孫薊泉，彭世廣，陳 永，單元勝，蘇 嵐

（北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京，100083）

隨著板帶材軋制技術(shù)的發(fā)展，板形控制問題越來越突出［1］。板形的控制歸結(jié)于對有載輥縫凸度的控制，即通過控制沿板帶寬度方向輥縫曲線的幾何尺寸和形狀，來控制帶鋼橫截面凸度、邊部減薄量和平坦度。實際情況表明，有載輥縫凸度的波動主要來自輥型、彎輥力和竄輥量以及由軋件引起的軋制力的波動。本文利用二維等效模型［2］，分析軋制力、彎輥力以及工作輥竄輥量對有載輥縫凸度的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 單元和網(wǎng)格劃分

采用二維變厚度法，沿軸線方向?qū)⑤佅祫澐譃槿舾善叫杏谒矫婧穸确较虿坏鹊膯卧?，其中支撐輥輥?0個單元，輥徑20個單元；工作輥輥身32個單元，輥徑14個單元。劃分區(qū)域分三層：一層為軋制區(qū)工作輥的表面，另兩層分別為輥間接觸區(qū)域的支撐輥和工作輥表面。輥系軸線截面圖如圖1所示。其中，平面單元厚度由等效厚度計算確定，中部單元厚度由單元的慣性矩和實型相等確定，接觸邊界單元厚度由單元壓縮變形與Hertz壓扁量相等確定。為避免質(zhì)量較差的網(wǎng)格出現(xiàn)，采用四面體網(wǎng)格，輥系網(wǎng)格劃分如圖2所示。其中支撐輥軸向共40個單元，單元長度35 mm；工作輥軸向共32個單元，單元長度30mm。支撐輥3960個單元，單元類型為CPS4R；工作輥9200個單元，單元類型為CPS4R。

圖1 輥系軸線截面圖Fig.1 Axial sectional drawing of roll system

圖2 輥系網(wǎng)格劃分圖Fig.2Roll system meshing

1.2 輥材屬性和模型邊界條件

某廠精軋機(jī)組工作輥材質(zhì)為高鎳鉻無限冷硬鑄鐵，支撐輥材質(zhì)為鍛鋼（w（鉻）＝3%）。輥材性能參數(shù)如表1所示，軋輥技術(shù)參數(shù)如表2所示。二維變厚度模型邊界條件如圖3所示，在工作輥操作側(cè)和傳動側(cè)施加x方向約束，在支撐輥兩側(cè)施加x、y方向約束，兩輥間給予邊界接觸定義與約束，定義滑動摩擦系數(shù)為0.256。

表1 輥材性能參數(shù)［3］Table1 Property parameters of roll material

表2 軋輥技術(shù)參數(shù)Table2 Technical parameters of roll

圖3 二維變厚度模型邊界條件Fig.3 2－dimensional varying thickness finite element model and force diagram

2 軋制工藝參數(shù)對工作輥有載輥縫凸度的影響

2.1 軋制力對有載輥縫凸度的影響

軋制力為14000、18000、22000、26000kN，工作輥接觸面節(jié)點在y方向的位移如圖4所示。由圖4中可看出，隨軋制力的增大，工作輥接觸面節(jié)點位移增大。軋制力對工作輥撓度及其接觸面凸度的影響如圖5所示。由圖5中可看出，隨軋制力的增大，工作輥撓度及其接觸面節(jié)點曲線凸度增大。

圖4 不同軋制力下工作輥接觸面節(jié)點在y方向的位移Fig.4 Nodal displacement diagram at different rolling forces

圖5 軋制力對工作輥撓度及其接觸面凸度的影響Fig.5 Work roll contact surface crown and deflection at different rolling forces

2.2 彎輥力對有載輥縫凸度的影響

軋制力為14000kN，彎輥力為900、1100、1300、1500kN，工作輥接觸面節(jié)點在y方向的位移如圖6所示。由圖6可知，隨彎輥力的增大，工作輥接觸面節(jié)點位移增大。彎輥力對工作輥撓度及其接觸面凸度的影響如圖7所示。從圖7中可看出，隨彎輥力的增大，工作輥撓度增大，其接觸面節(jié)點曲線凸度減小。

圖6 不同彎輥力下工作輥接觸面節(jié)點在y方向的位移Fig.6 Nodal displacement diagram at different roll－bending forces

圖7 彎輥力對工作輥撓度及其接觸面凸度的影響Fig.7 Work roll contact surface crown and deflection at different roll－bending forces

2.3 竄輥量對有載輥縫凸度的影響

軋制力為14000kN，竄輥量為－150、－50、50、150mm（向右竄為正，向左竄為負(fù)），工作輥接觸面節(jié)點在y方向的位移如圖8所示。由圖8可看出，隨竄輥量的增加，工作輥接觸面節(jié)點位移變化較小。竄輥量對工作輥撓度及其接觸面凸度的影響如圖9所示。由圖9中可看出，隨竄輥量的增大，工作輥撓度減小，其接觸面節(jié)點曲線凸度稍有波動。

圖8 不同竄輥量下工作輥接觸面節(jié)點在y方向的位移Fig.8 Nodal displacement diagram at different roll－shifting amounts

圖9 竄輥量對工作輥撓度及其接觸面凸度的影響Fig.9 Work roll contact surface crown and deflection at different roll－shifting amounts

