karena mampu menghasilkan efek kontrol yang fleksibel tergantung pada bentuk roll yang dipilih, dan dapat dipasang pada pabrik giling panas berukuran besar.

Teknologi Shaped Roll – Untuk meningkatkan rentang kontrol crown dan kecekatan strip, shaped roll technology dapat diterapkan pada semua stand finishing. Dalam hal ini shifting digunakan tidak hanya untuk mengontrol distribusi aus work roll, tetapi juga untuk mengontrol crown dan kecekatan strip. Biasanya, kapasitas kontrol crown dengan shaped rolls adalah dua hingga tiga kali lebih tinggi daripada kapasitas sistem bending. Bentuk profil yang halus untuk work roll diadopsi untuk menggabungkan kontrol crown dan kecekatan dengan fungsi kontrol aus. Profil work roll adalah kurva yang terdiri dari fungsi sinus asimetris dan fungsi multinomial ketiga urutan. Sistem shifting didedikasikan untuk pengaturan profil celah, sehingga hanya digunakan untuk menetukan profil celah work roll yang sesuai (kontrol statis), sementara selama giling kontrol crown strip (kontrol dinamis) dilakukan oleh perangkat penggerak bending.

Metode Roll Mengembang (Variable crown roll method) – Dalam kasus work roll dengan panjang barrel rol yang lebih panjang, efek WRB kurang mungkin ditransmisikan ke wilayah tengah lebar strip dalam kontrol bentuk WRB. Efek kontrol bentuk strip dapat dipertahankan dengan menggabungkan metode WRB dengan metode di mana back-up roll sebagian diinfalkan dalam arah barrel rol untuk kontrol bentuk. Jika performa kontrol bentuk dapat dipertahankan dengan menggunakan inflating roll sebagai back-up roll, memungkinkan untuk menghilangkan kebutuhan untuk memroses work roll untuk membentuk bentuk konveks di wilayah tengah strip. Tipe roll ini mengurangi kesempatan kontak yang tajam dan tidak merata antara strip dan work roll, dan efektif terutama ketika kualitas permukaan strip selalu perlu unggul.

Untuk pabrik giling untuk beban giling kecil, variable crown (VC) roll yang memiliki kamera hidrolis untuk inflasi di tengah panjang barrel rol, dan WRB roll dapat digunakan pada saat yang sama. Gambar 3 menunjukkan contoh perhitungan performa dengan pabrik giling empat-tinggi (diameter 480/diameter 1.220 × 1.950 mm) yang dilengkapi dengan VC roll yang memiliki tingkat inflasi 0,32 mm dan DCB. Untuk kontrol bentuk dengan gaya giling yang lebih besar, taper-piston (TP) rolls (Gambar 6) telah dikembangkan.

Gambar 6: Taper piston roll and surface displacement.

Gambar 6 menunjukkan TP roll. Ia terdiri dari arbor, sleeve, dan taper piston, dan penyesuaian profil rol dengan menyesuaikan hidrolis posisi taper piston. Profil dapat diatur dengan lebih bebas dengan memasang dua piston di setiap sisi. TP rolls digunakan untuk pabrik giling panas yang back-up rollsnya memiliki panjang barrel yang besar.

TP rolls juga dapat dengan mudah dipasang di pabrik giling 2-tinggi, di mana perangkat penggerak kontrol bentuk tidak dapat dengan mudah dipasang karena tidak mungkin untuk menerapkan work roll bending. Karena TP rolls dapat dipasang sebagai work rolls, ukuran dan inflasinya lebih kecil dari yang dicapai dengan back-up rolls di pabrik giling panas. Namun, karena strip secara langsung bersentuhan dan terpengaruh oleh perubahan profil rol, efek kontrol bentuk menjadi lebih besar. Gambar 6 menunjukkan contoh kurva inflasi yang diukur dari medium diameter TP roll dengan diameter 550 mm untuk pabrik 2-tinggi.

Metode Lainnya

Di pabrik strip lebar untuk ketebalan tipis, bentuk kantong lebih mungkin terjadi karena sulit untuk mengontrol bentuk secara lokal di posisi acak (asimetris) dengan perangkat penggerak kontrol bentuk mekanis. Dalam kasus seperti ini, zone coolant atau spot coolant (atau heating) kontrol efektif. Kontrol seperti ini, yang menggunakan ekspansi termal lokal dan kontraksi lokal dari roll, digabungkan dengan strip flatness sensor untuk membentuk sistem kontrol bentuk otomatis.

Work roll thermal crown (RTC) cooling headers – Work roll RTCs adalah dua tilting headers (Gambar 7) yang ditempatkan di sisi keluar dari setiap stand finishing (atas dan bawah). Nozzle ditempatkan pada header ini di sepanjang jalur parabola yang titik puncaknya berada pada garis tengah pabrik giling. Selain itu, setiap header RTC dapat diputar oleh silinder hidrolis. Kombinasi distribusi spray nozzle dan sudut rotasi header memiliki kemampuan untuk mendinginkan senter rol lebih efisien daripada tepi atau sebaliknya. Dengan demikian, gradien pendinginan di sepanjang barrel rol memungkinkan untuk mengontrol work roll thermal crown secara efektif dengan posisi sudut yang tepat dari header RTC. Hasil penggunaan sistem RTC adalah (i) transisi pendek ke steady-state, (ii) kontrol work roll thermal crown yang efektif, dan (iii) pengurangan gaya bending yang diperlukan untuk mengkompensasi RTC, sehingga lebih banyak gaya bending dapat digunakan untuk mengontrol crown dan kecekatan strip.

