王學(xué)敏

(寶鋼集團中央研究院，上海，201900)

輥式矯直機彎輥設(shè)定與輥縫補償方法

王學(xué)敏

(寶鋼集團中央研究院，上海，201900)

基于彈塑性變形理論，可推導(dǎo)出輥式矯直機輥縫計算方法，但負(fù)載情況下矯直機本體發(fā)生較大的彈性變形，導(dǎo)致實際輥縫比預(yù)設(shè)定偏大；同時，由于矯直力大小沿帶鋼寬度方向分布不均勻，設(shè)備本體變形沿輥長方向呈一定的撓曲線形狀，從而導(dǎo)致輥縫沿輥長方向的不均勻，影響帶鋼矯直效果，傳統(tǒng)二維理論模型無法考慮這部分變形量。本文以某5輥粗矯機為例，對負(fù)載情況下設(shè)備彈性變形量進行了三維定量計算，并舉例介紹了矯直機輥縫補償方法和彎輥預(yù)設(shè)定方法。研究成果投入現(xiàn)場應(yīng)用后，對提高成材率、改善產(chǎn)品質(zhì)量起到明顯的改進作用。

矯直機模型；彎輥技術(shù)；輥縫預(yù)設(shè)定；設(shè)備彈跳；熱軋板形

0 前言

熱軋產(chǎn)品的板形尤其是薄規(guī)格超高強鋼的板形控制技術(shù)日益成為鋼鐵企業(yè)和用戶密切關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。其中一個重要機組即矯直機機組可以改善板形，消除帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力，尤其是精矯機往往作為鋼鐵企業(yè)鋼板或鋼卷的最后一道工序，其工藝參數(shù)設(shè)定精度直接決定出廠產(chǎn)品質(zhì)量水平。

矯直機主要控制工藝參數(shù)包括輥縫設(shè)定技術(shù)和彎輥設(shè)定技術(shù)。以某熱軋廠粗矯機為例，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要包括：立柱、橫梁、輥盒、楔塊、支承輥座、支承輥、矯直輥等，如圖1所示。矯直輥總數(shù)為5個(上2下3)，3個下輥可單獨自由上下調(diào)整，而上輥固定不動，僅用于彎輥調(diào)節(jié)。支承輥采用分段式的，總數(shù)量為：下輥3×10個，上輥5×4個。楔塊總數(shù)量為8對，其中上輥系5對，下輥系3對，上楔塊與下楔塊垂直布置，下矯直輥通過液壓缸推動楔塊來實現(xiàn)矯直輥的上下移動，楔塊的水平與垂直位移比為15∶1，即液壓缸水平方向每推動15 mm，則矯直輥向上移動1 mm。上矯直輥通過與上輥系垂直擺放的上楔塊來實現(xiàn)彎輥。

圖1 矯直機結(jié)構(gòu)構(gòu)成簡圖Fig.1 Leveler structure

輥縫設(shè)定技術(shù)是通過下楔塊調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，帶鋼穿過矯直機經(jīng)過多次反復(fù)彎曲，發(fā)生較大的彈塑性變形，通過合理的輥縫設(shè)定，帶鋼離開矯直機時殘留曲率剛好為零即帶鋼得以矯直。輥縫設(shè)定的實現(xiàn)是通過液壓缸推動下楔塊，進而推動下矯直輥上下移動。

彎輥設(shè)定技術(shù)是通過上楔塊調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，上楔塊與矯直輥垂直布置，通過液壓缸推動上楔塊，對5對上楔塊施加不同的位移量，則負(fù)載情況下上矯直輥呈現(xiàn)不同的預(yù)彎，一方面可補償矯直輥在負(fù)載情況下沿帶鋼寬度方向的變形不均勻，同時也有利于消除帶鋼的邊浪和中浪等不良板型缺陷。