2.4 軋制參數(shù)波動對有載輥縫凸度的影響

在軋制力為14000kN、彎輥力為1000kN、竄輥量為50mm初始值上，均按20%、40%、60%、80%比率增大，軋制參數(shù)變化對軋輥凸度的影響如圖10所示。由圖10中可看出，軋制力、彎輥力波動5%，輥縫凸度約波動5%，軋制力、彎輥力波動對輥縫凸度的影響是顯著的，軋制過程中要得到良好板形，必須保證軋制力和彎輥力波動范圍不能太大，或讓兩者波動量相互抵消以及與別的波動量相抵消。而竄輥量波動對輥縫凸度的影響是微小的，在軋制過程中，改變竄輥量不會造成軋制過程不穩(wěn)定，因此，通過改變竄輥量，來實現(xiàn)輥縫微調(diào)節(jié)，進(jìn)而精確控制板形是合理的。

圖10 軋制參數(shù)變化對軋輥凸度的影響Fig.10 Effect of rolling parameters on the roll crown

3 TRIP鋼軋制過程有載輥縫凸度控制

熱軋TRIP鋼化學(xué)成分如表3所示。熱軋TRIP帶鋼寬度為1478mm，彎輥力為900kN，竄輥量為50mm，熱軋過程各道次壓下量如表4所示。軋制節(jié)奏如表5所示。板形控制基本策略如圖11所示。

表3 熱軋TRIP鋼化學(xué)成分（wB／%）Table3 Chemical compositions of hot rolled TRIP steel

表4 各道次壓下量Table4 Reduction in rollig process

表5 軋制節(jié)奏Table5 Rolling rhythm

圖11 板形控制基本策略［4］Fig.11 Shape control strategy

由圖11可知，精軋前三道次（F1～F3機(jī)架）具有較寬的“平坦死區(qū)”，即板形對輥縫凸度要求較低，可不予考慮；F3～F7機(jī)架之間，若某一機(jī)架軋板比例凸度大于限定范圍，將出現(xiàn)中浪；小于限定范圍，將出現(xiàn)邊浪；處于限定范圍，不出現(xiàn)浪形，稱為平坦死區(qū)。機(jī)架軋板比例凸度由壓力凸度、彎輥凸度、竄輥凸度、原始輥型凸度、熱輥型凸度等構(gòu)成。忽略軋制結(jié)束后帶鋼的彈性回復(fù)，軋輥與帶鋼接觸部位有載輥縫凸度即為出口帶鋼凸度，通過有限元模擬計算，得出60min時F3～F7機(jī)架中部以及與帶鋼接觸邊部的熱膨脹值，計算出軋輥熱凸度以及不同壓力、彎輥力、竄輥量下的凸度，通過式（1）計算相應(yīng)機(jī)架的軋板比例凸度。

式中：Cp為軋板比例凸度；Ce為軋板總凸度，μm；h為軋板平均厚度，mm；hc為軋板中心厚度，mm；hel為軋板左端厚度，mm，her為軋板右端厚度，mm。

F3～F7機(jī)架工藝參數(shù)和軋板比例凸度如表6所示。表6中，未考慮其他凸度（坯料凸度、軋輥初始凸度等）對軋板比例凸度的影響。

表6 F3～F7機(jī)架工藝參數(shù)和軋板比例凸度Table6 Thermal expansion value and proportional convexity of rolling plate on F3～F7rack

對于因初始輥縫設(shè)置而形成的板形缺陷，本文采用竄輥、液壓彎輥的方式予以消除。參數(shù)調(diào)整后F3～F7機(jī)架工藝參數(shù)和軋板比例凸度如表7所示。由表7可看出，采用竄輥、液壓彎輥的方式，可有效減小由于軋輥熱膨脹、壓力等因素產(chǎn)生的軋板比例凸度，在初始輥縫設(shè)置合理的前提下，板形得到良好控制。

表7 參數(shù)調(diào)整后F3～F7機(jī)架工藝參數(shù)和軋板比例凸度Table7 Thermal expansion value and proportional convexity for F3～F7rack after adjusting the parameters

調(diào)節(jié)彎輥力、竄輥量雖然可以有效控制板形，但對于長期工作在大彎輥力、竄輥量條件下的軋輥會降低使用壽命。因此，應(yīng)合理設(shè)計和設(shè)置軋輥初始輥型、冷卻水壓力、水流分布和軋制節(jié)奏，適當(dāng)減小彎輥力、竄輥量調(diào)節(jié)，以降低軋制負(fù)荷和能耗，延長軋輥使用壽命。

4 結(jié)論

（1）隨軋制力的增大，工作輥接觸面節(jié)點位移增大，工作輥撓度及其接觸面節(jié)點曲線凸度增大。

（2）隨彎輥力的增大，工作輥接觸面節(jié)點位移增大，工作輥撓度增大，其接觸面節(jié)點曲線凸度減小。

（3）隨竄輥量的增大，工作輥接觸面節(jié)點位移變化較小，工作輥撓度減小，其接觸面節(jié)點曲線凸度變化較小。

（4）軋制力對輥縫凸度的影響大于彎輥力、竄輥量對輥縫凸度的影響；軋制力、彎輥力波動對輥縫凸度的影響是顯著的，竄輥量波動對輥縫凸度的影響是微小的。

（5）實際生產(chǎn)中應(yīng)合理設(shè)置其他軋制參量，減少不必要的彎輥力、竄輥量調(diào)節(jié)，以降低能耗，延長軋輥使用壽命。

［1］王向榮.熱連軋精軋機(jī)組輥系變形與板形的研究［D］.北京：北京科技大學(xué)，2008.

［2］楊荃，陳先霖，徐耀寰，等.應(yīng)用變接觸長度支撐輥提高板形綜合調(diào)控能力［J］.1995，30（2）：48－51.

［3］K N Shohet－A Townsend.Roll bending methods of crown control in four－h(huán)igh plate mills［J］.Journal of Iron and Steel Institute，1969（11）：1088－1098.

［4］陳先霖，張杰，張清東，等.寬帶鋼熱連軋機(jī)板形控制系統(tǒng)的開發(fā)［J］.鋼鐵，2000，35（7）：28－33.