Gambar 7: Work roll thermal crown header and roll crossing system.

Work roll dan back-up roll crossing – Work roll dan back-up roll crossing (flexible-crown dan free-rolling), adalah konsep baru yang telah dikembangkan untuk stand giling. Konsep ini memungkinkan roll crossing dan shifting selama giling untuk penyesuaian kontinu crown strip dalam rentang kontrol yang sangat luas dan kontrol mandiri aus roll. Targetnya adalah untuk memenuhi persyaratan kontrol profil dan kecekatan strip untuk campuran produk yang paling menuntut, termasuk ultra-thin gauges dalam berbagai profil strip, yang diperlukan untuk berbagai aplikasi akhir.

Produksi ultra-thin strip dalam giling endless atau semi-endless membutuhkan rentang kontrol crown strip yang sangat luas (hingga 1.700 mikrometer) yang empat hingga lima kali lebih luas dari rentang kontrol yang biasanya diperlukan dan dicapai oleh perangkat penggerak konvensional. Upaya ini telah mengarah pada pengembangan stand giling work roll dan back-up roll crossing yang mengatasi keterbatasan semua teknologi yang saat ini tersedia. Ia fitur roll bending, shifting dan crossing untuk mengontrol perubahan aus roll dan RTC secara mandiri, serta efek beban giling pada profil strip. Sistem work roll dan back-up roll crossing yang dipasang di pabrik dapat memiliki(i) work roll dan backup roll crossing, (ii) kontrol dinamis sudut crossing, (iii) work roll bending positif dan negatif, (iv) work roll shifting system tanpa histeresis, (v) crossing dan shifting di bawah beban giling, dan (vi) penggunaan mandiri crossing dan shifting.

Crossing rol memiliki efek yang sama pada strip seperti menggerinda convex crown pada work roll. Jumlah crown roll yang setara adalah Ceq = Se-Sc = (L2 tan2A) / (2(Dw + Sc)) di mana L adalah panjang barrel, Dw adalah diameter work roll, Sc adalah celah giling di senter rol, Se adalah celah giling di tepi rol, dan A adalah sudut crossing. Perangkat penggerak crossing bersama dengan perangkat penggerak bending mampu memodifikasi bagian kuadratik dan kuartik dari profil strip. Roll crossing dicapai oleh F shaped blocks yang melintasi jendela pabrik dan mendukung liners osilasi di mana work roll chocks dan back-up roll chocks meluncur. Setiap F shaped block ditempatkan dalam slot di wajah dalam housing post. Block terhubung ke slot oleh dua special mechanical cam-type jacks dan sistem balancing hidrolis.

Keuntungan stand work roll dan back-up roll crossing adalah (i) strip crown yang dapat disesuaikan secara kontinu dalam rentang kontrol yang luas, (ii) distribusi aus work roll dan kontrol aus tepi dilakukan melalui shifting di bawah beban, (iii) aus work roll dan kontrol strip crown adalah mandiri, (iv) aus back-up roll yang seragam, (v) peningkatan umur back-up roll karena tekanan kontak yang seragam antara work roll dan back-up roll, (vi) kemampuan giling bebas jadwal, (vii) efisiensi tinggi dalam mengontrol thermal crown, dan (viii) dirancang khusus untuk endless rolling.

Aspek Lainnya

Pada dasarnya, perangkat penggerak kontrol bentuk untuk giling strip panas dioperasikan dan dikontrol berdasarkan output shape sensor. Oleh karena itu, bahkan dengan perangkat penggerak berkinerja tinggi, kesalahan bentuk dapat terjadi karena kesalahan deteksi bentuk atau kesalahan perhitungan feedback. Untuk mencegah ini, tension leveler, yang secara otomatis dan mekanis memperbaiki kecekatan strip, dapat diadopsi sebagai peralatan finishing akhir untuk strip tipis. Selain itu, untuk meningkatkan efeknya pada strip yang sangat tipis, hydro tension leveler, yang memiliki strip bending head dengan radius kelengkungan yang sangat kecil, dapat diadopsi.

Pabrik giling differential speed memiliki bottom roll yang beroperasi pada kecepatan yang berbeda dari top roll, mengurangi gaya giling, membantu meningkatkan produktivitas. Ia memberikan manfaat seperti (i) ketebalan giling minimum yang lebih kecil, (ii) bentuk strip yang ditingkatkan, dan (iii) ukuran mikrostruktur yang lebih halus. Membuat rasio kecepatan differential menjadi variabel membuat gaya giling menjadi variabel sehingga menghasilkan efek kontrol bentuk. Dari perspektif yang menyeluruh ini, pabrik giling differential speed memiliki sistem gear differential dengan planetary gears. Ini memungkinkan untuk memilih rasio kecepatan differential yang sesuai tanpa meningkatkan total daya motor peralatan.