國內(nèi)各研究機構(gòu)和國外部分設(shè)備供應(yīng)商基于傳統(tǒng)彈塑性理論，對輥縫的計算方法開展了一定的研究[1-7]，但由于設(shè)備本身彈性變形引起的實際輥縫與預(yù)設(shè)定輥縫不一致，以及由于變形量沿輥長方向的不均勻而引起的輥縫的不均勻在一定程度上影響矯直效果，對于這部分的研究和應(yīng)用尚屬空白。

1 彎輥設(shè)定與輥縫補償?shù)谋匾?/h2>

實際矯直過程中，矯直機承受較大的矯直力，設(shè)備結(jié)構(gòu)尤其是立柱、橫梁、輥盒等產(chǎn)生較大的彈性變形，一方面產(chǎn)生豎直方向的縱向拉伸(圖2a)，導(dǎo)致實際輥縫大于預(yù)設(shè)定輥縫，達不到理想的矯直效果；另一方面，設(shè)備沿寬度方向會產(chǎn)生變形的不均勻，呈一定的撓度曲線(圖2a)，從而導(dǎo)致輥縫沿帶鋼寬度方向的不均勻，影響帶鋼矯直效果，因此需通過上楔塊調(diào)節(jié)彎輥量來實現(xiàn)(圖2b)，以盡可能地保持輥縫的均勻性。需要指出的是，由于變形撓度的不均勻同時體現(xiàn)在上橫梁和下橫梁，但由于彎輥系統(tǒng)僅安裝在上輥系，補償這種不均勻僅能通過上楔塊來調(diào)節(jié)，因此調(diào)節(jié)后的輥縫大小均勻了，卻無法滿足矯直輥的平直，也就是說實際矯直過程中，矯直輥始終呈現(xiàn)一定的凸度，如圖2b所示。

圖2 負(fù)載情況下牌坊及工作輥變形示意圖Fig.2 Deflection of housing and work roll

2 負(fù)載情況下設(shè)備變形量計算

為了計算負(fù)載情況下設(shè)備的彈性變形量，假設(shè)矯直機設(shè)備所承受的總矯直力為20 MN，按彈塑性變形理論可計算出各單輥矯直力[2]。本文采用三維軟件PRO/E進行建模、專業(yè)有限元劃分網(wǎng)格軟件HYPERMESH進行網(wǎng)格劃分、利用高度非線性軟件MARC進行有限元計算和后處理、分別對輥系、立柱、橫梁及楔形塊等結(jié)構(gòu)受力進行仿真與計算，獲得單輥矯直力為2 MN時所發(fā)生的彈性變形量，當(dāng)矯直力為其它噸位時，其變形量按線性插值規(guī)律進行插值計算。

(1)輥系變形量計算。以上輥系為例，建模時輥系主要包括矯直輥、支承輥和支承輥輥座(圖3)。為了節(jié)省計算時間，采用1/2對稱模型進行分網(wǎng)和計算，對稱截面處施加對稱約束，矯直輥與支承輥之間為接觸對，支承輥輥座底部施加全約束，矯直輥施加均勻的矯直力1 MN，由于輥系變形曲線與帶鋼寬度有一定的關(guān)系，根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)需要，一般生產(chǎn)帶鋼寬度范圍為1 000～1 800 mm，因此，本文選用帶鋼寬度為1 674 mm和1 160 mm兩種工況進行計算以供參考和選用。

圖3 輥系結(jié)構(gòu)Fig.3 roll system structure

圖4為單輥矯直力為2 MN、帶鋼寬度分別為1 160 mm和1 674 mm兩種工況時，輥系總變形撓度曲線圖。由圖可以看出，負(fù)載情況下，上輥系呈負(fù)凸度形狀。其凸度的大小和分布與帶鋼

寬度以及矯直力的大小有關(guān)。由圖可以看出，由輥系彈性變形而導(dǎo)致輥縫增大的量約為0.075 mm。當(dāng)矯直力為其它噸位時，按線性插值進行計算。下輥系的計算方法同上。

圖4 輥系變形撓度曲線Fig.4 Deflection of roll system deformation

由于輥系變形的不均勻?qū)е螺伩p沿帶鋼寬度方向的不均勻，為了更好的保證矯直效果，需對矯直輥施加一定的預(yù)彎，以盡可能的滿足負(fù)載時輥縫沿帶鋼寬度方向的均勻性。當(dāng)輥系受力大小為2 MN，帶鋼寬度為1 674 mm時，由圖4可得各上楔塊所在位置即-800 mm、-400 mm、0、400 mm、800 mm等5處的撓度(即為5個楔形塊對應(yīng)的位置)，如800 mm處撓度為H=0.0447mm。其他見表1。

表1 當(dāng)輥系受力為2 MN時輥系變形彎輥補償量Tab.1 Roll system deformation under 2 MN leveling force mm

(2)立柱、橫梁、楔塊變形量計算。牌坊變形包括立柱、橫梁、楔塊、輥盒等部分的變形總和。矯直力通過輥系作用在上下楔塊上(圖5)，當(dāng)總矯直力為20 MN時，牌坊上下橫梁變形撓度曲線如圖6所示。結(jié)構(gòu)總變形呈曲線形狀，由結(jié)構(gòu)彈性變形而導(dǎo)致輥縫增大的量介于1.2～2.45 mm之間，可取均值約1.825 mm近似代替。當(dāng)總矯直力為其它噸位時，按線性插值計算。

因楔形塊、立柱、橫梁等結(jié)構(gòu)的變形同樣會引起輥縫沿帶鋼寬度方向的不均勻，為了更好的保證矯直效果，需施加一定量的彎輥預(yù)彎，以盡可能的滿足輥縫沿帶鋼寬度方向的均勻性。當(dāng)總矯直力為20 MN時，由圖6可獲得各上楔塊所在位置即-800 mm，-400 mm，0，400 mm，800 mm處的撓度，如800 mm處撓度為L1+L2=0.690 6 mm，其他類同(見表2)。

圖5 牌坊模型與邊界條件Fig.5 Housing model and boundary conditions

mm

圖6 總矯直力為20 MN時牌坊變形撓度曲線Fig.6 Deflection of housing

3 算例

以5輥矯直機為例，待矯直帶鋼規(guī)格為寬1600 mm×厚20 mm，屈服強度為400 MPa，抗拉強度500 MPa，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，總矯直力為6.37 MN。按模型計算[2]的矯直力見表3。

表3 理論計算單輥矯直力Tab.3 Theoretical value of leveling force /MN

(1)輥縫補償。為了提高計算精度，表4中理論計算輥縫值需補償負(fù)載情況下設(shè)備的彈性變形量(包括牌坊、楔形塊和輥系等變形)，補償后的輥縫可直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。當(dāng)總矯直力為20 MN時，需要補償?shù)妮伩p大小為1.825 mm，按線性規(guī)律換算，可得牌坊等結(jié)構(gòu)在受力6.37 MN時[2]，牌坊等總變形為0.581 3 mm,需要補償?shù)妮伩p大小為0.581 3 mm。當(dāng)單輥受力2 MN時，需要補償?shù)妮伩p大小為0.14 mm，單輥受力大小與需要補償?shù)妮伩p大小見表4。其中上輥系即輥2和輥4具有相同的變形量，可將下輥系整體向上調(diào)節(jié)0.111 3 mm來補償上輥系的變形，以保證實際輥縫大小與預(yù)設(shè)定輥縫大小相符。

表4 理論模型計算輥縫與彈跳量補償后輥縫/mmTab.4 The contrast of roll gap between theoretical value and compensate value

(2)彎輥設(shè)定。由于牌坊和輥系變形的不均勻?qū)е螺伩p沿帶鋼寬度方向的不均勻，需對結(jié)構(gòu)變形給予定量補償，方能得到均勻的輥縫，保證帶鋼矯直效果。當(dāng)總矯直力為6.37 MN時，由表2可進行線性換算獲得各上楔塊所在位置所需的彎輥補償量(見表5由牌坊、橫梁等變形引起的彎輥量)。

各輥系在各自矯直力作用下產(chǎn)生不同的變形量，而彎輥只能通過上輥系來實現(xiàn)，且2個上輥無法單獨調(diào)整，必須統(tǒng)一實現(xiàn)相同的預(yù)彎，因此，為了簡化，可取平均值(上輥系和下輥系分別平均)近似代替，以對輥系預(yù)彎進行補償，方法同牌坊預(yù)彎補償，由于本實例帶鋼寬度為1 600 mm，因此按表1中帶寬1 674 mm進行線性換算，結(jié)果見表5輥系變形引起的彎輥量。

表5 彎輥量設(shè)定Tab.5 Preset value of bending roll mm

對于由牌坊、橫梁等變形引起的彎輥量和輥系變形引起的彎輥量進行綜合補償，通過上楔塊調(diào)節(jié)，實現(xiàn)輥系預(yù)彎，以達到矯直過程中輥縫的均勻性。

4 應(yīng)用效果

傳統(tǒng)的矯直機輥縫參數(shù)理論計算模型為二維簡化模型，無法兼顧考慮輥縫沿帶鋼寬度方向的不均勻性，無法實現(xiàn)彎輥控制，且輥縫計算值偏于保守，矯直過程中，帶鋼實際發(fā)生的變形量比預(yù)期變形量要小，對于來料板形尚可，板形要求不高的情況，基本可以滿足用戶需求。但當(dāng)板形要求較高，來料板形較差的板帶，需對其計算結(jié)果進行修正和補償，以增加輥縫參數(shù)計算精度。

將本文研究方法應(yīng)用于某合金板帶工程熱矯機，對薄規(guī)格Mn13的矯直工藝進行改進與優(yōu)化，熱矯合格率由原來的92.76%提高到96.91%，對于13 mm以下的薄規(guī)格板帶，熱矯合格率由原來的89.42%提高到96.2%。

5 結(jié)論

利用三維數(shù)值仿真技術(shù)獲得矯直機整體設(shè)備在負(fù)載情況下的變形量，掌握了特定矯直力作用下，整體設(shè)備在豎直方向的變形量以及輥縫沿帶鋼寬度方向的不均勻度。在二維理論模型的基礎(chǔ)上，對輥縫值進行補償和優(yōu)化，通過彎輥調(diào)節(jié)對輥縫不均勻度進行補償，實際使用效果表明，該技術(shù)對提高產(chǎn)品質(zhì)量和成材率具有較高的實用價值。

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Method of bending roll presetting and roll gap compensation for leveler

WANG Xue-min

(Baoshan Iron & Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900，China)

Based on the theory of elastic-plastic bending deformation, the calculating method of roll gap can be obtained, but a large elastic deformation occurs under large leveling force, which leads to actual roll gap larger than preset roll gap. At the same time, because of the distribution of the uneven leveling force along the plate width, equipment deformation is in the shape of a certain amount of deflection curve, thus the uneven roll gap occurs along the roll length direction. And the leveling effect must be affected. Traditional two-dimensional theoretical model can not consider this part of deformation. In this paper，a 5 roll rough leveler as an example, equipment elastic-deformation was calculated under leveling force. Roll gap compensation method and the setting method of bending roll were introduced by example. Practical application result showed that the new technology can improve the quality of products.

leveling machine model; roll gap presetting; bending roll technology; elastic deformation; hot rolled plate shape

2015-11-20；

2016-01-05

王學(xué)敏(1975-)，女，博士，高級工程師，主要從事冶金設(shè)備能力評價及熱軋板帶板形控制等方面的研究。

TG333

A

1001-196X(2016)02-0006-05